[논문 리뷰] On the Uplink Transmission of Multi-user Extra-large Scale Massive MIMO Systems

Xi Yang, Fan Cao외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 15.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 26인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 초거대 스케일 마이크로파 MIMO 시스템에서 상향링크 전송을 위한 서브어레이 기반 아키텍처와 통계적 CSI 기반 사용자 스케줄링을 제안하며, 가시 영역(VR)을 통해 공간 비정상성의 영향을 고려한다. 이는 날카운 감소된 형태의 스펙트럼 효율성 근사치를 유도하고, 게으른 공동 사용자 및 서브어레이 스케줄링을 통한 온오프 스위치 기반 서브어레이 설계가 높은 스펙트럼 효율성을 달성하며, 전통적인 접근 방식보다 근거리 전파 환경에서 뛰어난 성능을 보임을 보여준다.

ABSTRACT

With the inherent benefits, such as, better cell coverage and higher area throughput, extra-large scale massive multiple-input multiple-output (MIMO) has great potential to be one of the key technologies for the next generation wireless communication systems. However, in practice, when the antenna dimensions grow large, spatial non-stationarities occur and users will only see a portion of the base station antenna array, which we call visibility region (VR). To assess the impact of spatial non-stationarities, in this paper, we investigate the uplink transmission of extra-large scale massive MIMO systems by considering VRs. In particular, we first propose a subarray-based system architecture for extra-large scale massive MIMO systems. Then, tight closed-form uplink spectral efficiency (SE) approximations with linear receivers are derived. With the objective of maximizing the achievable SE, we also propose schemes for the subarray phase coefficient design. In addition, based on the obtained ergodic achievable SE approximations, two statistical channel state information (CSI)-based greedy user scheduling algorithms are developed. Our results indicate that the statistical CSI-based greedy joint user and subarray scheduling algorithm collaborating with the on-off switch-based subarray architecture is a promising practical solution for extra-large scale massive MIMO systems.

연구 동기 및 목표

• 큰 어레이 크기로 인한 공간 비정상성으로 인해 발생하는 초거대 스케일 마이크로파 MIMO 시스템의 성능 제약을 해결하기 위해.
• 사용자가 큰 기지국 안테나 어레이의 일부만 볼 수 있는 영역인 가시 영역(VR)의 영향을 모델링하고 정량화하기 위해.
• 초거대 스케일 마이크로파 MIMO에서 효율적인 신호 처리를 가능하게 하는 실용적인 서브어레이 기반 시스템 아키텍처를 설계하기 위해.
• VR 제약 조건 하에서 에르고딕 스펙트럼 효율성을 최대화하는 통계적 CSI 기반 사용자 스케줄링 알고리즘을 개발하기 위해.
• 비정상적인 전파 환경에서 선형 수신기의 상향링크 스펙트럼 효율성에 대한 날카운 폐형 근사치를 제공하기 위해.

제안 방법

• 큰 기지국 어레이를 서브어레이로 분할하고, 각 서브어레이는 위상 시프터와 온오프 스위치로 제어되어 동적 가시 영역(VR) 제어를 가능하게 하는 서브어레이 기반 시스템 아키텍처를 제안한다.
• 효율적 채널 행렬을 모델링하고 행렬 역행렬에 대해 노이만 급수 전개를 적용하여 선형 수신기(예: LMMSE) 하에서 에르고딕 스펙트럼 효율성(SE)에 대한 날카운 폐형 근사치를 유도한다.
• 통계적 채널 상태 정보(CSI)를 활용하여 각 서브어레이의 범프링을 최적화함으로써 가시 가능한 스펙트럼 효율성을 극대화하기 위한 위상 계수 설계 기법을 도입한다.
• 통계적 CSI 기반으로 두 가지 게으른 사용자 스케줄링 알고리즘을 개발한다: 하나는 공동 사용자 및 서브어레이 선택을 위한 것이고, 다른 하나는 사용자 선택 전용이다. 둘 다 합산 SE를 극대화하는 것을 목표로 한다.
• 레이일라이 거리를 이용해 근거리 영역을 정의하고, 원거리 가정을 초월한 신호 전파를 모델링하여 급격한 전력 감쇠와 비균일한 사용자 가시성을 고려한다.
• 제닝스 부등식과 산술-기하 평균 부등식을 적용하여 에르고딕 가시 가능한 SE에 대한 해석 가능한 경계를 도출하고, 최종 폐형 근사치 $ R^{ ext{LMMSE,PartialApp}} = \sum_{k=1}^{K} \log_2\left(1 + p_u \cdot \text{tr}(\mathbf{B} \mathbf{Θ}_k)\right) $ 를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 어레이 크기로 인한 공간 비정상성은 초거대 스케일 마이크로파 MIMO 시스템의 상향링크 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 가시 영역(VR)은 상향링크 전송에서 선형 수신기 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 통계적 CSI 하에서 서브어레이 아키텍처와 위상 계수 설계를 어떻게 최적화하여 스펙트럼 효율성을 극대화할 수 있는가?
• RQ4 사용자가 부분적 또는 겹치지 않는 가시 영역을 가질 경우, 어떤 사용자 스케줄링 전략이 에르고딕 스펙트럼 효율성을 극대화하는가?
• RQ5 비정상적이고 근거리 환경에서 LMMSE 수신기의 스펙트럼 효율성에 대해 날카운 폐형 근사치를 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 온오프 스위치 기반 서브어레이 아키텍처는 동적 가시 영역(VR) 제어를 가능하게 하여 사용자가 관련 서브어레이만 접근함으로써 서브어레이 간 간섭을 감소시킨다.
• 유도된 스펙트럼 효율성 근사치 $ R^{ ext{LMMSE,PartialApp}} = \sum_{k=1}^{K} \log_2\left(1 + p_u \cdot \text{tr}(\mathbf{B} \mathbf{Θ}_k)\right) $ 는 부분적 또는 겹치지 않는 VR 시나리오 모두에 대해 날카롭고 타당하다.
• 통계적 CSI 기반의 게으른 공동 사용자 및 서브어레이 스케줄링 알고리즘이 기존의 방법보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성하며, 특히 비정상적이고 근거리 환경에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• VR가 부분적으로 겹칠 경우, 공동 스케줄링의 성능 향상이 뚜렷하여 더 나은 공간 재사용과 간섭 관리가 가능하다.
• 서브어레이 위상 계수 설계 기법은 사용자별 가시 영역과 채널 통계에 맞춰 범프링을 정렬함으로써 스펙트럼 효율성을 효과적으로 극대화한다.
• 결과는 기존의 마이크로파 MIMO 가정(예: 균일한 어레이 응답)이 초거대 스케일 시스템에서는 붕괴됨을 확인하며, VR 인식 시스템 설계의 필요성을 시사한다.