[논문 리뷰] Massive MIMO: 10 Myths and One Grand Question.

Emil Björnson, Erik G. Larsson외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 23.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 15인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 무선 통신 분야에서 널리 퍼져 있는 무거운 MIMO에 관한 10가지 오해를 해소하며, 무한한 안테나 수, 과도한 복잡성, 비현실적인 어레이 크기와 같은 오해를 명확히 한다. 이 논문은 무거운 MIMO가 무한한 안테나를 필요로 하지 않으며, 실용적인 유한한 안테나 어레이와 고도의 신호 처리 기법을 통해 실현 가능하고, 높은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 향상을 가져올 수 있음을 주장한다. 또한 최적의 구현 전략을 놓고 한 가지 거대한 연구 질문을 제기한다.

ABSTRACT

Wireless communications is one of the most successful technologies in modern years, given that an exponential growth rate in wireless traffic has been sustained for over a century (known as Cooper's law). This trend will certainly continue driven by new innovative applications; for example, augmented reality and internet-of-things. Massive MIMO (multiple-input multiple-output) has been identified as a key technology to handle orders of magnitude more data traffic. Despite the attention it is receiving from the communication community, we have personally witnessed that Massive MIMO is subject to several widespread misunderstandings, as epitomized by following (fictional) abstract: Massive MIMO technology uses a nearly infinite number of high-quality antennas at the base stations. By having at least an order of magnitude more antennas than active terminals, one can exploit asymptotic behaviors that some special kinds of wireless channels have. This technology looks great at first sight, but unfortunately the signal processing complexity is off the charts and the antenna arrays would be so huge that it can only be implemented in millimeter wave bands. The properties above are, in fact, completely false. In this article, we identify 10 myths and explain why they are not true. We also ask a grand question that will require intense future research activities to answer properly.

연구 동기 및 목표

• 무거운 MIMO에 대한 널리 퍼진 오해를 특정하고 수정함으로써, 그 수용과 연구를 저해하는 요소를 제거하기 위함.
• 무거운 MIMO가 무한한 안테나를 필요로 하지 않으며, 금지된 수준의 복잡한 신호 처리도 필요로 하지 않음을 명확히 하기 위함.
• 무거운 MIMO가 밀리미터 웨이브에 국한되지 않고, 6GHz 이하 대역에서도 실현 가능하고 효과적으로 작동함을 보여주기 위함.
• 무거운 MIMO 어레인지가 너무 크다는 인식을 도전하기 위함.
• 무거운 MIMO 시스템 설계에서 최적의 트레이드오프를 놓고 거대한 연구 질문을 제기하기 위함.

제안 방법

• 무선 채널의 점점 커지는 성질을 분석하여, 성능 향상이 무한하지만 실용적인 크기의 안테나 어레이에서 기인함을 보여줌.
• 무한한 안테나와 극도로 복잡한 처리를 주장하는 허구적 주장과 실제로 적용되는 신호 처리 기법을 대비함.
• 채널 경직성과 유리한 전파 조건이 실용적인 수준의 안테나 수로도 견고한 성능을 가능하게 함을 강조함.
• 일관된 빔포밍과 간섭 제거 기법을 통해 무거운 MIMO가 높은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 달성함을 입증함.
• 이론적 분석과 시스템 수준의 추론을 통해 어레이 크기와 밀리미터 웨이브에 국한된 주장에 반박함.
• 향후 연구를 이끄는 시스템 수준 최적화 및 구현 전략 트레이드오프에 대한 거대한 연구 질문을 제기함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 무거운 MIMO가 무한한 수의 안테나를 필요로 한다는 믿음이 근본적인 오해로 간주되는가?
• RQ2 무거운 MIMO가 금지된 수준의 신호 처리 복잡성을 지닌 채로도 높은 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ3 6GHz 이하 대역에서 무거운 MIMO를 구현할 때 실용적인 제약은 무엇이며, 밀리미터 웨이브 대비 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ4 무거운 MIMO 어레인지가 너무 크다는 주장이 현재의 시스템 설계로는 뒷받침되지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ5 실제 구현을 위한 무거운 MIMO 최적화에서 남아 있는 주요 열린 연구 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 무거운 MIMO는 무한한 수의 안테나를 필요로 하지 않으며, 실용적인 크기의 유한한 어레이가 상당한 성능 향상을 가져옴.
• 무거운 MIMO의 신호 처리 복잡성은 관리 가능하며, 유리한 전파 조건과 채널 경직성 덕분에 어레이 크기에 따라 유리하게 증가함.
• 무거운 MIMO는 밀리미터 웨이브 대역에 국한되지 않으며, 6GHz 이하 대역에서도 효과적으로 작동함.
• 무거운 MIMO의 안테나 어레지는 금지된 크기의 크기를 지니지 않으며, 현대적인 하드웨어와 컴act 설계 덕분에 구현이 가능함.
• 채널의 점점 커지는 성질이 무한한 수의 안테나가 필요로 하지 않더라도 견고한 성능을 가능하게 함.
• 무거운 MIMO의 구현 전략 최적화에서 남아 있는 거대한 연구 질문은 하드웨어, 스펙트럼 효율성, 에너지 소비를 놓고 시스템 수준의 트레이드오프를 최적화하는 데 중점이 맞춰져 있음.