[論文レビュー] Channel Hardening in Massive MIMO - A Measurement Based Analysis

Sara Gunnarsson, Jose Flordelis+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、屋内オーディトリウムで128アンテナを備えた円筒アレイを用いて、マスティブ MIMO におけるチャネル硬化の測定ベースの分析を提示している。実際のチャネル硬化は、ユーザーの位置やアンテナ選択順序に応じて3.2〜4.6 dBの範囲にとどまり、理論的な10.5 dBに比べて著しく低い。これは現実のフェージングおよびユーザー相互作用によるものである。

ABSTRACT

Wireless-controlled robots, cars and other critical applications are in need of technologies that offer high reliability and low latency. Massive MIMO, Multiple-Input Multiple-Output, is a key technology for the upcoming 5G systems and is one part of the solution to increase the reliability of wireless systems. More specifically, when increasing the number of base station antennas in a massive MIMO systems the channel variations decrease and the so-called channel hardening effect appears. This means that the variations of the channel gain in time and frequency decrease. In this paper, channel hardening in massive MIMO systems is assessed based on analysis of measurement data. For an indoor scenario, the channels are measured with a 128-port cylindrical array for nine single-antenna users. The analysis shows that in a real scenario a channel hardening of 3.2-4.6 dB, measured as a reduction of the standard deviation of the channel gain, can be expected depending on the amount of user interaction. Also, some practical implications and insights are presented.

研究の動機と目的

• 128アンテナを備えた円筒アレイを用いた屋内マスティブ MIMO 環境におけるチャネル硬化の評価。
• 基地局アンテナ数の増加に伴うチャネルゲイン変動（標準偏差）の実際の低減を定量化すること。
• ユーザーの位置、アンテナ選択順序、伝搬条件（LOS/NLOS）がチャネル硬化性能に与える影響を調査すること。
• i.i.d. レイリーフェージングの下での理論的予測と測定されたチャネル硬化を比較すること。
• 効果的アレイサイズおよびユーザースケジューリングを含む、システム設計における実用的知見を提供すること。

提案手法

• 2.6 GHz、40 MHz帯域幅で、屋内オーディトリウムにおいて128ポートの円筒アンテナアレイと9名の単一アンテナユーザーを用いて測定を実施。
• 17秒間にわたり300スナップショットで、129周波数点を含むチャネル伝送関数を、多重化アレイチャネルサウンダーを用いて取得。
• アンテナ選択順序（最良、最悪、ランダム）に応じた基地局アンテナサブセットのチャネルゲインの標準偏差を計算し、LOS/NLOSダイバーシティの影響を評価。
• 正規化されたチャネルゲインを用い、i.i.d. レイリーフェージング参照モデルと比較することで硬化の程度を定量化。
• アンテナ選択順序を変化させることで、初期チャネル状態（例：LOS 対 NLOS）が硬化曲線に与える影響を分離。
• 統計的分析では、アンテナ数を1から128に増加させた際のチャネルゲインの標準偏差の低減に注目。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 128アンテナアレイを用いた屋内マスティブ MIMO 環境において、実際にはどの程度のチャネル硬化が達成可能か？
• RQ2 アンテナ選択順序（例：LOS を最初に選ぶ vs. NLOS を最初に選ぶ）が観測されるチャネル硬化に与える影響は？
• RQ3 ユーザーの位置とユーザー相互作用は、チャネルゲインの標準偏差にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 測定されたチャネル硬化は、i.i.d. レイリーフェージングの下での理論的予測と比べてどの程度異なるか？
• RQ5 空間相関および伝搬条件を考慮した場合、実際の独立チャネルの有効数はどの程度か？

主な発見

• 測定されたシナリオにおけるチャネル硬化は、ユーザーの位置やアンテナ選択順序に応じて3.2 dB から 4.6 dB の範囲にとどまる。
• 硬化曲線の出発点（1アンテナでの標準偏差）は、最初に選ばれるアンテナが LOS か NLOS かによって顕著に異なる。
• 「最悪の順序」（NLOS を最初に選ぶ）でアンテナを選択した場合、標準偏差は初期に増加する傾向があり、一時的なチャネルの緩和（softening）を示す。
• 最良の1アンテナ（LOS）の標準偏差は1未満で開始されており、これはi.i.d. レイリー参照モデルよりもフェージングが小さいことを示している。
• 後方席に位置するユーザー5は、ユーザー遮蔽による大規模フェージングのため、チャネル変動が大きくなり、硬化利得が3.2〜3.6 dBにまで低下している。
• 空間相関および伝搬条件の影響を受けて、128未満の有効独立チャネル数となる。