[论文解读] Multi-user Massive MIMO Communication Systems Based on Irregular Antenna Arrays

Xiaohu Ge, Ran Zi+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 43被引用 11

一句话总结

本文研究了考虑互耦效应的非规则阵列大规模MIMO系统，提出了速率、符号错误率（SER）和中断概率的解析模型。结果表明，当天线数量超过某一阈值时，非规则阵列在频谱效率方面优于规则阵列，且随着天线数量增加，系统达到最大可实现速率。

ABSTRACT

In practical mobile communication engineering applications, surfaces of antenna array deployment regions are usually uneven. Therefore, massive multi-input-multi-output (MIMO) communication systems usually transmit wireless signals by irregular antenna arrays. To evaluate the performance of irregular antenna arrays, the matrix correlation coefficient and ergodic received gain are defined for massive MIMO communication systems with mutual coupling effects. Furthermore, the lower bound of the ergodic achievable rate, symbol error rate (SER) and average outage probability are firstly derived for multi-user massive MIMO communication systems using irregular antenna arrays. Asymptotic results are also derived when the number of antennas approaches infinity. Numerical results indicate that there exists a maximum achievable rate when the number of antennas keeps increasing in massive MIMO communication systems using irregular antenna arrays. Moreover, the irregular antenna array outperforms the regular antenna array in the achievable rate of massive MIMO communication systems when the number of antennas is larger than or equal to a given threshold.

研究动机与目标

• 分析在不平整表面的实际部署场景中，非规则阵列大规模MIMO系统中互耦效应的影响。
• 建立非规则阵列的信道相关性和遍历接收增益模型，考虑空间变化的互耦效应。
• 推导多用户大规模MIMO系统中关键性能指标——遍历可实现速率、符号错误率（SER）和平均中断概率的下界。
• 比较存在互耦效应时非规则阵列与规则阵列的性能，识别非规则性提升频谱效率的条件。

提出的方法

• 提出基于矩阵相关系数的信道相关性模型，用于量化非规则阵列中的互耦效应。
• 将遍历接收增益定义为评估非规则阵列配置下信号功率可靠性的度量。
• 利用随机矩阵理论和大系统分析，推导上行链路遍历可实现和速率的下界。
• 在QPSK调制和瑞利衰落信道下，建立平均SER和平均中断概率的解析表达式。
• 对基站（BS）天线数量趋于无穷大的情况进行渐近分析，研究大规模MIMO体制下的系统行为。
• 通过蒙特卡洛仿真和不同信噪比（SNR）、阵列尺寸及阵列非规则性参数下的数值计算，验证分析结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多用户大规模MIMO系统中，非规则阵列中的互耦效应如何影响遍历可实现速率？
• RQ2 与规则阵列相比，非规则阵列在频谱效率和误码率方面具有多大性能增益？
• RQ3 在大规模MIMO系统中，随着天线数量增加，非规则阵列的可实现速率是否持续增长，还是存在饱和点？
• RQ4 基站天线数量、用户信噪比（SNR）和阵列非规则性（如圆半径）如何影响SER和中断概率？
• RQ5 当阵列天线数量趋于无穷大时，非规则大规模MIMO系统中关键性能指标的渐近行为如何？

主要发现

• 随着天线数量增加，非规则阵列大规模MIMO系统中存在一个最大可实现速率，表明系统性能存在饱和点。
• 当天线数量大于或等于某一特定阈值时，非规则阵列在可实现速率方面优于规则阵列。
• 无论是否存在互耦效应，上行链路遍历可实现和速率的下界均随用户SNR和基站天线数量的增加而提高。
• 数值结果证实，互耦效应的存在会降低可实现速率，相比无耦合的理想情况，其性能差距可通过仿真量化。
• 平均SER和中断概率随用户SNR、基站天线数量和阵列非规则性（圆半径越大）的增加而降低，表明系统可靠性提升。
• 渐近分析表明，当天线数量趋于无穷大时，性能边界趋于稳定值，验证了理论的一致性。