[論文レビュー] Interference-Nulling Time-Reversal Beamforming for mm-Wave Massive MIMO in Multi-User Frequency-Selective Indoor Channels

Carlos A. Viteri-Mera, Fernando L. Teixeira|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、周波数選択性でマルチパスな屋内チャネルにおけるユーザー間干渉（IUI）を軽減するため、ミリ波マッシブMIMOシステムに向けた干渉キャンセリング・タイムリバーサル（INTR）ビームフォーミングを提案する。周波数ドメインの事前フィルタを設計することで、IUIを無効にしつつTRビームフォーミングの利得を維持し、INTRは多様性とmultiplexing利得の両方を達成し、すべてのシナリオにおいて従来のTRおよび等化TRを上回るBERおよびsum rate性能を示す。特にユーザー負荷が高い場合やアンテナ数が限られている場合に顕著な優位性を示す。

ABSTRACT

Millimeter wave (mm-wave) and massive MIMO have been proposed for next generation wireless systems. However, there are many open problems for the implementation of those technologies. In particular, beamforming is necessary in mm-wave systems in order to counter high propagation losses. However, conventional beamsteering is not always appropriate in rich scattering multipath channels with frequency selective fading, such as those found in indoor environments. In this context, time-reversal (TR) is considered a promising beamforming technique for such mm-wave massive MIMO systems. In this paper, we analyze a baseband TR beamforming system for mm-wave multi-user massive MIMO. We verify that, as the number of antennas increases, TR yields good equalization and interference mitigation properties, but inter-user interference (IUI) remains a main impairment. Thus, we propose a novel technique called interference-nulling TR (INTR) to minimize IUI. We evaluate numerically the performance of INTR and compare it with conventional TR and equalized TR beamforming. We use a 60 GHz MIMO channel model with spatial correlation based on the IEEE 802.11ad SISO NLoS model. We demonstrate that INTR outperforms conventional TR with respect to average BER per user and achievable sum rate under diverse conditions, providing both diversity and multiplexing gains simultaneously.

研究の動機と目的

• 高アレイ利得を示すものの、ユーザー間干渉（IUI）が性能を著しく劣化させるミリ波マッシブMIMOシステムにおける従来のタイムリバーサル（TR）ビームフォーミングの限界を解決すること。
• 60 GHz帯に特徴的な、散乱が豊富で周波数選択性のある屋内環境におけるIUIに起因する性能ボトルネックを克服すること。
• TRの空間的集中性を維持しつつIUIを無効化することで、同時に多様性とmultiplexing利得を達成する新しいビームフォーミング手法の開発。
• 空間相関性とNakagami分布に従うチャネルタップを有する現実的な60 GHz MIMOチャネル条件の下で、提案手法を評価すること。
• INTRが従来のTRおよび等化TRを上回ることを実証し、特にユーザー数が多い場合やアンテナ数が少ない場合の平均BERおよび実現可能なsum rateの観点から評価すること。

提案手法

• 従来のTRビームフォーマーを変更し、ユーザー間干渉（IUI）を無効化する周波数ドメインの事前フィルタリング手法である干渉キャンセリング・タイムリバーサル（INTR）ビームフォーミングを提案する。
• 事前フィルタ設計を制約付き最適化問題として定式化：元のTR解との距離を最小化するとともに、各ユーザー受信機でのIUIパワーをゼロに制約する。
• IEEE 802.11ad SISO 非視線（NLoS）モデルに基づく60 GHz MIMOチャネルモデルを採用し、電力遅延プロファイル（PDP）と空間相関性を幾何的散乱モデルから導出する。
• ミリ波環境における現実的な fading を反映させるために、チャネルインパulse応答（CIR）の振幅をNakagami分布でモデル化する。
• 多径成分を活用して空間的・時間的エネルギー集中を実現するベースバンドTRビームフォーミングに事前フィルタリングを適用し、多様性利得を得る。
• 1,000回の空間相関チャネル実現、1回の実行あたり10⁶ビットBPSKシンボルを用いたモンテカルロシミュレーションにより、システムを実装・評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数選択性フェイディングを示すミリ波マッシブMIMOシステムにおいて、ユーザー間干渉（IUI）は従来のタイムリバーサル（TR）ビームフォーミングの性能をどのように制限するか？
• RQ2 空間相関性が強い屋内ミリ波環境において、修正されたTRビームフォーミング手法は、多様性とmultiplexing利得を同時に達成できるか？
• RQ3 提案されたINTR手法は、従来のTRおよび等化TRビームフォーミングと比較して、IUIをどの程度低減できるか？
• RQ4 現実的な60 GHz MIMOチャネルにおいて、ユーザー数および送信アンテナ数の増加に伴い、INTRの性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 INTRフレームワークにおいて、事前フィルタ長がIUI低減および全体的なシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• INTRは、ユーザー数が多い場合やアンテナ数が限られている場合に顕著に従来のTRを上回る平均ビット誤り率（BER）を達成する。
• 64アンテナと5ユーザーの条件では、高ユーザー負荷下で特に顕著なBER改善が観察され、IUI低減効果が明確に示された。
• 128アンテナと50ユーザーの極端な状況では、INTRは170 bps/Hzを超えるスペクトル効率を達成し、高ユーザー密度下での顕著なmultiplexing利得を示した。
• 特定のシナリオにおいて、INTRの実現可能なsum rateは従来のTRの2倍に達し、多様性とmultiplexing利得を同時に達成できる能力を裏付けた。
• 事前フィルタ長を延長することでIUI低減性能が向上し、周波数ドメインにおける干渉無効化の精度が向上することが確認された。
• 送信アンテナ数が多い場合には等化TR（ETR）は不要であることが示された。なぜなら、従来のTRはすでに十分な等化性能を達成しているためであり、INTRはIUIに直接的アプローチすることで性能をさらに向上させた。