[論文レビュー] Design and Implementation of a TDD-Based 128-Antenna Massive MIMO Prototyping System

Xi Yang, Wen‐Jun Lu+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 17被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、20 MHz帯域幅を対象とし、最大12名の単一アンテナユーザーを同時にサポートする128アンテナ massive MIMOプロトタイピングシステムを、TDD方式に基づいて提示している。ソフトウェア定義無線と時分割 duplex（TDD）を用いることで、256-QAMと12ユーザーを用いた場合にピークスペクトラルエフェィシェンシー80.64 bit/s/Hzを達成し、リアルタイムでのアップリンク動画ストリーミングとQPSK変調を用いた8ユーザーに対するダウンリンクビームフォーミング（268.8 Mbpsスループット）を実証した。

ABSTRACT

Spurred by the dramatic mobile IP growth and the emerging Internet of Things (IoT) and cloud-based applications, wireless networking is witnessing a paradigm shift. By fully exploiting the spatial degrees of freedom, the massive multipleinput- multiple-output (MIMO) technology promises significant gains in both data rates and link reliability. This paper presents a time-division duplex (TDD)-based 128-antenna massive MIMO prototyping system designed to operate on a 20 MHz bandwidth. Up to twelve single-antenna users can be served by the designed system at the same time. System model is provided and link-level simulation corresponding to our practical TDDbased massive MIMO prototyping system is conducted to validate our design and performance of the algorithms. Based on the system hardware design demonstrated in this paper, both uplink real-time video and downlink data transmissions are realized, and the experiment results show that 268.8 Mbps rate was achieved for eight single-antenna users using QPSK modulation. The maximum spectral efficiency of the designed system will be 80.64 bit/s/Hz by twelve single-antenna users with 256-QAM modulation.

研究の動機と目的

• TDD方式を用いた128アンテナ基地局運用を実現するスケーラブルでリアルタイムな massive MIMOプロトタイピングシステムの設計および実装を目的とする。
• 同時に複数ユーザーのアップリンク動画ストリーミングとダウンリンクビームフォーミングを可能にすることで、実用的ハードウェアにおける大規模MIMOの実現可能性を検証することを目的とする。
• ハードウェアの不具合およびチャネル相互性の影響、特にキャリブレーション中の干渉を伴う状況がシステム性能に与える影響を調査することを目的とする。
• 実世界のテストベッドにおいて、柔軟な変調方式とユーザー多重化を用いて高いスペクトラルエフェィシェンシーを実証することを目的とする。

提案手法

• チャネル相互性を活用するため、時分割 duplex（TDD）フレーム構造を採用し、アップリンクパイロットに基づくチャネル状態情報（CSI）を用いてダウンリンクビームフォーミングを実現する。
• ベースバンド処理およびRF信号生成にソフトウェア定義無線（SDR）プラットフォームを用い、スケーラビリティとリアルタイム処理を支援するモジュラで階層的なアーキテクチャを採用する。
• アップリンクパイロットからの推定CSIに基づき、マルチユーザー干渉を抑えるために線形プレフィンギング方式（最大比伝送（MRT）およびゼロフォーリング（ZF））を実装する。
• ハードウェア由来のチャネル相互性劣化を補正するため、相互性キャリブレーション手法を適用し、20 MHz帯域幅にわたる1200サブキャリアでキャリブレーション係数を推定する。
• ハードウェア設計には、基地局に128要素の均一線形アレイ（ULA）を設け、同じ時間周波数リソースブロック内で最大12名の単一アンテナユーザーをサポートする。
• 物理層（PHY）およびメディアアクセス制御（MAC）機能に対してリアルタイム信号処理を実施し、大容量データスループットを管理するための高スループットデータバスを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に動作する128アンテナ massive MIMOシステムを、リアルタイムで動作するTDDベースのSDRプラットフォームに実装できるか？
• RQ2 複数の単一アンテナユーザーを有する実用的 massive MIMO環境において、達成可能なスペクトラルエフェィシェンシーとピークデータレートは何か？
• RQ3 キャリブレーション中の不具合や干渉がチャネル相互性およびシステム性能に与える影響は何か？
• RQ4 大規模MIMOテストベッドにおいて、リアルタイムでのアップリンク動画ストリーミングとダウンリンクビームフォーミングはどの程度成功するか？

主な発見

• 20 MHz帯域幅において、QPSK変調を用いた8名の単一アンテナユーザーに対して、ピークデータレート268.8 Mbpsを達成した。
• 12名の単一アンテナユーザーと256-QAM変調を用いた場合、最大スペクトラルエフェィシェンシー80.64 bit/s/Hzを達成した。
• QPSKで4名、16-QAMで1名のユーザーを用いたダウンリンク伝送が成功し、スペクトラルエフェィシェンシー16.8 bit/s/Hzを達成した。
• 干渉または最適でない基準アンテナ選択による相互性キャリブレーションの失敗は、高いマルチユーザー干渉を引き起こし、ダウンリンクでのデータ復元に失敗した。
• 正確な相互性キャリブレーション係数は1200サブキャリアにわたり安定しており、キャリブレーションにおける波形最適化の可能性を示している。
• アンテナアレイの幾何配置は、特に基準アンテナがアレイ端縁付近にある場合、キャリブレーション精度に顕著な影響を与える。