[論文レビュー] Interference Management in 5G Reverse TDD HetNets with Wireless Backhaul: A Large System Analysis

Luca Sanguinetti, Aris L. Moustakas+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 25被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、マクロ基地局に大規模MIMOを搭載した5Gハイブリッドネットワークと小セルを用いた無線バックホールを備えた逆TDDプロトコルを提案する。チャネルの対称性と大規模系解析を活用し、干渉を管理するための連結RZFビームフォーミングを設計することで、不完全なCSI下でも上行リンク／下行リンクの送信電力（約6 W）を低く抑え、スペクトル効率を高く（4.8 Gb/s/km²）実現する。ただし、CSI品質の臨界閾値を超えると性能が崩壊する。

ABSTRACT

This work analyzes a heterogeneous network (HetNet), which comprises a macro base station (BS) equipped with a large number of antennas and an overlaid dense tier of small cell access points (SCAs) using a wireless backhaul for data traffic. The static and low mobility user equipment terminals (UEs) are associated with the SCAs while those with medium-to-high mobility are served by the macro BS. A reverse time division duplexing (TDD) protocol is used by the two tiers, which allows the BS to locally estimate both the intra-tier and inter-tier channels. This knowledge is then used at the BS either in the uplink (UL) or in the downlink (DL) to simultaneously serve the macro UEs (MUEs) and to provide the wireless backhaul to SCAs. A geographical separation of co-channel SCAs is proposed to limit the interference coming from the UL signals of MUEs. A concatenated linear precoding technique employing either zero-forcing (ZF) or regularized ZF is used at the BS to simultaneously serve MUEs and SCAs in DL while nulling interference toward those SCAs in UL. We evaluate and characterize the performance of the system through the power consumption of UL and DL transmissions under the assumption that target rates must be satisfied and imperfect channel state information is available for MUEs. The analysis is conducted in the asymptotic regime where the number of BS antennas and the network size (MUEs and SCAs) grow large with fixed ratios. Results from large system analysis are used to provide concise formulae for the asymptotic UL and DL transmit powers and precoding vectors under the above assumptions. Numerical results are used to validate the analysis in different settings and to make comparisons with alternative network architectures.

研究の動機と目的

• 密な小セルと無線バックホールを備えた5Gハイブリッドネットワークにおける干渉とエネルギー効率の課題に対処すること。
• チャネル対称性を活用した逆TDDにより、マクロセルおよび小セル階層で上行リンクと下行リンクを同時に送信可能とすること。
• 移動端末ユーザーにおける不完全なCSI下でも、レート制約を満たし、小セル方向への干渉を抑える連結RZFビームフォーミング方式の設計。
• アンテナ数とユーザー数の比率が固定である大規模ネットワークにおける上行リンクおよび下行リンクの送信電力の漸近的消費特性の特定。

提案手法

• マクロセルと小セル階層間で逆TDDを採用し、チャネル対称性を実現し、バックホール経由でのCSIフィードバックの必要性を排除する。
• 大規模MIMOベースステーションを用い、アンテナアレイを活用して、階内および階間チャネル両方を対称性により推定する。
• 基地局で連結線形ビームフォーミング（ゼロフォース（ZF）または正則化ZF（RZF））を適用し、マクロUEのサービス提供と小セルへの無線バックホールを実現する。
• 基地局でMMSE受信機を用いて上行リンクの干渉低減を実現し、RZFビームフォーミングにより下行リンクのレート制約を満たす。
• ランダム行列理論を用いた大規模系解析により、送信電力およびビームフォーミングベクトルの確率的等価物を導出する。
• 移動端末ユーザーにおける不完全なCSI下での漸近的上行リンクおよび下行リンク送信電力およびビームフォーマーの閉形式表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全なCSIが、大規模MIMOおよび無線バックホール小セルを備えた5Gハイブリッドネットワークの送信電力に与える影響は何か？
• RQ2 逆TDDは、ハイブリッドネットワークにおいて明示的なCSI交換なしに干渉管理をどのように可能にするか？
• RQ3 送信電力が発散し、システムが高動的なユーザーに対して実行不能になるまでのCSI品質の臨界閾値は何か？
• RQ4 提案されたRZFビームフォーミング方式は、大規模ネットワークにおいてレート制約と干渉抑圧のバランスをどのようにとるか？
• RQ5 アンテナ数とユーザー数の比率が固定である条件下で、提案アーキテクチャの漸近的電力およびスペクトル効率の限界は何か？

主な発見

• 10 MHz帯域幅で上行リンクおよび下行リンクの両方で送信電力がたった6 Wであるにもかかわらず、合計のエリアスペクトル効率が4.8 Gb/s/km²に達する。
• 送信電力が発散し、高動的なユーザーに対してネットワークが実行不能になる臨界的なCSI品質閾値が存在する。
• 提案された連結RZFビームフォーミング方式により、静止および低速度移動ユーザーでは低電力動作が可能であり、レート制約も満たすことができる。
• 大規模系解析により、漸近的送信電力およびビームフォーミングベクトルの閉形式表現が得られ、システム設計の精度が向上する。
• 中程度のCSI推定誤差に対しては性能が頑健であるが、臨界誤差レベルを超えると急激に性能が劣化する。
• 逆TDDの使用により、バックホール信号伝送を伴わず階層間の暗黙的連携が可能となり、システムの複雑さが低減される。