[論文レビュー] Cell-Free Massive MIMO versus Small Cells

Hien Quoc Ngo, Alexei Ashikhmin+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 32被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、多数の単素子アフターパッド（AP）が共役 beamforming およびマッチドフィルタリングを用いて協調的にユーザーをサービスする分散型 MIMO アーキテクチャ「セルフリース・マスィブ MIMO」を提案する。このアーキテクチャは、パイロット汚染に対する優れた耐性と多様性を備えており、非相関シャドウフェイディング下では小セルと比較して95％確率のユーザーごとのスループットが最大5倍向上し、相関シャドウフェイディング下では最大10倍向上する。

ABSTRACT

A Cell-Free Massive MIMO (multiple-input multiple-output) system comprises a very large number of distributed access points (APs)which simultaneously serve a much smaller number of users over the same time/frequency resources based on directly measured channel characteristics. The APs and users have only one antenna each. The APs acquire channel state information through time-division duplex operation and the reception of uplink pilot signals transmitted by the users. The APs perform multiplexing/de-multiplexing through conjugate beamforming on the downlink and matched filtering on the uplink. Closed-form expressions for individual user uplink and downlink throughputs lead to max-min power control algorithms. Max-min power control ensures uniformly good service throughout the area of coverage. A pilot assignment algorithm helps to mitigate the effects of pilot contamination, but power control is far more important in that regard. Cell-Free Massive MIMO has considerably improved performance with respect to a conventional small-cell scheme, whereby each user is served by a dedicated AP, in terms of both 95%-likely per-user throughput and immunity to shadow fading spatial correlation. Under uncorrelated shadow fading conditions, the cell-free scheme provides nearly 5-fold improvement in 95%-likely per-user throughput over the small-cell scheme, and 10-fold improvement when shadow fading is correlated.

研究の動機と目的

• 非相関シャドウフェイディング下での95％確率のユーザーごとのスループットおよびシャドウフェイディングへのロバストネスという観点から、セルフリース・マスィブ MIMO と従来の小セルネットワークを比較すること。
• 大規模無線ネットワークにおける分散型協調 AP が、セルベースアーキテクチャに比べてもたらす性能向上を調査すること。
• 公平性を向上させるとともにパイロット汚染を軽減するための最大最小パワー制御およびパイロット割り当て戦略の開発と評価。
• セルフリーで分散型 MIMO 環境下におけるチャネル硬化および有利な伝搬の影響を定量化すること。
• 将来の5G/6Gネットワークに向けた完全に分散型でバックホール軽量なアーキテクチャの実現可能性と優位性を示すこと。

提案手法

• 時間分割多重（TDD）方式を用いたセルフリー構造を採用し、多数の単素子アフターパッド（AP）が少数のユーザーをサービスする。
• ダウンリンクでは共役ビームフォーミング、アップリンクではマッチドフィルタリングを適用し、低複雑性の分散型信号処理を実現する。
• 各APでアップリンクパイロット信号を用いてチャネル状態情報（CSI）を推定し、AP間で即時のCSIを共有しない。
• 全ユーザーに均等に良好なサービスを提供するために最大最小パワー制御を適用し、スループットの公平性を最適化する。
• パイロット汚染を低減するためのパイロット割り当てアルゴリズムを導入するが、パワー制御の重要性がより顕著に示されている。
• 統計的チャネルモデルと確率的幾何学を用いて、アップリンクおよびダウンリンクスループットの閉形式表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非相関シャドウフェイディング下で、セルフリース・マスィブ MIMO は小セルネットワークに比べて95％確率のユーザーごとのスループットでどの程度優れているか？
• RQ2 シャドウフェイディングが空間的に相関している場合、セルフリース・マスィブ MIMO は小セルに比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ3 分散型 MIMO 環境下で最大最小パワー制御は、ユーザー間の均一なサービス品質を確保するためにどの程度有効か？
• RQ4 パワー制御と比較して、パイロット割り当てはセルフリース・マスィブ MIMO におけるパイロット汚染低減にどの程度効果を発揮するか？
• RQ5 有利な伝搬およびチャネル硬化は、セルフリーで分散型アーキテクチャにおいて性能向上に果たす役割は何か？

主な発見

• 非相関シャドウフェイディング下では、セルフリース・マスィブ MIMO は小セルと比較して95％確率のユーザーごとのスループットでほぼ5倍の向上を達成する。
• 相関シャドウフェイディング下では、小セル方式に比べて性能向上が約10倍にまで増大する。
• 最大最小パワー制御により、全ユーザーに均一に良好なサービス品質が保証され、スループット分布の公平性が顕著に向上する。
• 分散型AP配置とコherent結合により、シャドウフェイディングの空間的相関性に対して強く耐性を示す。
• パイロット汚染低減において、パワー制御がパイロット割り当てよりもはるかに効果的であることが示され、システム設計における中心的役割を果たす。
• アップリンクおよびダウンリンクスループットの閉形式表現が導出され、最適かつグローバルに効率的なパワー制御アルゴリズムの実現が可能になる。