[論文レビュー] An Experimental Investigation of SIMO, MIMO, Interference-Alignment (IA) and Coordinated Multi-Point (CoMP)

Per Zetterberg, Nima N. Moghadam|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2011

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 11被引用数 29

ひとこと要約

本論文は、USRPソフトウェア定義無線を用いた実世界の3×3 MIMOテストベッドにおいて、干渉対策（IA）と協調マルチポイント（CoMP）伝送を実験的に評価している。理論的にはCoMPがIAを上回るが、実際のドアリーRFインパルメント—特に位相ノイズと非線形性—が性能を著しく低下させ、特にCoMPにおいて顕著に現れ、理論的利点が縮小される。本研究は、理想化されたシミュレーションと実際のハードウェア性能の間の顕著なギャップを浮き彫りにしている。

ABSTRACT

In this paper we present experimental implementations of interference alignment (IA) and coordinated multi-point transmission (CoMP). We provide results for a system with three base-stations and three mobile-stations all having two antennas. We further employ OFDM modulation, with high-order constellations, and measure many positions both line-of-sight and non-line-of-sight under interference limited conditions. We find the CoMP system to perform better than IA at the cost of a higher back-haul capacity requirement. During the measurements we also logged the channel estimates for off-line processing. We use these channel estimates to calculate the performance under ideal conditions. The performance estimates obtained this way is substantially higher than what is actually observed in the end-to-end transmissions---in particular in the CoMP case where the theoretical performance is very high. We find the reason for this discrepancy to be the impact of dirty-RF effects such as phase-noise and non-linearities. We are able to model the dirty-RF effects to some extent. These models can be used to simulate more complex systems and still account for the dirty-RF effects (e.g., systems with tens of mobiles and base-stations). Both IA and CoMP perform better than reference implementations of single-user SIMO and MIMO in our measurements.

研究の動機と目的

• 実際のMIMO無線システムにおける干渉対策（IA）と協調マルチポイント（CoMP）の実世界性能を評価すること。
• 位相ノイズや非線形性などの実世界のハードウェアインパルメントが、IA や CoMP などの高度な伝送方式に与える影響を特定および定量化すること。
• チャネル推定に基づく理論的予測と実際のエンドツーエンド測定との間の性能ギャップを埋めること。
• 位相ノイズと追加歪みを含む実システムのシミュレーションに適したドアリーRFインパルメントモデルの構築および検証すること。

提案手法

• 2.49 GHzで、USRP N210とカスタム受信ボードを用いて、3基の基地局と3台の移動局を備えた3×3 MIMOテストベッドを実装した。
• OFDM変調を採用し、高次信号進化とLDPC符号化を適用し、チャネル推定の遅延を考慮してフレーム間隔を0.1秒に短縮した。
• 誤りベクトル電力（EVM）をSINDRの代理指標として用い、ノイズ、干渉、歪みを統合してエンドツーエンド性能を測定した。
• オフライン処理用にチャネル推定値を記録し、完全なCSIとハードウェアインパルメントなしの理想状態での性能を計算した。
• EVMに基づくモデルを開発し、送信側で信号電力に対して34 dB低い加法的ガウスノイズ、受信側で40 dB低いノイズ、および共通位相回転（標準偏差0.6°）を含め、ドアリーRF効果を模擬した。
• IA、CoMP、および基準SIMO/MIMO方式の間で、理論的理想性能、因果的性能（チャネル推定遅延あり）、測定EVM、およびモデル化EVMを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実世界のハードウェアインパルメントは、実際のMIMOテストベッドにおける干渉対策（IA）の性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 実世界の条件下で協調マルチポイント（CoMP）はIAをどの程度上回るのか？また、理論的予測と比べてどうなるか？
• RQ3 なぜ、チャネル推定に基づく理想化されたシミュレーションと、実システムにおける実際のエンドツーエンド測定との間に顕著な性能ギャップが生じるのか？
• RQ4 簡単なドアリーRFインパルメントモデルは、実ハードウェア展開における性能低下を正確に予測できるか？

主な発見

• 理想化されたシミュレーションではCoMPがIAを上回り、顕著に高い理論的SINDRを達成するが、実際にはハードウェアインパルメントの影響によりこの利点が著しく縮小される。
• CoMPの測定EVM性能は、理想モデルによる予測よりも著しく低く、CoMPが位相ノイズや非線形性といったドアリーRF効果に極めて感受することが示された。
• 加法的ノイズと共通位相回転を含むEVMベースのモデルは、理想状態と実世界結果の間の性能ギャップの大部分を捉えているが、依然として残差ギャップが存在する。
• IAおよびCoMPの両方とも、実測定では基準の単一ユーザーSIMOおよびMIMO方式を上回るが、理論的予測に比べて利得は著しく低い。
• 理想状態と実システムの間の性能ギャップの主な要因は、ドアリーRF効果であり、チャネル推定遅延や時間変動チャネルによるものではない。
• 本研究は、CoMPの理論的ロバスト性が、特に位相同期誤差と非線形アンプの実用的ハードウェア制限によって損なわれることを示している。