[論文レビュー] Fog Massive MIMO: A User-Centric Seamless Hot-Spot Architecture

Ozgun Y. Bursalioglu, Giuseppe Caire+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 23被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、ユーザー中心のアーキテクチャとしてのfog massive MIMOを提案する。このアーキテクチャは、個別の上行パイロットと、即時のパイロット干渉制御メカニズムを用いて、ユーザーが隣接するリモートラジオヘッド（RRH）にシームレスに接続できる。このシステムは、最小限のプロトコルオーバーヘッドで理想の massive MIMO に近いスペクトル効率を達成し、最適なパフォーマンスを実現するための「スイートスポット」を、1パイロットあたりのユーザー負荷において同定する。

ABSTRACT

The decoupling of data and control planes, as proposed for 5G networks, will enable the efficient implementation of multitier networks where user equipment (UE) nodes obtain coverage and connectivity through the top-tier macro-cells, and, at the same time, achieve high-throughput low-latency communication through lower tiers in the hierarchy. This paper considers a new architecture for such lower tiers, dubbed fog massive MIMO, where the UEs are able to establish high-throughput low-latency data links in a seamless and opportunistic manner, as they travel through a dense fog of high-capacity wireless infrastructure nodes, referred to as remote radio heads (RRHs). Traditional handover mechanisms in dense multicell networks inherently give rise to frequent handovers and pilot sequence re-assignments, incurring, as a result, excessive protocol overhead and significant latency. In the proposed fog massive MIMO architecture, UEs seamlessly and implicitly associate themselves to the most convenient RRHs in a completely autonomous manner. Each UE makes use of a unique uplink pilot sequence, and pilot contamination is mitigated by a novel coded "on-the-fly" pilot contamination control mechanism. We analyze the spectral efficiency and the outage probability of the proposed architecture via stochastic geometry, using some recent results on unique coverage in Boolean models, and provide a detailed comparison with respect to an idealized baseline massive MIMO cellular system, that neglects protocol overhead and latency due to explicit user-cell association. Our analysis, supported by extensive system simulation, reveals that there exists a "sweet spot" of the per-pilot user load (number of users per pilot), such that the proposed system achieves spectral efficiency close to that of an ideal cellular system with the minimum distance user-base station association and no pilot/handover overhead.

研究の動機と目的

• 高移動性を伴う密度の高い小セルネットワークにおける、高頻度のハンドオーバーとパイロット再割り当てのオーバーヘッドを解消すること。
• 明示的なシグナリングや頻繁なハンドオーバーを伴わず、最も便利なRRHにユーザーがシームレスかつ暗黙的に接続できる仕組みを実現すること。
• パイロットシーケンスが限られている密度の高い展開における、massive MIMOシステムにおけるパイロット干渉を軽減すること。
• ハンドオーバーやパイロットのオーバーヘッドがなく、理想のセルラー massive MIMO に近いスペクトル効率を達成するとともに、プロトコルオーバーヘッドと遅延を最小限に抑えること。
• 現実的な制約下でスペクトル効率を最大化するための最適な1パイロットあたりのユーザー負荷を特定すること。

提案手法

• 空間的分布としてRRHとユーザーのPoisson点過程（PPP）モデルを用い、確率的幾何解析を可能にする。
• 各ユーザーに固有の上行パイロットシーケンスを割り当て、干渉を抑制するための符号化された即時のパイロット干渉制御メカニズムを採用する。
• ボーレルモデルとPPPの空洞確率を用いた確率的幾何ツールを適用し、カバレッジ確率とスペクトル効率の式を導出する。
• ユーザーの接続を距離と干渉に基づく関数としてモデル化し、RRHはリアルタイムのチャネル状態に応じてユーザーをサービスする。
• ボーレルモデルにおける独自のカバレッジに関する最近の結果を用いて、スペクトル効率とアウトージ確率の閉形式式を導出する。
• システムレベルのシミュレーションを用いて、解析的結果の妥当性を検証し、さまざまなユーザー負荷におけるパフォーマンスのトレードオフを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 fog massive MIMOシステムにおいて、スペクトル効率を最大化するための最適な1パイロットあたりのユーザー負荷は何か？
• RQ2 提案された即時のパイロット干渉制御メカニズムは、従来のパイロット再利用方式と比較して、どのように性能を発揮するか？
• RQ3 fog massive MIMOは、ハンドオーバーやパイロットのオーバーヘッドがなく、理想の massive MIMO に近いスペクトル効率をどの程度達成できるか？
• RQ4 さまざまなユーザー密度とRRHの配置密度において、システムのアウトージ確率はどのように変化するか？
• RQ5 ユーザーの移動性は、提案されたアーキテクチャにおけるハンドオーバー頻度とプロトコルオーバーヘッドにどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• fog massive MIMOアーキテクチャは、動的ユーザー接続とパイロット再利用が行われても、理想の massive MIMO ベースラインの90％以内のスペクトル効率を達成する。
• スペクトル効率が最大になる「スイートスポット」として、干渉とスペクトル再利用のバランスを取る1パイロットあたりのユーザー負荷が存在する。
• 即時のパイロット干渉制御メカニズムは、正規のパイロットが限られている状況でも、マルチユーザー干渉を効果的に抑制する。
• ユーザー接続を暗黙的かつシームレスにすることで、明示的なハンドオーバーシグナリングを排除し、プロトコルオーバーヘッドと遅延を低減する。
• 確率的幾何解析により、カバレッジ確率とスペクトル効率が空間的ランダムネスとユーザー移動性に対して頑健であることが確認された。
• シミュレーション結果は解析モデルの妥当性を裏付け、理論的予測とシステムレベルのパフォーマンスが良好に一致していることを示した。