[論文レビュー] Spatial- and Frequency- Wideband Effects in Massive MIMO Systems.

Bolei Wang, Feifei Gao+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2017

Antenna Design and Optimization被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、特にミリ波帯で顕著な大規模MIMOシステムにおける空間的ワイドバンド効果と周波数選択性を扱う、画期的なアレイ信号処理フレームワークを提案する。角度および遅延ドメインにおけるスパarsityを活用することで、トレーニングパイロットに依存しない低オーバーヘッドの上行リンクおよび下行リンクチャネル推定が可能となり、TDDおよびFDDシステムの両方に適用可能であり、ワイドバンド大規模MIMOの性能を顕著に向上させる。

ABSTRACT

When there are a large number of antennas in massive MIMO systems, the transmitted wideband signal will be sensitive to the physical propagation delay of electromagnetic waves across the large array aperture, which is called the spatial-wideband effect or the spatial selectivity. In this scenario, transceiver design in wideband massive MIMO is different from most of the existing works, which presumes that the bandwidth of the transmitted signals is not that wide, ignores the spatial-wideband effect, and only addresses the frequency selectivity. In this paper, we investigate spatial- and frequency- wideband effects, called dual-wideband effects, in massive MIMO systems from array signal processing point of view. Taking mmWave-band communications as an example, we describe the transmission process to address the dual-wideband effects. By exploiting the channel sparsity in the angle domain and the delay domain, we develop the efficient uplink and downlink channel estimation strategies that require much less amount of training overhead and cause no pilot contamination. Thanks to the array signal processing techniques, the proposed channel estimation is suitable for both TDD and FDD massive MIMO systems. Numerical examples demonstrate that the proposed transmission design for massive MIMO systems can effectively deal with the dual-wideband effects.

研究の動機と目的

• 従来の大規模MIMO設計で無視されがちな、空間的ワイドバンド効果および周波数選択性の両方の影響を解消すること。
• 大きなアレイアパーチャーにわたる伝搬遅延を無視するが、帯域が狭い信号を仮定する既存の手法の制限を克服すること。
• ワイドバンド大規模MIMOシステムにおける最小限のトレーニングオーバーヘッドで効率的なチャネル推定戦略を開発すること。
• アレイ信号処理技術を活用することで、TDDおよびFDD大規模MIMOに適用可能なフレームワークを構築すること。
• 大きなアレイアパーチャーに起因するワイドバンド効果が顕著なミリ波帯通信において、高いロバスト性を実現すること。

提案手法

• 大規模アレイアパーチャーにわたる電磁波伝搬遅延に起因する空間的ワイドバンド効果を組み込んだ、ワイドバンド大規模MIMOチャネルのモデル化。
• 角度ドメイン（方位角ドメイン）および遅延ドメインにおけるチャネルのスパarsityを活用し、チャネル推定の次元を低減すること。
• 従来手法よりもはるかに少ないトレーニングパイロットで推定可能な上行リンクおよび下行リンクチャネル推定アルゴリズムの設計。
• ビームフォーミングおよびスパースレカバリを含むアレイ信号処理技術を用いて、上行リンクおよび下行リンクの両方でパイロット干渉のないチャネル推定を実現すること。
• TDDおよびFDDシステムの両方で効率的な計算を可能にするために、構造的スパarsityモデルを用いて推定問題を定式化すること。
• 物理的伝搬特性およびアレイジオメトリを基盤とすることで、スケーラブルかつロバストな手法を実現すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的ワイドバンド効果および周波数選択性が、ワイドバンドミリ波帯大規模MIMOシステムにおける性能にどのように同時に影響を与えるか。
• RQ2 角度ドメインおよび遅延ドメインにおけるチャネルスパarsityを効果的に活用することで、ワイドバンド大規模MIMOにおけるトレーニングオーバーヘッドを低減できるか。
• RQ3 アレイ信号処理を用いることで、ワイドバンド大規模MIMOシステムにおけるパイロット干渉をどのように回避できるか。
• RQ4 提案手法は、従来の帯域制限付きまたはワイドバンド専用の設計と比較して、どの程度の性能向上を達成できるか。
• RQ5 提案されたチャネル推定手法は、TDDおよびFDD大規模MIMOシステムの両方へどの程度適用可能か。

主な発見

• 提案手法は、角度ドメインおよび遅延ドメインにおけるスパarsityを統合的に活用することで、二重ワイドバンド効果を効果的に低減する。
• 従来のワイドバンド大規模MIMO手法と比較して、チャネル推定に必要なトレーニングオーバーヘッドが顕著に削減される。
• 構造的スパarsityとアレイ信号処理を用いることで、上行リンクおよび下行リンクの両方でパイロット干渉が発生しない。
• フレームワークはTDDおよびFDD大規模MIMOシステムの両方に適用可能であり、実用的応用性が向上する。
• 数値結果により、提案された送信設計がミリ波帯大規模MIMOシステムにおける二重ワイドバンド効果を効果的に処理できることを確認した。