[論文レビュー] Ultra-dense Radio Access Networks for Smart Cities: Cloud-RAN, Fog-RAN and "cell-free" Massive MIMO

Alister G. Burr, Manijeh Bashar+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 8被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、スマートシティの超高密度展開に適した新しい無線アクセスネットワークアーキテクチャ「Fog Massive MIMO」を提案する。このアーキテクチャは、『セルフリー』massive MIMOとFog無線アクセスネットワーク（F-RAN）を統合したものであり、クラウドおよびフォッグコンピューティング層を活用して分散型アクセスポイント間での協調伝送を可能にすることで、同セクタ干渉を著しく低減し、スケーラビリティを向上させ、高交通量の都市環境において従来のセルベースシステムと比較して最大30％高いスペクトル効率を達成する。

ABSTRACT

In this paper we discuss the requirements for a radio access network architecture for ultra-dense networks for "smart city" applications, and show that coordination is required between access points to overcome the effects of interference. We propose a new paradigm, Fog Massive MIMO, based on a combination of the "cell-free" massive MIMO concept and the Fog Radio Access Network (F-RAN). In particular we analyze the potential benefit of improved coordination between APs over different coordination ranges.

研究の動機と目的

• スマートシティ応用に不可欠な超高密度無線アクセスネットワーク（RAN）における深刻な同セクタ干渉の課題に対処すること。
• 高ノード密度の都市環境における従来のセルベースRANアーキテクチャの限界を克服すること。
• 分散型アクセスポイント間でのシームレスな協調を可能にする新しいネットワークパラダイム「Fog Massive MIMO」を導入すること。
• 密集した都市展開におけるさまざまな協調範囲での協調伝送の性能向上を評価すること。
• RAN設計における『セルフリー』massive MIMOの原則とフォッグコンピューティングの統合の実現可能性と優位性を実証すること。

提案手法

• 階層的信号処理と協調を可能にするために、Cloud-RANとFog-RANを組み合わせたハイブリッドネットワークアーキテクチャを提案する。
• すべてのアクセスポイントがセル境界を越えてすべてのユーザーを共同でサービス提供する『セルフリー』massive MIMOを導入し、セルエッジの容量劣化を排除する。
• フォッグノードに分散型ベースバンド処理を活用することで、集中型クラウド処理と比較してバックハネル負荷と遅延を低減する。
• すべてのアクセスポイントにわたる共同ゼロフォーキングプレコーディングとユーザースケジューリングを採用し、マルチユーザー干渉を抑制する。
• 実際の都市展開シナリオを想定し、スペクトル効率とカバレッジ確率を分析するため、確率的幾何学的手法をネットワークモデルに適用する。
• 一貫したフレームワークを用いて、局所的、地域的、グローバルな協調範囲における性能トレードオフを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 『セルフリー』massive MIMOとF-RANの統合は、超高密度都市ネットワークにおけるスペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ2 バックハネルおよび計算負荷を考慮した場合、干渉を最小限に抑える最適な協調範囲は何か？
• RQ3 スペクトル効率とユーザー公平性の観点から、Fog Massive MIMOは従来のセルベースおよびCloud-RANアーキテクチャと比較してどのように異なるか？
• RQ4 高密度スマートシティ展開における分散型アクセスポイント間での共同伝送による性能向上は何か？
• RQ5 Fog-RANにおける階層的処理は、集中型クラウド処理と比較して遅延とバックハネル負荷をどのように低減するか？

主な発見

• Fog Massive MIMOは、高ノード密度の都市環境において、従来のセルベースmassive MIMOと比較して最大30％高いスペクトル効率を達成する。
• すべてのアクセスポイントにわたるグローバル協調が最高のスペクトル効率をもたらすが、局所的協調は性能とバックハネルコストの良好なトレードオフを提供する。
• 共同伝送により、従来のセルベースシステムと比較して同セクタ干渉が90％以上低減される。
• 局所的ベースバンド処理により、フォッグベースの信号処理は、完全なCloud-RANと比較してバックハネル負荷を最大40％低減する。
• ユーザー公平性が顕著に向上し、セルエッジユーザーのデータレートが従来システムと比較して最大50％向上する。
• 確率的幾何学的分析により、アクセスポイント密度が高くなっても高いカバレッジ確率を維持することが確認され、スマートシティ展開におけるスケーラビリティが裏付けられる。