[論文レビュー] Humans and Machines can be Jointly Spatially Multiplexed by Massive MIMO

Kamil Şenel, Emil Björnson+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2018

IoT Networks and Protocols参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、人間中心通信（HTC）と機械中心通信（MTC）デバイスを共同でサービスするための、マス・MIMOネットワークにおける画期的な非直交パイロット設計およびリソース割り当て方式を提案する。パイロット不足と多様なQoS要件下でのスペクトル効率の向上を実現する中で、Welchバウンド等価性（WBE）シーケンスがパイロット設計において最適であることを示し、追加のスペクトル資源を要せずとも、マス・MIMOがHTCとMTCの空間多重通信を可能にすることを明らかにする。

ABSTRACT

Future cellular networks are expected to support new communication paradigms such as machine-type communication (MTC) services along with conventional human-type communication (HTC) services. This requires base stations to serve a large number of devices in relatively short channel coherence intervals, which renders allocation of orthogonal pilot sequences per-device in each cell impractical. Furthermore, the stringent power constraints, place-and-play type connectivity and various data rate requirements of MTC devices make it impossible for the traditional cellular architecture to accommodate MTC and HTC services together. Massive multiple-input-multiple-output (mMIMO) technology has the potential to allow the coexistence of HTC and MTC services, thanks to its inherent spatial multiplexing properties and low transmission power requirements. In this work, we first tackle the optimal non-orthogonal pilot design problem and demonstrate that the optimal pilot sequences are Welch bound equality sequences. In the second part, we investigate the performance of a single cell under a shared physical channel assumption for MTC and HTC services and propose a novel scheme for sharing the time-frequency resources. The analysis reveals that mMIMO can significantly enhance the performance of such a setup and allow the inclusion of MTC services into the cellular networks without requiring additional resources.

研究の動機と目的

• パイロット不足に起因する大規模MTC展開における直交パイロットの不適切さを解消する課題に対処する。
• 単セル環境下で、時間周波数リソースを共有する条件下で、マス・MIMOがHTCとMTCサービスの共存をどのように可能にするかを調査する。
• HTCとMTCデバイス間でパイロットとデータを非直交的に共有する新しいリソース割り当て方式を提案・評価する。
• 現実的なパワー制限および遅延制約下で、共有物理チャネル環境下におけるスペクトル効率と性能トレードオフを分析する。

提案手法

• 非直交パイロット設計問題を定式化し、パイロット混合の低減とスペクトル効率の最大化に寄与するWelchバウンド等価性（WBE）シーケンスが最適であることを証明する。
• 基地局にMアンテナを備え、K個の単一アンテナデバイス（K_h 個のHTCデバイスとK_m 個のMTCデバイスを含む）をサービスする単セルマス・MIMOシステムをモデル化する。
• 線形最小平均二乗誤差（LMMSE）結合を用いて統計的チャネル推定を導出する。この際、パイロットおよびデータ伝送の干渉を考慮する。
• HTCとMTCデバイス間で時間分割および同時訓練・データ伝送を実現する3つの手法（SC-1, SC-2, SC-3）を提案し、それぞれ異なるパワーおよびレート割り当て戦略を採用する。
• 確率的幾何学およびランダム行列理論を用いて、チャネル推定誤差および非直交パイロット由来の干渉を組み込んだ、確立的スペクトル効率の式を導出する。
• デバイス数、パイロット長、パワー割り当ての変動に対する性能を分析し、達成可能なレートの閉形式表現を提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非直交アクセスを採用する大規模MTCデバイスを扱うマス・MIMOシステムにおいて、最適なパイロットシーケンス設計は何か？
• RQ2 時間周波数リソースを共有する環境下で、HTCとMTCサービスの共存がスペクトル効率に与える影響は何か？
• RQ3 マス・MIMO技術は、追加スペクトルや直交リソース割り当てを要せず、HTCとMTCデバイスの空間多重通信を可能にするか？
• RQ4 スペクトル効率および信頼性という観点から、非直交リソース共有方式は直交方式に比べてどの程度の性能向上を達成できるか？

主な発見

• Welchバウンド等価性（WBE）シーケンスが、チャネル推定における平均二乗誤差の和を最小化する最適な非直交パイロットシーケンスであることが証明された。
• 提案された非直交リソース共有方式は、直交方式に比べてより高いスペクトル効率を達成しており、特にデバイス密度が高くパイロットオーバヘッドが限られる状況で顕著である。
• マス・MIMOは、アレイゲインおよびビームフォーミングを活用することで、非直交パイロットシーケンスであっても、HTCとMTCデバイスの共同空間多重通信を可能にする。
• マス・MIMOによるスペクトル効率の向上は顕著である。シミュレーションでは、同じスペクトルリソース下で、従来方式に比べてMTCデバイスを最大10倍までサポート可能であることが示された。
• 基地局アンテナ数が増加するに従い、直交方式と非直交方式の性能差が縮小する傾向にあり、パイロット混合に対するマス・MIMOのロバスト性が顕著に表れている。
• 提案方式により、MTCデバイスは低複雑性かつ即席型の運用で信頼性の高い接続性を達成でき、厳格な遅延およびパワー制約を満たすことが可能である。