[論文レビュー] Hybrid Beamforming for 5G Millimeter-Wave Multi-Cell Networks

Shu Sun, Theodore S. Rappaport+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 17被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、5G mmWaveマルチセルネットワークにおけるマルチユーザー・マルチストリーム通信を想定し、3つのCoMP伝送を用いたハイブリッドビームフォーミング（HBF）方式と1つのベースライン方式の合計4つのHBF方式を提案する。完全なCSI交換を伴う信号対漏れ加法ノイズ比（SLNR）ビームフォーミングを用いることで、非CoMP方式と比較して、最も弱い5%のユーザーにおいて最大67%高いスペクトル効率を達成する。特に、小セルが密集した環境で顕著な向上が見られる。

ABSTRACT

Multi-cell wireless systems usually suffer both intra-cell and inter-cell interference, which can be mitigated via coordinated multipoint (CoMP) techniques. Previous works on multi-cell analysis for the microwave band generally consider fully digital beamforming that requires a complete radio-frequency chain behind each antenna, which is less practical for millimeter-wave (mmWave) systems where large amounts of antennas are necessary to provide sufficient beamforming gain and to enable transmission and reception of multiple data streams per user. This paper proposes four analog and digital hybrid beamforming schemes for multi-cell multi-user multi-stream mmWave communication, leveraging CoMP. Spectral efficiency performances of the proposed hybrid beamforming approaches are investigated and compared using both the 3rd Generation Partnership Project and NYUSIM channel models. Simulation results show that CoMP based on maximizing signal-to-leakage-plus-noise ratio can improve spectral efficiency as compared to the no-coordination case, and spectral efficiency gaps between different beamforming approaches depend on the interference level that is influenced by the cell radius and the number of users per cell.

研究の動機と目的

• mmWaveマルチセルネットワークにおけるセル間干渉を低減すること。高経路損失とビームフォーミング制約により、スペクトル効率が制限される状況を想定する。
• 大型アレイアンテナを備えたmmWaveシステムにおけるハードウェアの複雑さと性能のバランスを取る実用的なハイブリッドビームフォーミング（HBF）戦略を設計すること。
• 実際の3GPPおよびNYUSIMチャネルモデルを用いて、CoMP協調がスペクトル効率に与える影響を評価すること。
• セル半径、1セルあたりのユーザー数、1ユーザーあたりのストリーム数の変動に応じた、複数のHBF方式（SLNR、ZF、LSP、固有モードビームフォーミング）の性能を比較すること。

提案手法

• 基地局に256要素の均一長方形アレイ（URA）を、ユーザー端末に8要素のURAを用いた、マルチセルmmWave MIMOフレームワークを定式化。1セルあたり3～12ユーザーを想定する。
• 4つのHBF方式を実装：(1) SLNRベースのCoMP、(2) ZFベースのCoMP、(3) LSPベースのCoMP、(4) 非CoMPの固有モードビームフォーミング（ベースライン）。
• 基地局間で完全なチャネル状態情報（CSI）を交換し、RFおよびベースバンドプレコーディングを共同で設計することで、セル間干渉を最小化する。
• 信号対漏れ加法ノイズ比（SLNR）の最大化を用いて、複数セルにまたがるビームフォーミングベクトルを共同最適化し、セル間干渉を抑制する。
• 100 MHzのOFDMに類似した帯域幅を用い、各ストリームに等価な電力割り当てを実施する。
• 3GPPおよびNYUSIMチャネルモデルを用いてシミュレーションを実施。セル半径は50 mおよび200 mとし、10番目、50番目、90番目のパーセンタイルユーザーのスペクトル効率を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CoMPベースのハイブリッドビームフォーミングは、非協調方式と比較して、mmWaveマルチセル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 干渉およびSNR条件の変動に応じて、mmWave HBFにおけるSLNR、ZF、LSP、固有モードビームフォーミングの相対的性能はどのように変化するか？
• RQ3 セル半径、1セルあたりのユーザー数、1ユーザーあたりのデータストリーム数が、HBF方式間のスペクトル効率ギャップに与える影響は何か？
• RQ4 理論的には魅力的であるにもかかわらず、なぜZFビームフォーミングはmmWave HBFシステムで実装不可能なのか。また、LSPとベースライン方式との間の性能ギャップの原因は何か？
• RQ5 3GPPおよびNYUSIMチャネルモデルは、HBF性能にどのように異なる影響を与えるか。特に、支配的固有チャネルとスペクトル効率の観点から説明せよ。

主な発見

• SLNRベースのCoMPは、非CoMPベースラインと比較して、最も弱い5%のユーザーにおいて最大67%高いスペクトル効率を達成する。特に、小セルが密集した環境（50 m半径）で顕著な向上が見られる。
• SLNRとベースライン方式の間のスペクトル効率ギャップは、1セルあたりのユーザー数が増加するにつれて縮小する。3ユーザーの場合の干渉比140倍から12ユーザーの場合の16倍にまで低下する。これは、ベースライン方式で干渉電力が高くなるため、SINRギャップが縮小するためである。
• LSPベースのCoMPは、ビームフォーミングゲインとチャネル特性の制限により、漏れ電力が顕著に低減されないため、ベースライン方式と比較してほとんど改善がない。
• ZFビームフォーミングは、RFプレコーディング後の有効チャネル行列のランク不足により、実装不可能である。これにより、完全な干渉消去が不可能となる。
• NYUSIMチャネルモデルは3GPPより高いスペクトル効率を示し、最も弱い50%のユーザーにおいて最大150%の向上を達成する。これは、より強い支配的固有チャネルに起因する。
• 1ユーザーあたり4ストリームの運用において、低SNR（例：10番目のパーセンタイル）ではGMR（一般化最大比合成）が他の方式を上回る。これは、受信信号電力を最大化するからである。一方、高SNRや干渉制限環境ではSLNRが優れた性能を示す。