[论文解读] How Does Performance Scale with Antenna Number for Extremely Large-Scale MIMO?

Haiquan Lu, Yong Zeng|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2020

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 14被引用 7

一句话总结

本文通过使用通用球面波前模型而非传统的均匀平面波（UPW）假设，研究了超大规模MIMO（XL-MIMO）中的性能扩展特性。推导出一个闭式信噪比（SNR）表达式，表明由于角跨度的限制，SNR随天线数M的增长呈次线性关系；并提出一种基于幅度差异的新临界距离准则，与基于相位的瑞利距离不同。研究进一步揭示，用户间干扰不仅可通过角度分离抑制，还可通过同一方向上的距离分离抑制，为干扰抑制提供了新的自由度。

ABSTRACT

Extremely large-scale multiple-input multiple-output (XL-MIMO) communications correspond to systems whose antenna size is so large that conventional assumptions, such as uniform plane wave (UPW) impingement, are no longer valid. This paper studies the channel modelling and performance analysis of XL-MIMO communication based on the generic spherical wavefront propagation model. First, for the single-user uplink/downlink communication with the optimal maximum ratio combining/transmission (MRC/MRT), we rigorously derive a new closed-form expression for the resulting signal-to-noise ratio (SNR), which includes the conventional SNR expression based on UPW assumption as a special case. Our result shows that instead of scaling linearly with the base station (BS) antenna number $M$, the SNR with the more generic spherical wavefront model increases with $M$ with diminishing return, governed by a new parameter called angular span. One important finding from our derivation is the necessity to introduce a new distance criterion, termed critical distance, to complement the classical Rayleigh distance for separating the near- and far-field propagation regions. While Rayleigh distance is based on the phase difference across array elements and hence depends on the electrical size of the antenna, the critical distance cares about the amplitude/power difference and only depends on its physical size. We then extend the study to the multi-user XL-MIMO communication system, for which we demonstrate that inter-user interference (IUI) can be mitigated not just by angle separation, but also by distance separation along the same direction. This offers one new degree of freedom (DoF) for interference suppression with XL-MIMO.

研究动机与目标

• 为解决传统均匀平面波（UPW）假设在XL-MIMO系统中的局限性，其中极大规模的天线阵列使远场近似失效。
• 使用通用球面波前传播模型，准确建模信道，以考虑阵列各元素之间的相位与幅度变化。
• 推导在单用户XL-MIMO系统中，采用最优最大比合并/波束成形（MRC/MRT）时的信噪比（SNR）闭式表达式。
• 识别并定义一种新的临界距离准则，基于幅度/功率差异区分近场与远场区域，且独立于电尺寸。
• 将分析扩展至多用户XL-MIMO系统，证明用户间干扰（IUI）不仅可通过角度分离抑制，还可通过同一方向上的距离分离抑制。

提出的方法

• 本文采用球面波前传播模型对XL-MIMO信道进行建模，该模型可同时考虑大规模天线阵列中各元素之间的相位与幅度变化。
• 推导出在单用户上行链路/下行链路系统中，采用最优MRC/MRT波束成形时的SNR闭式表达式，推广了传统基于UPW的SNR表达式。
• 通过积分近似处理大规模天线阵列上的离散求和，将其转化为连续积分，以提升分析的可操作性。
• 引入角跨度（即用户在阵列两端所张的角度）作为控制SNR扩展行为的关键参数。
• 提出一种新的临界距离，其基于阵列物理尺寸和幅度/功率差异定义，用于区分近场与远场区域。
• 通过评估基于角度与距离的分离在干扰抑制方面的增益，将分析扩展至多用户系统，利用球面波前模型计算有效干扰功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在XL-MIMO系统中，当使用更精确的球面波前模型而非传统的均匀平面波（UPW）假设时，SNR如何随基站（BS）天线数M变化？
• RQ2 在球面波前模型下，当M趋近于无穷大时，XL-MIMO的SNR提升是否存在根本极限？其行为由何种参数决定？
• RQ3 经典的瑞利距离准则为何无法准确捕捉XL-MIMO中的近场效应？需要何种替代距离准则才能准确区分近场与远场区域？
• RQ4 在多用户XL-MIMO中，用户间干扰（IUI）是否不仅可通过角度分离，还可通过同一方向上的距离分离实现抑制？这对系统和速率有何影响？
• RQ5 传统基于UPW的建模在XL-MIMO中在多大程度上高估了系统性能，特别是在IUI抑制与和速率估计方面？

主要发现

• 采用球面波前建模的XL-MIMO系统中，SNR随天线数M的增长呈次线性关系，受角跨度控制，且当M → ∞时趋于有限极限，与传统UPW模型预测的无界线性增长形成鲜明对比。
• 证明传统基于UPW的SNR表达式在XL-MIMO场景中不成立，因其假设SNR随M无限增长，从而高估了系统性能。
• 提出一种新临界距离，仅依赖于阵列物理尺寸与幅度/功率差异，相较于基于相位的瑞利距离，能更准确地界定近场与远场边界。
• 在多用户XL-MIMO中，用户间干扰（IUI）不仅可通过角度分离抑制，还可通过同一方向上的距离分离实现抑制，为干扰管理提供了额外的自由度。
• 数值结果表明，传统基于UPW的建模严重低估了IUI并高估了和速率，凸显了采用球面波前建模进行准确XL-MIMO系统评估的必要性。
• 所推导的SNR表达式在远场极限下（当r ≫ Md/2时）退化为经典UPW-based SNR，验证了在适当条件下与已有模型的一致性。