[論文レビュー] Experimental Performance Evaluation of Cell-free Massive MIMO Systems Using COTS RRU with OTA Reciprocity Calibration and Phase Synchronization

Yang Cao, Pan Wang+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2022

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、商用市販のRRU（COTS-RRU）を用いた、セルフリー massive MIMOにおける空中透過（OTA）相互性キャリブレーションフレームワークを提案する。周波数ドメインのリファレンス信号と遺伝的アルゴリズムに基づくRRUグループ化を用いて、ダウンリンクチャネル状態情報（CSI）推定を正確に実現する。主な貢献は、キャリブレーション遅延および位相ドリフトに耐性があるプロトタイプシステムの実現であり、データストリームが制限されている場合、局所的 precoding が遅延に対して感受性が低いことの実証である。

ABSTRACT

Downlink coherent multiuser transmission is an essential technique for cell-free massive multiple-input multiple output (MIMO) systems, and the availability of channel state information (CSI) at the transmitter is a basic requirement. To avoid CSI feedback in a time-division duplex system, the uplink channel parameters should be calibrated to obtain the downlink CSI due to the radio frequency circuit mismatch of the transceiver. In this paper, a design of a reference signal for over-the-air reciprocity calibration is proposed. The frequency domain generated reference signals can make full use of the flexible frame structure of the fifth generation (5G) new radio, which can be completely transparent to commercial off-the-shelf (COTS) remote radio units (RRUs) and commercial user equipments. To further obtain the calibration of multiple RRUs, an interleaved RRU grouping with a genetic algorithm is proposed, and an averaged Argos calibration algorithm is also presented. We develop a cell-free massive MIMO prototype system with COTS RRUs, demonstrate the statistical characteristics of the calibration error and the effectiveness of the calibration algorithm, and evaluate the impact of the calibration delay on the different cooperative transmission schemes.

研究の動機と目的

• セルフリー massive MIMOシステムにおけるダウンリンクCSI取得の課題に、CSIフィードバックなしで対処すること。
• 分散配置のRRUにおけるRFハードウェア不一致に起因する相互性違反を克服すること。
• 5G NRフレーム構造と互換性のある、透明でCOTS対応のキャリブレーション手法を開発すること。
• 実世界のプロトタイプを用いて、キャリブレーション遅延および位相ドリフトが共同precodingおよび局所precoding方式に与える影響を評価すること。

提案手法

• COTS端末およびRRUに対して完全に透明な、OTA相互性キャリブレーション用の周波数ドメインリファレンス信号の設計。
• 低複雑性を実現する平均化Argosキャリブレーションアルゴリズムの導入によるグループベースRRUキャリブレーション。
• 遺伝的アルゴリズムを用いたインタリーブドRRUグループ化により、分散配置RRU間でのキャリブレーション性能を最適化。
• 5G COTS-RRUを用いたセルフリー massive MIMOテストベッドの実装と、リアルタイムチャネル推定の実装。
• 性能比較のため、共同precoding（JP-RZF）と局所precoding（L-RZF）の両方を採用し、キャリブレーション遅延下での評価を実施。
• プロトタイプシステムから得た測定データを用いた、キャリブレーション誤差および位相ドリフトの影響に関する統計的分析。

Figure 1: Configuration of a special slot for OTA reciprocity calibration. D, U and G denote the states in the OFDM symbol for the transmitting, receiving and guard periods, respectively.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 商用デバイスを変更せずに、COTSベースのセルフリー massive MIMOシステムにおいて、OTA相互性キャリブレーションをどのように透明に実装できるか？
• RQ2 キャリブレーション遅延が、分散配置CF-mMIMOにおける共同および局所precoding方式のスペクトル効率に与える影響は何か？
• RQ3 RRU間の位相ドリフトが、特に局所precodingにおいてシステム性能に与える影響は何か？
• RQ4 遺伝的アルゴリズム最適化を用いたグループベースキャリブレーションアプローチは、実用的導入に十分な精度を達成できるか？
• RQ5 どのような条件下で、局所precodingがキャリブレーション遅延およびハードウェア不一致に対して耐性を示すか？

主な発見

• プロトタイプシステムは、位相ドリフト範囲（-π/6, π/6）で安定したキャリブレーションを達成し、高SNR条件下でわずか0.3 dBのSNR損失と約0.1 bps/Hzのスペクトル効率（SE）低下を示した。
• データストリーム数が1RRUあたりのアンテナ数以下である場合、局所precoding（L-RZF）はキャリブレーション遅延に対して耐性を示した。
• 共同precoding（JP-RZF）は、データストリーム数が最大空間自由度に近づくと、キャリブレーション遅延に対して極めて感受性が高かった。
• 20 msのキャリブレーション遅延下でも、JP-RZFとL-RZFの性能差は最小限に抑えられ、L-RZFが実用的遅延条件でも安定した性能を維持していることが示された。
• EDUベースのL-RZFは、高キャリブレーション遅延下でJP-RZFを上回った。これは、局所処理が遅延に起因する性能低下を緩和できることを示唆している。
• 平均化Argosキャリブレーションアルゴリズムは、複数RRUにおけるキャリブレーションにおいて、複雑さと精度の良好なトレードオフを達成した。

Figure 3: Two-symbol CARS.