[논문 리뷰] Channel Hardening in Massive MIMO - A Measurement Based Analysis

Sara Gunnarsson, Jose Flordelis외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 05.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 6인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실내 강당에서 128안테나 원통형 어레이를 사용하여 매크로 MIMO의 채널 하드닝을 측정 기반으로 분석한다. 실질적인 채널 하드닝은 사용자 위치와 안테나 선택 순서에 따라 3.2에서 4.6 dB로 나타나 이론적 예측인 10.5 dB보다 훨씬 낮은 수준이며, 실제 환경의 fading과 사용자 간 상호작용으로 인한 영향을 반영한다.

ABSTRACT

Wireless-controlled robots, cars and other critical applications are in need of technologies that offer high reliability and low latency. Massive MIMO, Multiple-Input Multiple-Output, is a key technology for the upcoming 5G systems and is one part of the solution to increase the reliability of wireless systems. More specifically, when increasing the number of base station antennas in a massive MIMO systems the channel variations decrease and the so-called channel hardening effect appears. This means that the variations of the channel gain in time and frequency decrease. In this paper, channel hardening in massive MIMO systems is assessed based on analysis of measurement data. For an indoor scenario, the channels are measured with a 128-port cylindrical array for nine single-antenna users. The analysis shows that in a real scenario a channel hardening of 3.2-4.6 dB, measured as a reduction of the standard deviation of the channel gain, can be expected depending on the amount of user interaction. Also, some practical implications and insights are presented.

연구 동기 및 목표

• 실내 매크로 MIMO 환경에서 128안테나 원통형 어레이를 사용한 실제 측정을 통해 채널 하드닝을 평가한다.
• 기지국 안테나 수가 증가함에 따라 채널 이득 변동성(표준편차)의 실제 감소 정도를 정량화한다.
• 사용자 위치, 안테나 선택 순서, 전파 조건(LOS/NLOS)이 채널 하드닝 성능에 미치는 영향을 조사한다.
• i.i.d. 레이일레이(Rayleigh) 페이딩 조건 하에서 이론적 예측과 측정된 채널 하드닝을 비교한다.
• 시스템 설계에 실질적인 통찰을 제공하며, 효과적 어레이 크기와 사용자 스케줄링을 고려한다.

제안 방법

• 2.6 GHz 대역폭 40 MHz에서 실내 강당에서 128포트 원통형 안테나 어레이와 9명의 단일 안테나 사용자를 이용해 측정을 수행하였다.
• 17초 동안 300개의 스퍼플래시 샘플을 취득하였으며, 129개의 주파수 포인트에서 다중화 어레이 채널 사운더를 사용해 채널 전이 함수를 확보하였다.
• LOS/NLOS 다이버시티의 영향을 평가하기 위해, 최고, 최악, 무작위 순서로 기지국 안테나의 부분집합을 선택하여 채널 이득의 표준편차를 계산하였다.
• 정규화된 채널 이득을 사용하여 i.i.d. 레이일레이 페딩 기준 모델과 비교하여 하드닝 정도를 정량화하였다.
• 안테나 선택 순서를 다양화하여, 초기 채널 조건(예: LOS 대비 NLOS)이 하드닝 곡선에 미치는 영향을 분리하여 분석하였다.
• 통계 분석은 기지국 안테나 수가 1에서 128로 증가함에 따라 채널 이득 표준편차의 감소 정도에 집중하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 128안테나 어레이를 사용한 실내 매크로 MIMO 환경에서 실질적으로 얻을 수 있는 채널 하드닝은 어느 정도인가?
• RQ2 안테나 선택 순서(예: LOS 먼저, NLOS 먼저)가 관측된 채널 하드닝에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 사용자 위치와 사용자 간 상호작용은 채널 이득 표준편차에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 측정된 채널 하드닝은 i.i.d. 레이일레이 페딩 조건 하에서의 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 공간 상관성과 전파 조건을 고려할 때, 실질적으로 독립적인 채널의 효과적 수는 얼마인가?

주요 결과

• 측정된 시나리오에서 채널 하드닝은 사용자 위치와 안테나 선택 순서에 따라 3.2 dB에서 4.6 dB 사이로 나타난다.
• 하드닝 곡선의 시작점(1개 안테나일 때 표준편차)은 첫 번째로 선택된 안테나가 LOS인지 NLOS인지에 따라 크게 달라진다.
• 안테나를 '최악의 순서'(NLOS 먼저)로 선택할 경우, 표준편차가 일시적으로 증가했다가 감소하는 경향을 보이며, 일시적인 채널 소프트닝 현상을 나타낸다.
• 최고 성능을 보이는 단일 안테나(LOS)의 표준편차는 1 이하로 시작하여, i.i.d. 레이일레이 기준 모델보다 더 적은 페딩을 나타낸다.
• 뒤줄에 위치한 사용자 5는 사용자 차단으로 인한 대규모 페딩으로 인해 채널 변동성이 더 크며, 하드닝 이득이 낮게 나타나(3.2–3.6 dB)는 경향이 있다.
• 공간 상관성과 전파 조건으로 인해, 대규모 어레이를 사용하더라도 독립적인 채널의 효과적 수는 128 미만이다.