[論文レビュー] Optimal Design of Energy and Spectral Efficiency Tradeoff in One-Bit Massive MIMO Systems

Yongzhi Li, Cheng Tao+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 27被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、1ビットのマスティブMIMOシステムにおける新たなプリコーディングおよびパワー割り当て戦略を提案し、上行リンク-下行リンクSINRデュアルティを確立することで、スペクトル効率（SE）とエネルギー効率（EE）の共同最適化を可能にする。主な貢献は、不完全なチャネル状態情報下での実現可能レートの閉形式近似であり、これによりユーザー数、パイロット長、送信パワーのパラメータを用いた重み付き積の最適化によって最適なEE-SEトレードオフが達成される。

ABSTRACT

This paper considers a single-cell massive multiple-input multiple-output (MIMO) system equipped with a base station (BS) that uses one-bit quantization and investigates the energy efficiency (EE) and spectral efficiency (SE) trade-off. We first propose a new precoding scheme and downlink power allocation strategy that results in uplink-downlink SINR duality for one-bit MIMO systems. Taking into account the effect of the imperfect channel state information, we obtain approximate closed-form expressions for the uplink and downlink achievable rates under duality with maximum ratio combining/matched-filter and zero-forcing processing. We then focus on joint optimization of the competing SE and EE objectives over the number of users, pilot training duration and operating power, using the weighted product method to obtain the EE/SE Pareto boundary. Numerical results are presented to verify our analytical resultsand demonstrate the fundamental tradeoff between EE and SE for different parameter settings.

研究の動機と目的

• ハードウェア制約による動的範囲の制限がある1ビットのマスティブMIMOシステムにおけるスペクトル効率（SE）とエネルギー効率（EE）の根本的トレードオフに対処すること。
• マスティブMIMOにおける低分解能ADC/DACの課題を克服し、粗い量子化にもかかわらずシステム性能を維持するプリコーディングおよびパワー割り当て戦略を設計すること。
• 1ビットMIMOにおける上行リンク-下行リンクSINRデュアルティを確立し、SEとEEの両方の共同最適化を可能にする。
• 不完全なCSI下での最大比合成（MRC）およびゼロフォース（ZF）処理における上行リンクおよび下行リンクの実現可能レートの近似閉形式表現を導出すること。
• ユーザー数、パイロットトレーニング期間、送信パワーといったシステムパラメータを用いて、EE-SEパレート境界を重み付き積法により最適化すること。

提案手法

• 1ビットマスティブMIMOシステムにおける上行リンク-下行リンクSINRデュアルティを誘導する新しいプリコーディングおよび下行リンクパワー割り当て戦略を提案する。
• 不完全なチャネル状態情報（CSI）下でのMRCおよびZF処理を用いた上行リンクおよび下行リンクの実現可能レートについて、近似閉形式表現を導出する。
• 有効チャネルを推定成分と誤差成分の組み合わせとしてモデル化し、取り扱いやすさを考慮して誤差をi.i.d.ガウス分布としてモデル化する。
• 行列逆数補題およびワイシャルト行列の性質を用いて、有効SINRおよび有効干渉電力の式を導出する。
• 重み付き積法を用いてSEとEEを同時に最適化し、ユーザー数、パイロット長、送信パワーのパラメータにおけるトレードオフをパrameter化する。
• 提案されたデュアルティ下では上行リンクおよび下行リンクの総送信電力が等しくなるという事実を活用し、対称的なシステム設計を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低分解能ADC/DACおよび不完全なCSIを有する1ビットマスティブMIMOシステムにおいて、上行リンク-下行リンクSINRデュアルティを確立できるか？
• RQ2 不完全なCSI下でのMRCおよびZF処理における1ビットマスティブMIMOの実現可能レートの近似閉形式表現は何か？
• RQ3 1ビットマスティブMIMOにおいて、ユーザー数、パイロットトレーニング期間、送信パワーのパラメータを用いてEE-SEトレードオフをどのように共同最適化できるか？
• RQ4 1ビットシステムと無限分解能システムとの間のSEおよびEEの性能ギャップは何か？そして、これを補償する方法は何か？
• RQ5 不完全なCSIは、1ビットマスティブMIMOにおける実現可能レートおよびそれによるEE-SEトレードオフにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 提案されたプリコーディングおよびパワー割り当て戦略により、1ビットマスティブMIMOにおいて上行リンク-下行リンクSINRデュアルティが確立され、対称的な性能解析が可能になった。
• MRCおよびZF処理下での上行リンクおよび下行リンクの実現可能レートについて、閉形式近似式が導出された。MRCのレートは、有効チャネル電力と干渉分散に依存する。
• MRCの場合、実現可能レートは $ \text{SINR} \rightarrow \frac{\rho_{\text{u}} \theta M}{\rho_{\text{u}} \theta M + \rho_{\text{u}} \theta (M - 1) + \frac{\theta}{2} + \frac{\theta}{2}} $ で近似される。ここで $ \theta = \frac{\rho_{\text{u}}}{\rho_{\text{u}} + \theta} $ であり、$ \theta $ はチャネル推定誤差に関連する。
• ZFの場合、実現可能レートは $ \text{SINR} \rightarrow \frac{1}{1 + \frac{(\rho_{\text{u}} - \theta)}{\theta(M - K)}} $ で近似され、アンテナ数の増加に伴うダイバーシティゲインが示される。
• 提案されたデュアルティ下では、上行リンクおよび下行リンクの総送信電力が等しくなることが確認され、システム内の電力対称性が裏付けられた。
• 数値結果により、解析的近似の妥当性が確認され、根本的なEE-SEトレードオフが示された。適切なシステム設計により、1ビットシステムでも近似的に最適なSEを達成できることが示された。