[论文解读] Is Massive MIMO Energy Efficient?

Wenjia Liu, Shengqian Han+1 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 14被引用 13

一句话总结

本文在考虑导频污染、信道估计、电路功耗和空间相关性的现实条件下，分析了下行链路多小区大规模MIMO系统的能量效率（EE）。推导出最优发射功率和最大EE的闭式表达式，表明EE随天线数M增加而下降，MRT需要增加发射功率，而ZFBF的最优功率则随M增加保持恒定。

ABSTRACT

Massive multi-input multi-output (MIMO) can support high spectral efficiency (SE) with simple linear transceivers, and is expected to provide high energy efficiency (EE). In this paper, we analyze the EE of downlink multi-cell massive MIMO systems under spatially correlated channel model, where both transmit and circuit power consumptions, training overhead, channel estimation and pilot contamination (PC) are taken into account. We obtain the maximal EE for the systems with maximum-ratio transmission (MRT) and zero-forcing beamforming (ZFBF) for given number of antennas and users by optimizing the transmit power. The closed-form expressions of approximated optimal transmit power and maximal EE, and their scaling laws with the number of antennas M are derived for the systems with MRT and ZFBF. Our analysis shows that the maximal EE decreases with M for both systems with and without PC, but with different descending speeds. For the system without PC, the optimal transmit power should be configured to increases with M, while for the system with PC, the optimal transmit power should be configured as a constant independent from M. The analytical results are validated by simulations under a more realistic three-dimensional channel model.

研究动机与目标

• 量化在现实传播和硬件约束下，下行链路多小区大规模MIMO系统可达到的最大能量效率（EE）。
• 确定在给定天线数和用户数下，使EE最大化的最优发射功率配置。
• 研究导频污染、信道估计和电路功耗对EE随天线数M扩展的影响。
• 推导在MRT和ZFBF波束成形下，最优发射功率和最大EE的闭式表达式。

提出的方法

• 建立一个考虑空间相关瑞利衰落的多小区大规模MIMO系统模型，同时考虑训练开销、导频污染和信道估计误差。
• 在EE度量中同时考虑发射功耗和电路功耗，采用现实的功耗模型。
• 利用大系统分析方法，当M和K趋于无穷时，推导MRT和ZFBF下的信号干扰加噪声比（SINR）的渐近表达式。
• 对EE优化问题应用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件，并通过一阶泰勒近似推导最优发射功率的近似闭式解。
• 通过采用三维真实信道模型并改变功耗参数的仿真，验证分析结果。
• 推导最优发射功率和最大EE随M变化的扩展规律，区分存在与不存在导频污染的系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 在给定天线数和用户数的下行链路多小区大规模MIMO系统中，可达到的最大能量效率是多少？
• RQ2 在采用MRT和ZFBF的大规模MIMO系统中，应如何配置发射功率以最大化EE？
• RQ3 导频污染如何影响能量效率和最优发射功率随天线数M的扩展？
• RQ4 电路功耗和信道估计误差对大规模MIMO系统能量效率有何影响？
• RQ5 在存在与不存在导频污染的情况下，MRT和ZFBF波束成形的最优发射功率和最大EE的扩展规律有何不同？

主要发现

• 对于MRT和ZFBF，最大能量效率（EE）均随天线数M增加而下降，但下降速率不同。
• 在无导频污染的系统中，为最大化EE，最优发射功率应随M增加而增加。
• 在存在导频污染的系统中，由于干扰增长占主导地位，最优发射功率应保持恒定，不随M增加而变化。
• 推导出最优发射功率和最大EE的闭式表达式，并在真实三维信道模型下通过仿真得到验证。
• 当M较大且发射功率P₀较高时，所推导表达式的近似精度显著提高，原因是一阶泰勒近似的有效性增强。
• 结果表明，除非最小化电路功耗或优化硬件，否则大规模MIMO在极高 spectral efficiency 下并非固有地节能。