[論文レビュー] BER Analysis of Multi-Cellular MIMO Systems with Increasing Number of BS Antennas

José Carlos Marinello, Taufik Abrão|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、基地局（BS）のアンテナ数を増加させたマルチセル Massive MIMO システムにおけるビット誤り率（BER）性能を分析している。アンテナ数が無限大に近づいても、大規模アンテナアレイによるチャネルの硬化とアレイゲインの利点があるにもかかわらず、パイロット混信が依然として主な制限要因であることが示されている。

ABSTRACT

In this work, salient characteristics of a wireless communication system deploying a great number of antennas in the base station (BS), namely Massive MIMO system, are investigated. In particular, we found a simple and meaningful relationship that corroborates a fundamental assumption in recent related works: according the number of BS antennas $N$ grows, the product of the small-scale fading channel matrix with its conjugate transpose tends to a scaled identity, with a variability measure inversely proportional to $N$. Furthermore, analysis of the Massive MIMO system downlink is carried out from a bit-error-rate (BER) performance viewpoint, including some realistic adverse effects, such as interference from neighboring cells, channel estimation errors due to background thermal noise, and pilot contamination, which was recently shown to be the only impairment that remains in the MIMO multicell system with infinite number of BS antennas. Our numerical result findings show that, in the same way as with the sum capacity, the pilot contamination also limits the BER performance of a noncooperative multi-cell MIMO system with infinite number of BS antennas.

研究の動機と目的

• マルチセル MIMO システムにおける基地局（BS）アンテナ数の増加が BER 性能に与える影響を調査すること。
• Massive MIMO 下行リンク伝送における現実的な劣化要因、すなわち同頻帯セル干渉、チャネル推定誤差、パイロット混信を分析すること。
• チャネル行列とその複素共役転置行列の積が $ N $ の増加に伴いスケーリングされた単位行列に収束するという基本的仮定を検証すること。
• 無限大のアンテナ数領域においてもパイロット混信が制限要因のまま残るかどうかを特定すること。

提案手法

• 基地局アンテナ数 $ N \to \infty $ の下で、チャネル行列の積 $ \textbf{H} \textbf{H}^H $ の漸近的挙動を導出し、スケーリングされた単位行列への収束を示している。
• 現実的な劣化要因（同頻帯セル干渉、熱雑音、パイロット混信）を含むマルチセル Massive MIMO システムのダウンリンク伝送をモデル化している。
• 統計的チャネルモデルを用いて、背景の熱雑音に起因するチャネル推定誤差の影響を分析している。
• 大システム解析手法を用いて、$ N $ の増加に伴う BER 性能を評価し、パイロット混信の残存影響に焦点を当てている。
• 有効チャネル利得のばらつきが $ N $ に反比例することを定量的に評価し、チャネル硬化の仮定を裏付けている。
• 数値シミュレーションを実施し、パイロット混信の度合いや $ N $ の異なる条件下での BER 性能を評価している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基地局アンテナ数 $ N $ が増加するにつれて、小スケール fading チャネル行列とその複素共役転置行列の積はどのように振る舞うか？
• RQ2 非協調的マルチセル Massive MIMO システムにおいて、基地局アンテナ数が無限大に近づく場合、パイロット混信が BER 性能に与える影響は何か？
• RQ3 熱雑音に起因するチャネル推定誤差は、大規模 MIMO システムにおける BER 性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 アレイゲインとチャネル硬化の恩恵があるにもかかわらず、$ N \to \infty $ の漸近的領域においてもパイロット混信が主な劣化要因のまま残るか？

主な発見

• 基地局アンテナ数 $ N $ が増加するにつれて、積 $ \textbf{H} \textbf{H}^H $ はスケーリングされた単位行列に収束し、有効チャネル利得のばらつきは $ N $ に反比例する。
• パイロット混信は、他の劣化要因（熱雑音や同頻帯セル干渉）が軽減された場合でも、無限大の $ N $ の極限においても唯一残存する劣化要因であることが示された。
• BER 性能は、$ N \to \infty $ の漸近的領域においてもパイロット混信によって根本的に制限されており、性能が無限に向上すると予想されるのとは対照的である。
• チャネル硬化と有効な干渉抑制が漸近的に成り立つという仮定が確認されたが、パイロット混信は依然として重要なボトルネックのままである。
• 数値結果から、$ N $ が増加しても BER がゼロに近づかないことが示され、パイロット混信の持続的影響が裏付けられた。
• 本研究では、和容量のスケーリング特性が BER 性能に対しても成立し、パイロット混信が根本的な性能下限を規定することを検証した。