[論文レビュー] Massive Antenna Arrays with Low Front-End Hardware Complexity: An Enabling Technology for the Emerging Small Cell and Distributed Network Architectures

Vlasis I. Barousis, Mohammad Ali Sedaghat+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、1つのアレイごとに1つのパワー・アンプを用いることで、コスト、発熱、サイズを大幅に削減する低複雑度な無線周波数（RF）ハードウェアアーキテクチャを提案する。この手法により、小型セルにおけるコスト効率の高いマスティブ MIMO の実現が可能となり、バーチャル MIMO とマスティブ MIMO を統合したハイブリッドリモートラジオヘッドソリューションを提供し、スケーラブルで高容量な小型セルネットワークの発展を著しく促進する。

ABSTRACT

This paper presents the current state-of-the-art of massive antenna array architectures with significant front-end hardware savings, as an enabler for future small and powerful cell nodes that will be able to carry massive MIMO technology. Radio frequency (RF) hardware architectures with a single power amplifier are reviewed, compared, and found superior to conventional MIMO implementations in terms of cost, dissipated heat, and physical size. This progress on the RF-side allows to merge the two competing cellular concepts of virtual and massive MIMO into a hybrid approach of remote radio heads with massive MIMO arrays.

研究の動機と目的

• 小型セルにおける従来のマスティブ MIMO 実装の高コスト、高消費電力、大型化という課題に対処すること。
• スペクトル効率やシステム容量を損なわずに、マスティブ アンテナアレイのフロントエンド RF ハードウェアの複雑度を低減すること。
• マスティブ MIMO をコンパクトで低コストな小型セルおよび分散型ネットワークアーキテクチャに統合できること。
• 低複雑度な RF チェーンを用いて、バーチャル MIMO とマスティブ MIMO の利点を統合したハイブリッドリモートラジオヘッドアーキテクチャを実現すること。
• 1アレイあたり1つのパワー・アンプを用いることで、フルコンプレックスのマスティブ MIMO システムと同等の性能を達成できることを実証すること。

提案手法

• 1アレイ素子あたり1つのRFチェーンを採用し、共通のパワー・アンプを用いることで、1アレイあたりのRF部品数を削減する。
• アナログビームフォーミングとデジタルビームフォーミングを組み合わせたハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャを実装し、RFチェーン数を最小限に抑える。
• 1アレイあたり1つのパワー・アンプを用いてすべてのアンテナ素子を駆動することで、ハードウェアの複雑度と消費電力を顕著に低減する。
• マスティブ MIMO を最小限のフロントエンドハードウェアで実現できるリモートラジオヘッドアーキテクチャを設計し、コンパクトな展開を可能にする。
• 低複雑度なRFアーキテクチャを分散型小型セルネットワークフレームワークに統合し、高いスペクトル効率を実現する。
• 理論的解析と従来のMIMOおよびマスティブ MIMO アーキテクチャとの比較を通じて、システム性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのパワー・アンプを用い、1アレイあたり1つのRFチェーンでマスティブ MIMO システムを実装できるか？
• RQ2 1つのパワー・アンプを用いたマスティブ MIMO アーキテクチャのスペクトル効率およびエネルギー効率は、従来のフルコンプレックスのマスティブ MIMO と比べてどの程度の性能を示すか？
• RQ3 RFハードウェアの複雑度が低減することで、混雑した都市部における小型セルの実現可能性と展開性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 マスティブ MIMO アレイを備えたハイブリッドリモートラジオヘッドアーキテクチャは、低フロントエンド複雑度のもとで実用的に実現可能か？
• RQ5 スペクトル効率を維持したまま、ハードウェアコスト、サイズ、消費電力はどの程度低減可能か？

主な発見

• 提案された1つのパワー・アンプを用いたアーキテクチャは、従来のマスティブ MIMO システムと比較して、RFハードウェアの複雑度、コスト、発熱を低減している。
• 1アレイあたり1つのRFチェーンを用いても、フルコンプレックスのマスティブ MIMO と同等の高いスペクトル効率を達成している。
• このアーキテクチャにより、コンパクトで低コストなリモートラジオヘッドが実現され、混雑した小型セルネットワークへの展開に適している。
• ハイブリッドアプローチにより、バーチャル MIMO とマスティブ MIMO の利点が統合された、スケーラブルなネットワークアーキテクチャが実現された。
• RFチェーン数の削減により、消費電力と物理的サイズが顕著に低減され、将来のネットワークにおけるスケーラビリティが向上した。
• 理論的解析により、現実の伝搬条件のもとで、ハードウェア複雑度の低減に起因する性能劣化は最小限であることが確認された。