[論文レビュー] Prospective Multiple Antenna Technologies for Beyond 5G

Jiayi Zhang, Emil Björnson+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 193被引用数 22

ひとこと要約

本稿は、5G以降のネットワークにおける3つの将来指向の多重アンテナ技術—セルフリーマスィーマスMIMO、ビームスペースマスィーマスMIMO、知能反射表面（IRS）—を特定し、分析している。これらの技術は、それぞれ分散アンテナ配置、角度ドメイン信号処理、再構成可能な伝搬環境を活用することで、スペクトル効率、エネルギー効率、信頼性において数個のオーダーの向上を実現可能であると提唱している。また、sub-6 GHz帯およびsub-THz帯における主な課題に対処している。

ABSTRACT

Multiple antenna technologies have attracted large research interest for several decades and have gradually made their way into mainstream communication systems. Two main benefits are adaptive beamforming gains and spatial multiplexing, leading to high data rates per user and per cell, especially when large antenna arrays are used. Now that multiple antenna technology has become a key component of the fifth-generation (5G) networks, it is time for the research community to look for new multiple antenna applications to meet the immensely higher data rate, reliability, and traffic demands in the beyond 5G era. We need radically new approaches to achieve orders-of-magnitude improvements in these metrics and this will be connected to large technical challenges, many of which are yet to be identified. In this survey paper, we present a survey of three new multiple antenna related research directions that might play a key role in beyond 5G networks: Cell-free massive multiple-input multiple-output (MIMO), beamspace massive MIMO, and intelligent reflecting surfaces. More specifically, the fundamental motivation and key characteristics of these new technologies are introduced. Recent technical progress is also presented. Finally, we provide a list of other prospective future research directions.

研究の動機と目的

• 5G以降の無線ネットワークの次世代を可能にする新興の多重アンテナ技術を特定し、評価すること。
• 現在のマスィーマスMIMOおよびmmWaveシステムの限界、たとえばビームブロッキング、高いハードウェア複雑性、高周波数帯でのコherency時間の短縮といった問題に対処すること。
• セルフリーマスィーマスMIMO、ビームスペースMIMO、知能反射表面が、これらの課題をどのように克服し、スペクトル効率、エネルギー効率、信頼性の面で顕著な性能向上を達成できるかを検討すること。
• 各技術に関する未解決問題と今後の研究方向性を強調する研究ロードマップを提示すること。
• 将来の無線システムにおける至る所への高レートかつ低遅延接続を支援するため、ネットワークアーキテクチャおよび信号処理のパラダイム転換を提唱すること。

提案手法

• セルフリーマスィーマスMIMOを、セル境界を持たない分散型アーキテクチャとして提案。アクセスポイントが統合的にユーザーをサービス提供することで、ユーザーの均一な性能を実現し、セルエッジでの容量劣化を低減する。
• ビームスペースマスィーマスMIMOを、広帯域および高周波数帯でのビームフォーミングの簡素化とフィードバックオーバーヘッドの低減を図る信号処理フレームワークとして導入。これは、角度ドメインのスパarsityを活用する。
• 知能反射表面（IRS）を、再構成可能な受動アレイとして分析。無線伝搬環境を動的に変更することで、信号強度と信頼性を向上させる。
• sub-6 GHz帯およびsub-THz帯へのこれらの技術の統合をレビュー。パスロスとブロッキング問題の緩和にその可能性を強調する。
• 周波数帯域が広がり、高周波数帯に拡大する際のハードウェア制限要因、たとえば位相ノイズや低分解能ADCの影響を評価。特に、広帯域および高周波数帯の展開において顕著である。
• ハイブリッドビームフォーミングおよび低分解能ハードウェア設計を、sub-THzシステムにおけるコストおよびエネルギー効率の向上のための解決策として提案。実用的制約下での性能分析を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セルフリーマスィーマスMIMOは、5G以降のネットワークにおける従来のセルベースマスィーマスMIMOと比較して、スペクトル効率およびユーザー公平性をどのように向上させ得るか？
• RQ2 広帯域および高周波数（sub-THz）帯におけるビームスペースマスィーマスMIMOの主な性能向上と実装上の課題は何か？
• RQ3 知能反射表面は、動的で遮蔽された伝搬環境において、カバレッジ、信頼性、エネルギー効率をどの程度向上できるか？
• RQ4 位相ノイズや低分解能量子化といったハードウェア制限が、sub-THz帯におけるビームスペースおよびセルフリーマスィーマスMIMOシステムの性能に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 これらの技術を統合的かつスケーラブルな5G以降のネットワークフレームワークに統合するために、どのようなアーキテクチャ的および信号処理上のイノベーションが求められるか？

主な発見

• セルフリーマスィーマスMIMOは、カバレッジ領域全体にわたり均一なユーザー性能を達成でき、従来のセルベースシステムと比較して、セルエッジユーザーのスループット劣化を顕著に低減できる。
• ビームスペースマスィーマスMIMOは、角度ドメインのスパarsityを活用することで、フィードバックオーバーヘッドを低減し、ビームフォーミングを簡素化する。これは、広帯域および高周波数システムにおいて特に適している。
• 知能反射表面（IRS）は、ラインオブサイト（LoS）およびノンラインオブサイト環境において、信号対インターーフェンスプラスノイズ比（SINR）を向上させ、カバレッジを拡張できる。特に、高いパスロスを示すsub-THz帯で顕著である。
• 低分解能ADCを用いたハイブリッドビームフォーミングは、ハードウェア制限が適切にモデル化・低減されていれば、sub-THzシステムでほぼ最適なスペクトル効率を達成できる。
• セルフリーマスィーマスMIMO、ビームスペース処理、およびIRSの統合は、sub-6 GHz帯およびsub-THz帯の両方において、高データレートおよび低遅延を実現する、強固でスケーラブルかつエネルギー効率の高いネットワークを可能にする。
• チャネル推定、CSIフィードバック、ビームフォーミングとIRS位相シフトの共同最適化に関する未解決問題が残っており、特に時間変動および周波数選択性を持つチャネル下で顕著である。