[논문 리뷰] Power Allocation Schemes for Multicell Massive MIMO Systems

Qi Zhang, Shi Jin외 3명|Research Portal (Queen's University Belfast)|2015. 06. 10.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 28인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 간섭이 없는 셀들이 별도로 전송 전력을 최적화할 수 있도록 허용하는 스케줄링 기반 접근 방식을 사용하여 다셀 매크로 MIMO 시스템에 대한 저복잡도 전력 할당 방식을 제안한다. 제로포싱 예상기법을 사용할 경우 상향링크 및 하향링크의 수신률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하였으며, 등가 전력 할당 대비 상당한 합산율 향상을 보이며, 특히 실용적인 안테나 구성(예: M ≈ 100–200)에서 유의미한 성능 향상을 보이지만, 고정된 N에서 M→∞로 갈수록 성능 향상은 감소한다. 이 방식은 공동 최적화 대비 극적으로 감소된 복잡도로 거의 최적의 성능를 달성한다.

ABSTRACT

This paper investigates the sum-rate gains brought by power allocation strategies in multicell massive multipleinput multiple-output systems, assuming time-division duplex transmission. For both uplink and downlink, we derive tractable expressions for the achievable rate with zero-forcing receivers and precoders respectively. To avoid high complexity joint optimization across the network, we propose a scheduling mechanism for power allocation, where in a single time slot, only cells that do not interfere with each other adjust their transmit powers. Based on this, corresponding transmit power allocation strategies are derived, aimed at maximizing the sum rate per-cell. These schemes are shown to bring considerable gains over equal power allocation for practical antenna configurations (e.g., up to a few hundred). However, with fixed number of users (N), these gains diminish as M turns to infinity, and equal power allocation becomes optimal. A different conclusion is drawn for the case where both M and N grow large together, in which case: (i) improved rates are achieved as M grows with fixed M/N ratio, and (ii) the relative gains over the equal power allocation diminish as M/N grows. Moreover, we also provide applicable values of M/N under an acceptable power allocation gain threshold, which can be used as to determine when the proposed power allocation schemes yield appreciable gains, and when they do not. From the network point of view, the proposed scheduling approach can achieve almost the same performance as the joint power allocation after one scheduling round, with much reduced complexity.

연구 동기 및 목표

• 다셀 매크로 MIMO 시스템에서 공동 전력 할당의 높은 복잡도 문제를 해결하기 위해.
• 최소한의 신호 전송 및 계산 오버헤드로 합산율을 최대화하는 실용적인 전력 할당 전략을 개발하기 위해.
• 기지국 안테나 수(M)와 사용자 수(N)의 변화에 따라 최적화된 전력 할당의 성능 향상 정도를 규명하기 위해.
• 특히 M과 N이 함께 증가하는 점점 커지는 영역에서 전력 할당이 유의미한 성능 향상을 가져오는 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 단일 시간 슬롯 내에서 간섭이 없는 셀들만 전력을 조정하는 스케줄링 메커니즘을 도입하여 조율 복잡도를 감소시킨다.
• 제로포싱 수신 하에서 상향링크의 실현 가능한 전송률에 대한 다루기 쉬운 하한, 상한 및 근사 표현식을 유도한다.
• 제로포싱 예상기법을 사용할 경우 하향링크 전송률에 대한 날카운 상한을 제안하여 효율적인 최적화를 가능하게 한다.
• 스케줄링 제약 조건 하에서 각 셀의 합산율을 최대화하는 폐쇄형 전력 할당 정책을 유도한다.
• 대규모 시스템 분석을 통해 M→∞ 및 M/N→일정일 때의 점점 커지는 행동을 연구하며, 랜덤 행렬 이론을 활용한다.
• 제닝스 부등식과 거의 확실 수렴을 적용하여 전송률 표현식에 대한 날카운 근사치를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제로포싱 처리를 사용하는 다셀 매크로 MIMO에서 최적화된 전력 할당이 등가 전력 할당 대비 달성 가능한 합산율 향상은 얼마인가?
• RQ2 사용자 수(N)가 고정되어 있을 때, 기지국 안테나 수(M)가 증가함에 따라 전력 할당의 성능 향상은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 M/N 비율이 전력 할당의 상대적 성능 향상에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 M과 N이 함께 크게 증가하는 점점 커지는 영역에서 어떠한가?
• RQ4 저복잡도 스케줄링 기반 전력 할당 방식이 공동 최적화 수준의 성능을 거의 달성할 수 있는가?
• RQ5 전력 할당의 성능 향상이 무시할 수 없을 정도로 줄어드는 M/N 비율은 얼마이며, 이를 시스템 설계에 어떻게 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 고정된 N에서, 최적화된 전력 할당의 합산율 향상은 M→∞로 갈수록 감소하며, 점점 커지는 극한에서 등가 전력 할당이 최적의 성능를 보인다.
• M과 N이 고정된 M/N 비율로 함께 증가할 경우, M이 증가함에 따라 더 높은 스펙트럼 효율성이 달성되지만, 등가 전력 할당 대비 상대적 성능 향상은 M/N 비율이 증가함에 따라 감소한다.
• 제안된 스케줄링 기반 전력 할당은 한 번의 스케줄링 라운드 이후 공동 최적화와 거의 동일한 합산율을 달성하며, 복잡도가 크게 감소한다.
• 실용적인 M(예: M ≈ 100–200)에서는 등가 전력 할당 대비 몇 백 퍼센트에 이르는 전송률 향상이 관찰된다.
• 논문은 전력 할당이 유의미한 성능 향상을 가져오는 M/N 비율의 정량적 임계값을 제공하여, 시스템 설계자가 이러한 방식이 유용한지 판단할 수 있도록 한다.
• 유도된 하향링크 전송률 하한이 매우 날카로워, 정확한 성능 평가 및 최적화를 가능하게 한다.