[論文レビュー] Antenna Count for Massive MIMO: 1.9 GHz versus 60 GHz

Erik G. Larsson, Thomas L. Marzetta+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、線形視界（LoS）伝搬および完全なチャネル状態情報のもとで、1.9 GHz（PCS）と60 GHz（mmWave）の Massive MIMO の性能を比較している。ノイズ制限の単セル環境では、128,000本のmmWaveアンテナが必要となるが、干渉制限の強いマルチセル環境では、パスロス差の影響が小さくなり、チャネル直交性が向上するため、わずか215本のmmWaveアンテナで十分である。

ABSTRACT

If we assume line-of-sight propagation and perfect channel state information at the base station -- consistent with slow moving terminals -- then a direct performance comparison between single-cell Massive MIMO at PCS and mmWave frequency bands is straightforward and highly illuminating. Line-of-sight propagation is considered favorable for mmWave because of minimal attenuation, and its facilitation of hybrid beamforming to reduce the required number of active transceivers. We quantify the number of mmWave (60 GHz) service antennas that are needed to duplicate the performance of a specified number of PCS (1.9 GHz) service antennas. As a baseline we consider a modest PCS deployment of 128 antennas serving 18 terminals. We find that, to achieve the same per-terminal max-min 95%-likely downlink throughput, 10000 mmWave antennas are needed. To match the total antenna area of the PCS array would require 128000 half-wavelength mmWave antennas, but a much reduced number is adequate because the large number of antennas also confers greater channel orthogonality. The principal alleged benefit of mmWave technology--vast amounts of inexpensive spectrum--is at least partially offset by the complexity of possibly unwieldy amounts of hardware.

研究の動機と目的

• 1.9 GHz（PCS）アンテナの数に対応する性能を達成するために、60 GHz mmWave マイクロ波アンテナがどれだけ必要かを定量的に評価すること。
• mmWave帯域とサブ5 GHz帯域の間で、パスロス、アレイゲイン、チャネル直交性のトレードオフを分析すること。
• マルチセル環境における干渉制限が、単セルのノイズ制限環境と比較して、mmWave アンテナ数をどの程度削減するかを評価すること。
• チャネル状態情報の品質およびアレイジオメトリがスペクトル効率およびSINR性能に与える影響を評価すること。
• 現実的ではあるが理想化された伝搬条件のもとで、mmWave Massive MIMO のスケーラビリティに関する誤解を解き明かす、厳密な性能比較を提供すること。

提案手法

• 基地局に完全なチャネル状態情報を想定し、ゆっくり移動する端末を想定した線形視界（LoS）伝搬モデルを用いる。
• スケーラビリティをモデル化するため、シャノン＝ハートリー容量式を適用し、容量は B log₂(1 + P/(BN₀)) に比例する。ここで B は帯域幅、P は受信電力である。
• 上行リンクおよび下行リンクの両方で最大最小公平性を適用し、干渉制限の環境を再現するために、システム全体のパワー制御を実施する。
• 3種類のアレイ構成（128要素の線形、円形、8×16の長方形アレイ）を1.9 GHz で評価し、それらに相当する60 GHz のmmWaveアレイと比較する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、さまざまなアレイジオメトリと伝搬条件のもとでSINR分布を分析する。
• ノイズ制限の単セル環境と干渉制限のマルチセル環境の両方を比較し、干渉の影響がアンテナ数要件に与える影響を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノイズ制限の単セル環境において、128アンテナの1.9 GHz Massive MIMO システムの端末ごとの最大最小95％確率下行スループットに同等の性能を達成するには、60 GHz mmWave アンテナをどれだけ必要とするか？
• RQ2 サブ5 GHz帯と比較してパスロスが大きい状況において、チャネル直交性の向上がmmWave アンテナ数に与える影響は何か？
• RQ3 マルチセル環境における同セル干渉が、単セル環境と比較してmmWave アンテナ数に与える影響は何か？
• RQ4 干渉制限の環境において、1.9 GHz システムの電力優位性はどの程度無視されてしまうのか？
• RQ5 周波数に比例して効果的受電面積が 1/f² に比例するという点から、リンクバジェットを維持するために必要なアンテナ数にどのような影響を与えるか？

主な発見

• ノイズ制限の単セル環境では、128アンテナの1.9 GHz Massive MIMO システムの端末ごとの最大最小95％確率下行スループットに同等の性能を達成するには、約20,000本の60 GHz mmWave アンテナが必要である。
• 理論的リンクバジェット予測では、(f₂/f₁)² のスケーリングに基づき、約128,000本のmmWave アンテナが必要とされるが、大規模アレイによるチャネル直交性の向上のおかげで、この数値は約6.4倍まで低減される。
• システム全体の最大最小公平性パワー制御を適用した干渉制限の強いマルチセル環境では、128アンテナの1.9 GHz システムの性能を同等に達成するには、わずか215本のmmWave アンテナで十分である。
• 干渉制限の環境では、周波数に依存しない性能が得られる。なぜなら、同セル干渉が支配的になるため、パスロスやアレイゲインの差が無視できるほど小さくなるからである。
• 大規模アレイによるチャネル直交性の向上が、リンクバジェット解析のみに基づく予測よりも、mmWave アンテナ数の削減を実現する主な要因である。
• LoS条件下では、アレイジオメトリ（線形、円形、長方形）がSINR性能に与える影響は小さい。すべての構成で、PCS帯およびmmWave帯において類似した傾向を示している。