[論文レビュー] How Does Performance Scale with Antenna Number for Extremely Large-Scale MIMO?

Haiquan Lu, Yong Zeng|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 14被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、従来の均一平面波（UPW）仮定の代わりに一般化された球面波面モデルを用いてチャネルをモデル化することで、極めて大規模MIMO（XL-MIMO）における性能スケーリングを調査する。SNRの閉形式表現を導出し、アンテナ数Mに伴うSNRの増加が角度スパンに支配され、部分線形的であることを示す。また、電気的サイズに依存しない振幅差に基づく新たな臨界距離基準を提唱し、位相に基づくレイリー距離とは異なったものである。さらに、ユーザー間干渉（IUI）は角度分離に加え、同じ方向における距離分離によっても抑制可能であり、干渉抑圧の新たな自由度を提供する。

ABSTRACT

Extremely large-scale multiple-input multiple-output (XL-MIMO) communications correspond to systems whose antenna size is so large that conventional assumptions, such as uniform plane wave (UPW) impingement, are no longer valid. This paper studies the channel modelling and performance analysis of XL-MIMO communication based on the generic spherical wavefront propagation model. First, for the single-user uplink/downlink communication with the optimal maximum ratio combining/transmission (MRC/MRT), we rigorously derive a new closed-form expression for the resulting signal-to-noise ratio (SNR), which includes the conventional SNR expression based on UPW assumption as a special case. Our result shows that instead of scaling linearly with the base station (BS) antenna number $M$, the SNR with the more generic spherical wavefront model increases with $M$ with diminishing return, governed by a new parameter called angular span. One important finding from our derivation is the necessity to introduce a new distance criterion, termed critical distance, to complement the classical Rayleigh distance for separating the near- and far-field propagation regions. While Rayleigh distance is based on the phase difference across array elements and hence depends on the electrical size of the antenna, the critical distance cares about the amplitude/power difference and only depends on its physical size. We then extend the study to the multi-user XL-MIMO communication system, for which we demonstrate that inter-user interference (IUI) can be mitigated not just by angle separation, but also by distance separation along the same direction. This offers one new degree of freedom (DoF) for interference suppression with XL-MIMO.

研究の動機と目的

• 極めて大規模なアンテナアレイを有するXL-MIMOシステムにおいて、従来の均一平面波（UPW）仮定が有効でなくなるため、その限界を解消すること。
• アンテナ素子間での位相および振幅の変動を考慮した、一般化された球面波面伝搬モデルを用いてチャネルを正確にモデル化すること。
• 単ユーザーXL-MIMOシステムにおける最適最大比率合成／送信（MRC/MRT）下での信号対雑音比（SNR）の閉形式表現を導出すること。
• 電気的サイズに依存しない、振幅差に基づく新たな臨界距離基準を特定・定義し、近接領域と遠方領域を区別すること。
• 多ユーザーXL-MIMOシステムへの分析を拡張し、ユーザー間干渉（IUI）が角度分離に加え、同じ方向における距離分離によっても抑圧可能であることを示すこと。

提案手法

• 本稿は、大規模アンテナアレイにおける位相および振幅の変動を考慮した球面波面伝搬モデルを用いてXL-MIMOチャネルをモデル化する。
• 最適MRC/MRTビームフォーミングを用いた単ユーザー上行リンク／下行リンクシステムにおけるSNRの閉形式表現を導出し、従来のUPWに基づくSNR表現を一般化する。
• 大規模アンテナアレイにおける離散的総和を扱うために積分近似を用い、解析的取り扱いを可能にする連続積分に変換する。
• アンテナアレイの両端からユーザーがなす角度、すなわち角度スパンが、SNRスケーリング行動を支配する主要なパラメータとして導入される。
• アレイの物理的サイズと振幅／電力差に基づき、近接領域と遠方領域を区別する新たな臨界距離が提案される。
• 球面波面モデルを用いて有効干渉電力を計算することで、多ユーザー系への分析を拡張し、角度的および距離的分離による干渉抑圧効果を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XL-MIMOシステムにおいて、従来の均一平面波（UPW）仮定の代わりにより正確な球面波面モデルを用いた場合、アンテナ数Mに伴うSNRのスケーリングはどのように変化するか？
• RQ2 球面波面モデル下でM → ∞に近づく際のXL-MIMOにおけるSNR向上の根本的限界は何か？ そして、この挙動を支配するパラメータは何か？
• RQ3 古典的なレイリー距離基準は、XL-MIMOにおける近接領域効果をどのように正しく捉えられていないか？ また、近接領域と遠方領域を正確に分離するためには、どのような代替的距離基準が必要か？
• RQ4 多ユーザーXL-MIMOにおいて、ユーザー間干渉（IUI）は角度分離に加え、同じ方向における距離分離によっても抑圧可能か？ そして、これはシステム合計スループットにどのように影響するか？
• RQ5 従来のUPWベースのモデル化は、XL-MIMOにおいてどれほど性能を過大評価しているか？ 特に、IUI抑圧および合計スループット推定の観点から検証せよ。

主な発見

• 球面波面モデルを用いたXL-MIMOにおけるSNRは、アンテナ数Mに伴い部分線形的に増加し、角度スパンに支配される。M → ∞に近づくと有限の限界値に収束するが、従来のUPWモデルでは無限大に発散する線形増加を予測している。
• 従来のUPWベースのSNR表現は、XL-MIMO状況では無効であることが示され、Mに伴う無限大のSNR増加を仮定しているため、性能を過大評価している。
• 物理的サイズと振幅／電力差にのみ依存する新たな臨界距離が導入され、位相に基づくレイリー距離よりも近接領域／遠方領域の境界をより正確に定義する。
• 多ユーザーXL-MIMOにおいて、ユーザー間干渉（IUI）は角度分離に加え、同じ方向における距離分離によっても抑圧可能であり、干渉管理の新たな自由度を提供する。
• 数値結果により、従来のUPWベースのモデル化はIUIを著しく低く評価し、合計スループットを過大評価していることが確認され、正確なXL-MIMOシステム評価のためには球面波面モデルの導入が不可欠であることが示された。
• 導出されたSNR表現は、r ≫ Md/2 の遠方限界において、古典的なUPWベースのSNRに還元され、適切な条件下で従来モデルと整合性を保つことが確認された。