[论文解读] Aspects of Favorable Propagation in Massive MIMO

Hien Quoc Ngo, Erik G. Larsson+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 5被引用 197

一句话总结

本文引入了一种'与有利传播的距离'度量，以量化大规模MIMO信道接近理想有利传播（即用户信道向量相互正交）的程度。结果表明，i.i.d. 瑞利衰落信道和均匀随机视 Line-of-Sight (UR-LoS) 信道几乎实现了有利传播，且提出的'瓮与球'随机模型能很好地解释UR-LoS模型的特性。

ABSTRACT

Favorable propagation, defined as mutual orthogonality among the vector-valued channels to the terminals, is one of the key properties of the radio channel that is exploited in Massive MIMO. However, there has been little work that studies this topic in detail. In this paper, we first show that favorable propagation offers the most desirable scenario in terms of maximizing the sum-capacity. One useful proxy for whether propagation is favorable or not is the channel condition<br/>number. However, this proxy is not good for the case where the norms of the channel vectors are not equal. For this case, to evaluate how favorable the propagation offered by the channel is, we propose a “distance from favorable propagation” measure, which is the gap between the sum-capacity and the maximum capacity obtained under favorable propagation. Secondly, we examine how favorable the channels can be for two extreme scenarios: i.i.d. Rayleigh fading and uniform random line-of-sight (UR-LoS). Both environments offer (nearly) favorable propagation. Furthermore, to analyze the UR-LoS model, we propose an urns-and-balls model. This model is simple and explains the singular value spread characteristic of the UR-LoS model well.

研究动机与目标

• 量化大规模MIMO信道接近理想有利传播条件的程度，该条件由用户信道向量的相互正交性定义。
• 解决信道范数变化存在时，信道条件数作为有利传播代理指标的局限性。
• 评估两种关键信道模型中有利传播的程度：i.i.d. 瑞利衰落和均匀随机视 Line-of-Sight (UR-LoS)。
• 提出一种简单的随机模型——'瓮与球'模型，以解释UR-LoS信道模型中的奇异值展宽。

提出的方法

• 提出'与有利传播的距离'度量，作为实际和容量与理想有利传播下理论最大值之间的差距。
• 使用和容量作为性能指标来评估信道的有利程度，以理想有利传播下可达到的最大和容量作为基准。
• 分析i.i.d. 瑞利衰落信道，表明其由于信道向量的统计独立性和各向同性，几乎实现了有利传播。
• 引入'瓮与球'模型，以随机方式表示UR-LoS环境中散射体的空间分布，捕捉信道矩阵的奇异值展宽。
• 推导出信道矩阵趋近有利传播的理论条件，特别关注信道向量的对齐情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模MIMO系统中，i.i.d. 瑞利衰落信道和UR-LoS信道在多大程度上接近有利传播？
• RQ2 当信道范数不相等时，信道条件数不足以作为代理指标，我们如何量化与有利传播的偏离程度？
• RQ3 何种随机模型能有效解释UR-LoS信道模型中观测到的奇异值分布？
• RQ4 所提出的'与有利传播的距离'度量与现有代理指标（如条件数）相比如何？

主要发现

• 由于信道向量的统计独立性和各向同性，i.i.d. 瑞利衰落信道几乎实现了有利传播。
• UR-LoS信道模型也表现出几乎有利传播的特性，且所提出的'瓮与球'模型准确捕捉了其奇异值展宽。
• '与有利传播的距离'度量成功量化了实际和容量与最大和容量之间的差距，在信道范数不相等时优于条件数。
• 当信道向量范数显著变化时，信道条件数被证明是不利传播的不良代理指标。
• '瓮与球'模型为UR-LoS场景中的奇异值分布提供了简单而有效的解释，将物理散射几何结构与信道矩阵特性联系起来。