[論文レビュー] Millimeter-wave Gbps Broadband Evolution towards 5G: Fixed Access and Backhaul

Zhouyue Pi, Junil Choi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、39 GHz帯スペクトル、ダイナミックビームフォーミング、マスティブ MIMO を用いたミリ波 Gbps ブロードバンド（MGB）システムを提案する。このシステムにより、高容量の固定無線アクセスおよびスモールセル回廊が可能となる。500 MHz の帯域幅と 28 dBm の送信出力（55 dBm EIRP）を用いることで、1 km 圈内に存在する 96 個のスモールセルに対して 11 Gbps を超えるバックホール容量を実現し、5G Gbps インfraストラクチャの実現可能性を示している。

ABSTRACT

As wireless communication evolves towards 5G, both fixed broadband and mobile broadband will play a crucial part in providing the Gbps infrastructure for a connected society. This paper proposes a Millimeter-wave Gbps Broadband (MGB) system as the solution to two critical problems in this evolution: last-mile access for fixed broadband and small cell backhaul for mobile broadband. The key idea is to use spectrum that is already available in the millimeter wave bands for fixed wireless access with optimized dynamic beamforming and massive MIMO infrastructure to achieve high capacity with wide area coverage. This paper explains the MGB concept and describes potential array architectures for realizing the system. Simulations demonstrate that with 500 MHz of bandwidth (at 39 GHz band) and 28 dBm transmission power (55 dBm EIRP), it is possible to provide more than 11 Gbps backhaul capacity for 96 small cells within 1-km radius.

研究の動機と目的

• 5G のミッドル・マイルブロードバンドアクセス課題を、未利用に近いミリ波帯スペクトルを活用することで解決すること。
• 高帯域幅のミリ波リンクを用いて、モバイルブロードバンドネットワークにおけるスモールセル回廊の容量制限を解消すること。
• 最適化されたビームフォーミングとマスティブ MIMO インfraストラクチャを用いて、39 GHz で広域かつ高容量の無線接続を実現すること。
• 密度の高いスモールセル展開において、複数 Gbps のバックホール容量を提供する実現可能性を示すこと。

提案手法

• 高いスペクトル効率を実現するため、39 GHz ミリ波帯で 500 MHz の帯域幅を活用する。
• ユーザー端末に向けて信号を集中的にフォーカスするため、ダイナミックビームフォーミングを採用し、リンクの信頼性と容量を向上させる。
• 基地局にマスティブ MIMO アレイを設置し、複数のデータストリームを空間多重で伝送する。
• 十分なカバレージとリンクバジェットを確保するため、28 dBm の送信出力（55 dBm EIRP）をモデル化する。
• 都市部に類似した環境での性能をシミュレートするために、現実的なパスロスおよびシャドウイングモデルを用いる。
• 干渉やビームアライメントを含む現実的な展開制約下でのシステム容量を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 39 GHz のミリ波帯は、密度の高いスモールセル展開に対して複数 Gbps のバックホール容量をサポートできるか？
• RQ2 ダイナミックビームフォーミングは、ミリ波固定無線アクセスシステムにおいて視線内および視線外の両状況で、カバレージとスペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ3 現実的な伝搬条件下で、マスティブ MIMO を用いたミリ波システムの実現可能な容量はどの程度か？
• RQ4 ビームフォーミングと広帯域を活用することで、1 つの基地局が複数のスモールセルを高データレートでサービス可能か？
• RQ5 Gbps 級バックホール容量を達成するために必要なシステムパrameter（帯域幅、出力電力、アレイサイズ）は何か？

主な発見

• 39 GHz で 500 MHz の帯域幅と 28 dBm の送信出力（55 dBm EIRP）を用いることで、1 km 圈内に存在する 96 個のスモールセルに対して、MGB システムは 11 Gbps を超えるバックホール容量を達成した。
• ダイナミックビームフォーミングは、視線内および視線外の両状況において、信号の信頼性とスペクトル効率を顕著に向上させた。
• マスティブ MIMO により空間多重が可能となり、干渉をほとんど引き起こさずに複数のスモールセルへの同時送信が可能になった。
• 中程度のパスロスとシャドウイングがあっても、システムは高いデータレートを維持でき、都市部に類似した環境下でも高い耐障害性を示した。
• 結果から、ミリ波帯は 5G 固定および移動体ブロードバンドに必要な Gbps インfraストラクチャをサポートできることを確認した。
• 提案された MGB システムは、5G ネットワークにおけるミッドル・マイル固定アクセスおよびスモールセル回廊の実現可能なソリューションである。