[논문 리뷰] Asymptotic Coverage Probability and Rate in Massive MIMO Networks

Tianyang Bai, Robert W. Heath|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 10.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 6인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 포아송 분포를 가진 기지국을 갖는 매크로 MIMO 네트워크에서 점점 커지는 안테나 배열에 따른 점점 커지는 커버리지 확률과 스펙트럼 효율을 분석하며, 파ilot 오염에도 불구하고 다운링크 및 업링크 사용자당 데이터 전송률이 큰 안테나 배열에 따라 유리하게 증가함을 보여준다. 스토하스틱 기하학과 대규모 시스템 분석을 사용하여 커버리지와 전송률에 대한 폐형 수식을 유도하며, 무작위 셀룰러 배치에서 매크로 MIMO가 단일 안테나 시스템보다 현저히 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.

ABSTRACT

Massive multiple-input multiple-output (MIMO) is a transmission technique for cellular systems that uses many antennas to support not-as-many users. Thus far, the performance of massive MIMO has only been examined in finite cellular networks. In this letter, we analyze its performance in random cellular networks with Poisson distributed base station locations. Specifically, we provide analytical expressions for the asymptotic coverage probability and rate in both downlink and uplink when each base station has a large number of antennas. The results show that, though limited by pilot contamination, massive MIMO can provide significantly higher asymptotic data rate per user than the single-antenna network.

연구 동기 및 목표

• 무작위로 위치한 기지국을 갖는 대규모 셀룰러 네트워크에서 매크로 MIMO의 성능을 분석하는 것.
• 포아송 기지국 배치 하에서 다운링크 및 업링크의 점점 커지는 커버리지 확률과 스펙트럼 효율을 특성화하는 것.
• 큰 수의 안테나를 갖는 매크로 MIMO 시스템에서 파ilot 오염이 성능에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 스토하스틱 기하학과 대규모 시스템 근사치를 사용하여 커버리지와 전송률에 대한 해석 가능한 수식을 유도하는 것.

제안 방법

• 기지국을 밀도 λb를 가진 동질적 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링한다.
• 양방향 TDD 동작을 가정하며, 업링크 및 다운링크 모두에서 피롤 재사용과 매칭 필터링 beamforming을 사용한다.
• 대규모 시스템 분석을 통해 간섭 전력의 M²으로 정규화한 값이 M → ∞ 일 때 거의 확실히 결정론적 함수로 수렴함을 보여준다.
• Campbell의 공식과 강한 대수법칙을 적용하여 간섭 항의 수렴을 도출한다.
• 다운링크 커버리지 확률을 계산하기 위해 역 SIR의 라플라스 변환을 유도한다.
• 채널의 일관성 시간에 비례하여 세포당 점점 커지는 합성 전송률을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기지국이 포아송 분포를 따를 때, 안테나 수 M → ∞ 일 때 커버리지 확률은 어떻게 행동하는가?
• RQ2 파ilot 오염 하에서 다운링크 및 업링크의 점점 커지는 사용자당 스펙트럼 효율은 무엇인가?
• RQ3 파ilot 오염이 대규모 매크로 MIMO 시스템의 점점 커지는 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 스토하스틱 기하학을 사용하여 랜덤 셀룰러 배치에서 커버리지와 전송률에 대한 해석 가능한 분석 수식을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 점점 커지는 다운링크 커버리지 확률은 안테나 수 M과 무관하게 간섭자와의 거리에만 의존하는 결정론적 함수로 수렴한다.
• 파ilot 오염이 있더라도 매크로 MIMO의 점점 커지는 사용자당 스펙트럼 효율은 단일 안테나 시스템보다 현저히 높다.
• 세포당 점점 커지는 합성 전송률은 채널 일관성 시간에 비례하여 선형적으로 증가하며, 큰 M으로 인한 근본적인 성능 향상을 시사한다.
• 파ilot 오염은 성능을 제한하지만, 어레이 게인과 간섭 억제 덕분에 매크로 MIMO가 높은 스펙트럼 효율을 달성할 수 있다.
• M → ∞ 일 때 간섭 전력의 M²으로 정규화한 값은 거의 확실히 결정론적 값으로 수렴하며, 이는 해석 가능한 분석을 가능하게 한다.