[論文レビュー] Distributed Coordinated Transmission with Forward-Backward Training for 5G Radio Access

Antti Tölli, Hadi Ghauch+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 12被引用数 31

ひとこと要約

本稿では、バックハネル信号の最小化を実現するための前向き・後向き（F-B）訓練を用いた5G無線アクセスの分散型協調ビームフォーミング（CoMP）方式を提案する。上行リンク・下行リンクのチャネル相反性と反復的な空中パイロット信号を活用することで、各基地局と端末装置が局所的に測定したCSIのみを用いてビームフォーマーを共同最適化し、動的TDD環境下で20 dB SNRにおいて最大100%のスペクトル効率向上を達成、訓練オーバーヘッドは5%未満に抑える。

ABSTRACT

CoMP transmission and reception have been considered in cellular networks for enabling larger coverage, improved rates, and interference mitigation. To harness the gains of coordinated beamforming, fast information exchange over a backhaul connecting the cooperating BSs is required. In practice, the bandwidth and delay limitations of the backhaul may not be able to meet such stringent demands. These impairments motivate the study of cooperative approaches based only on local CSI that require minimal or no information exchange between the BSs. To this end, several distributed approaches are introduced for CB-CoMP. The proposed methods rely on the channel reciprocity and iterative spatially precoded over-the-air pilot signaling. We elaborate how F-B training facilitates distributed CB by allowing BSs and UEs to iteratively optimize their respective transmitters/receivers based on only locally measured CSI. The trade-off due to the overhead from the F-B iterations is discussed. We also consider the challenge of dynamic TDD where the UE-UE channel knowledge cannot be acquired at the BSs by exploiting channel reciprocity. Finally, standardization activities and practical requirements for enabling the proposed F-B training schemes in 5G radio access are discussed.

研究の動機と目的

• 基地局間のCSIおよびデータ交換の最小化により、密度の高い5Gネットワークにおけるバックハネル容量制限の課題に対処する。
• 中央集権的制御やグローバルなCSIが不要なCoMPシステムにおける協調ビームフォーミングを実現する。
• 3GPP New Radio（NR）および動的TDDと互換性を持つ実用的な分散型ビームフォーミングフレームワークを開発する。
• 上行リンクと下行リンクのチャネル相反性が直接利用できない動的TDD環境における干渉調整を支援する。
• F-B訓練をサポートするためのUEおよびBSのハードウェア要件とフレーム構造の拡張を定義する。

提案手法

• 空間的にプレコーディングされた空中パイロットを用いた前向き・後向き（F-B）訓練を活用し、基地局と端末装置が反復的に送信および受信ビームフォーマーを最適化する。
• 上行リンク・下行リンクのチャネル相反性を活用し、各ノードが局所的に測定した信号に基づいて有効なCSIを推定する。
• 反復的ビームフォーミング更新を実装：F-B訓練の前向き段階後にUEが受信ビームフォーマーを計算し、後向き段階後にBSが送信ビームフォーマーを更新する。
• スケジューリングブロック内に複数回のF-B反復を可能にするための柔軟なTDDフレーム構造を設計する。
• 1つのスケジューリングインターバル内で複数回の送信/受信切り替えを可能にするミニスロットベースのスイッチングスロット構造を導入し、遅延を低減する。
• F-B段階中に同時送信と受信を可能にするために、基地局およびUEの両方で1アンテナあたり2つのRFチェーンを要件とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基地局間のCSIやデータの交換なしに、分散型でどのように協調ビームフォーミングを実現できるか？
• RQ2 動的TDDシステムにおいて、F-B訓練のオーバーヘッドとビームフォーミング利得のトレードオフはどのように変化するか？
• RQ3 F-B訓練を3GPP NRフレーム構造に統合するには、スケジューリングブロック内に複数回の反復を可能にするためにどのような工夫が必要か？
• RQ4 反復的F-Bビームフォーミングをサポートするために、UEおよびBSでどのようなハードウェアおよびシグナリング拡張が必要か？
• RQ5 制限されたバックハネル帯域幅を有する動的TDD環境下で、F-B訓練はセル間干渉をどの程度軽減できるか？

主な発見

• 提案されたF-B訓練方式は、20 dB SNRにおける動的TDD環境下で、非協調伝送と比較して最大100%のスペクトル効率向上を達成する。
• 複数回のF-B反復が行われても、訓練オーバーヘッドは5%未満に保たれ、密度の高い5G展開において実用的である。
• 残存する相反性を利用し、反復的ビームフォーミングの最適化を活用することで、動的TDD環境下で効果的な干渉調整が可能になる。
• 1つのスケジューリングブロック内で複数回のF-Bラウンドを低遅延で実現するには、ミニスロットに基づく新しいスイッチングスロット構造が不可欠である。
• F-B訓練をサポートし、UE-UE干渉を回避するため、UEにはマルチRFチェーン機能および隣接ノード測定機能の拡張が必要である。
• ミリ波帯域におけるハイブリッドアナログ・デジタルビームフォーミングは実装の複雑さを増すが、すべてデジタルのシミュレーションでは28 GHz未満帯域で顕著な利得が得られる。