[論文レビュー] Massive MIMO in real propagation environments.

Xiang Gao, Ove Edfors+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 15被引用数 39

ひとこと要約

本論文は、2.6 GHzで128要素の線形および円筒形アレイを用いて、実環境の伝搬環境における massive MIMO の性能を調査している。実測されたチャネルは、理想的な i.i.d. レイリー fading チャネルに近いスペクトル効率およびユーザー多重化利得を達成しており、実環境への massive MIMO の実用的妥当性を確認している。

ABSTRACT

Massive MIMO, also known as very-large MIMO or large-scale antenna systems, is a new technique that potentially can offer large network capacities in multi-user scenarios. With a massive MIMO system, we consider the case where a base station is equipped with a large number of antennas and serving multiple single-antenna users in the same time-frequency resource. So far, investigations are mostly based on theoretical channels with independent and identically distributed (i.i.d.) complex Gaussian coefficients. Here, we investigate how massive MIMO performs in real propagation environments. Based on channel measurements at 2.6 GHz using a physically large linear array and a compact cylindrical array, both having 128 antenna elements, we illustrate the channel behavior of massive MIMO in typical propagation conditions, and evaluate the corresponding performance. The investigation shows that the measured channels, for both array types, allow us to achieve performance close to that in ideal i.i.d. channels. Thus, it can be concluded that in real propagation environments, we have characteristics that allow for efficient use of massive MIMO technology.

研究の動機と目的

• 理想化された理論的モデルにとどまらず、現実の伝搬環境における massive MIMO の実現可能性を評価すること。
• 通常の都市環境で測定された実際のチャネル特性が、massive MIMO の性能に与える影響を評価すること。
• 物理的に異なる2種類の128要素アンテナアレイ（大型の線形アレイとコンactな円筒形アレイ）の性能を比較すること。
• 現実のチャネルが、理想化されたモデルが予測する高いスペクトル効率およびユーザー多重化利得を支持するかどうかを特定すること。
• 現実の非理想な伝搬条件下でも、massive MIMO が近似的に最適な性能を達成できることを検証すること。

提案手法

• 実環境の伝搬環境で、128要素の線形アレイおよび128要素のコンactな円筒形アレイを用いて2.6 GHzのチャネル測定を実施した。
• 大規模MIMOチャネルデータを収集・分析し、相関やランクなどの空間的チャネル特性を特徴づけた。
• 測定から得た実際のチャネル実現値を用いて、スペクトル効率およびユーザー多重化利得を評価した。
• i.i.d. レイリー fading を仮定した理論的ベンチマークと比較して、性能指標（合計スペクトル効率、ユーザー容量など）を評価した。
• 測定されたチャネル行列を用いて、ゼロフォーリング予めっきんぐおよびマッチドフィルタリングを用いた massive MIMO 伝送をシミュレーションした。
• 視線ライン（LoS）および非視線ライン（NLoS）のさまざまな伝搬状態において、アレイの性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理想的な i.i.d. レイリー fading チャネルと比較して、実環境における massive MIMO の性能はいかがであるか？
• RQ2 大型の線形アレイおよびコンactな円筒形アレイからの実際のチャネル測定値は、高いスペクトル効率およびユーザー多重化利得をどの程度支持するか？
• RQ3 2.6 GHzにおける実際の massive MIMO シナリオにおける主要な空間的チャネル特性（例：相関、ランク）は何か？
• RQ4 実環境における massive MIMO の性能は、理想化された理論的モデルに近づけるか？
• RQ5 異なるアレイ形状（線形対円筒形）は、実際のチャネル特性および massive MIMO の性能にどのように影響するか？

主な発見

• 128要素の線形アレイおよび円筒形アレイからの測定チャネルは、高いスペクトル効率をサポートする十分な空間的自由度を有している。
• 実環境での合計スペクトル効率は、理想的な i.i.d. レイリー fading チャネルによって予測される値に近く達成されている。
• 実環境における空間的チャネル相関は予想よりも低く、干渉を最小限に抑えて効果的なユーザー多重化が可能である。
• コンactな円筒形アレイは、物理的に大きな線形アレイと同等の性能を達成しており、アレイサイズが性能を制限するとは限らないことが示された。
• 実環境における128要素の massive MIMO は、理論的ベンチマークと同等のユーザー多重化利得を達成している。
• 測定されたチャネルは、強固なビームフォーミングおよびユーザー分離を可能としており、実環境への massive MIMO の実用的妥当性を検証している。