[論文レビュー] High-Mobility Wideband Massive MIMO Communications: Doppler Compensation, Analysis and Scaling Law

Guo Wei, Weile Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、送信機に大規模な均一線形アレイ（ULA）を備えた高速移動広帯域 massive MIMO 上行リンクシステムにおいて、角度ドメインでのドップラー周波数オフセット（DFO）補償を提案する。平行なビームフォーミングブランチを形成し、それぞれが単一の主要なドップラー周波数オフセット（DFO）に従うことで、送信前におけるDFO補償が可能となる。主な結果として、ドップラー拡散が $1/\bar{M}$ のスケーリング則に従い、送信アンテナ数 $M$ が十分に大きい場合にはチャネルの時間変動が漸近的に抑制されることを示している。

ABSTRACT

In this paper, we apply angle-domain Doppler compensation for high-mobility wideband massive multi-input multi-output (MIMO) uplink transmission. The time-varying multipath channel is considered between high-speed terminal and static base station (BS), where multiple Doppler frequency offsets (DFOs) are associated with distinct angle of departures (AoDs). With the aid of the large-scale uniform linear array (ULA) at the transmitter, we design a beamforming network to generate multiple parallel beamforming branches, each transmitting signal pointing to one particular angle. Then, the transmitted signal in each branch will experience only one dominant DFO when passing over the time-varying channel, which can be easily compensated before transmission starts. We theoretically analyze the Doppler spread of the equivalent uplink channel after angle-domain Doppler compensation, which takes into account both the mainlobe and sidelobes of the transmit beam in each branch. It is seen that the channel time-variation can be effectively suppressed if the number of transmit antennas is sufficiently large. Interestingly, the asymptotic scaling law of channel variation is obtained, which shows that the Doppler spread is proportional to the maximum DFO and decreases approximately as $1/\sqrt{M}$ ($M$ is the number of transmit antennas) when $M$ is sufficiently large. Numerical results are provided to corroborate the proposed scheme.

研究の動機と目的

• 複数のドップラー周波数オフセット（DFO）が存在する状況で、時間変動するチャネルが高速移動広帯域 massive MIMO 上行リンクに与える影響に対処すること。
• 空間分解能が限られている状況で、密なマルチパス環境下でも機能しない従来手法の限界を克服すること。
• 大規模な均一線形アレイ（UL）の高い空間分解能を活用し、送信機で各ビームごとのDFO補償を可能とすること。
• 補償後の等価上行リンクチャネルにおける残存ドップラー拡散を理論的に分析し、メインローブおよび sidelobe 効果を含むこと。
• チャネル時間変動の漸近的スケーリング則を導出し、$1/\\sqrt{M}$ に比例する抑制が示されることを検証すること。

提案手法

• 送信機で一致フィルタービームフォーミングを用い、各ビームを異なる送信角度（AoD）に向けた複数の平行ビームフォーミングブランチを生成する。
• 各ビームフォーミングブランチは、1つの主要なドップラー周波数オフセット（DFO）にのみ影響を受けるため、送信前にドップラー補償が可能となる。
• 高速移動端末と静止基 station 間の時間変動するマルチパスチャネルをモデル化し、DFO を異なる AoD に関連付ける。
• 各ビームにおけるメインローブおよび sidelobe の寄与を考慮した理論的分析を行い、完全楕円積分を含む積分表現を用いる。
• ビーム応答関数の積分を近似することで、大規模 $M$ の漸近的特性を活用し、ドップラー拡散の漸近的境界を導出する。
• 積分の近似と境界（例：[33] の式 (6.153) を用いて）により、$\\Lambda_{1,1}$ が $\frac{2}{\\pi}\ln(2M)$ のように増加するのに対し、$\\Lambda_{1,2}$ および $\\Lambda_{1,3}$ は $1/M$ に比例して減少することを示し、$M$ が大きい場合には無視可能であることを裏付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信機における角度ドメインビームフォーミングは、高速移動広帯域 massive MIMO 上行リンクにおいて、効果的なドップラー補償を可能にするか？
• RQ2 角度ドメインドップラー補償後の等価上行リンクチャネルにおける残存ドップラー拡散は、送信アンテナ数 $M$ に対してどのようにスケーリングされるか？
• RQ3 メインローブおよび sidelobe 応答の影響は、ビームフォーミングおよび DFO 補償後の有効ドップラー拡散にどのように影響するか？
• RQ4 角度ドメインドップラー補償下での上行リンクチャネルの時間変動に対して、理論的スケーリング則を導出可能か？
• RQ5 ビームフォーミングの sidelobe およびビーム応答ローブは、チャネル変動の漸近的挙動にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 角度ドメインドップラー補償後の等価上行リンクチャネルのドップラー拡散は、$M$（送信アンテナ数）に対して漸近的に $1/\sqrt{M}$ に比例してスケーリングされる。
• メインローブ寄与 $\Lambda_{1,1}$ は $M$ とともに対数的に増加し、$\frac{2}{\\pi}\ln(2M)$ のように近似される。一方、 sidelobe 寄与 $\Lambda_{1,2}$ および $\Lambda_{1,3}$ は $1/M$ に比例して減少する。
• 十分に大きな $M$ の下では、 sidelobe 寄与は無視可能となり、主要な項 $\Lambda_{1,1}$ がチャネル時間変動の漸近的挙動を支配する。
• ビームフォーミングネットワークにより、各ビームごとに DFO が有効に分離され、事前補償が可能となり、周波数間干渉（ICI）が顕著に低減される。
• 理論的分析により、$M$ が大きい場合にはチャネル時間変動が効果的に抑制されることを確認し、動的環境下における高速移動 massive MIMO の実現可能性を裏付ける。
• 数値結果は理論的分析を裏付け、$M$ の増加に伴い性能向上が正確に予測されることを示している。