[論文レビュー] Massive MIMO and Waveform Design for 5th Generation Wireless Communication Systems

Arman Farhang, Nicola Marchetti+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

PAPR reduction in OFDM参考文献 40被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、自己等化を活用してサブキャリア数を削減し、パイロット混合を軽減するためのブランチチャネルトラッキングを用いたFBMCベースのマスィブMIMOを、5G波形ソリューションとして提案する。自己等化特性によりサブキャリア間でほぼ平坦なチャネルゲインが得られ、ブランチ等化により汚染されたチャネル推定値が補正され、最小限のトレーニングオーバーヘッドでSINR性能が向上する。

ABSTRACT

This article reviews existing related work and identifies the main challenges in the key 5G area at the intersection of waveform design and large-scale multiple antenna systems, also known as Massive MIMO. The property of self-equalization is introduced for Filter Bank Multicarrier (FBMC)-based Massive MIMO, which can reduce the number of subcarriers required by the system. It is also shown that the blind channel tracking property of FBMC can be used to address pilot contamination -- one of the main limiting factors of Massive MIMO systems. Our findings shed light into and motivate for an entirely new research line towards a better understanding of waveform design with emphasis on FBMC-based Massive MIMO networks.

研究の動機と目的

• 従来のOFDMの制限を克服するため、特に大規模MIMOシステムにおける代替波形としてFBMCを検討すること。
• マスィブMIMOの空間多重性とアレイゲインを、FBMCのスペクトル効率と同期エラーに対するロバスト性と組み合わせることの可能性を調査すること。
• FBMCが内蔵するブランチ等化能力を活用して、マスィブMIMOネットワークにおけるパイロット混合問題を解決すること。
• FBMCベースのマスィブMIMOにおける自己等化によりサブキャリア数を最小限に抑えることで、システムの複雑さと遅延を低減すること。

提案手法

• フィルターバンクマルチキャリア（FBMC）波形をマスィブMIMOシステムに適用し、周波数帯域外放射が低く、タイミングオフセットに対してロバストである点を活用する。
• 大規模な受信アンテナ数（M）における線形結合によってサブキャリアごとのチャネル歪みが平滑化され、ほぼ等化されたゲインが得られる「自己等化」の概念をFBMCベースのマスィブMIMOに導入する。
• MMSEおよびマッチドフィルタ（MF）線形結合手法を用いてSINR性能を分析し、現実的なチャネル条件下での自己等化効果を検証する。
• データシンボルを用いて繰り返し結合器タップ重みを更新することで、ゴダードに類似したアルゴリズムによるブランチチャネルトラッキングを適用し、パイロット混合によって汚染されたチャネル推定値を補正する。
• シミュレーションと理論的分析を用いて、ブランチトラッキングのSINR性能を、完全なCSIを前提とした従来のMFおよびMMSEと比較する。
• パイロット再利用を伴うTDDモードマルチセルネットワークにおいて、遅延、PAPR、帯域効率に注目してシステム性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模アレイゲインのおかげで、FBMCベースのマスィブMIMOがサブキャリア間で自己等化を達成できるか。これにより、多数のサブキャリアを必要としなくなるか。
• RQ2 FBMCが内蔵するブランチ等化能力は、マルチセルマスィブMIMOネットワークにおけるパイロット混合をどのように軽減するか。
• RQ3 長時間のデータパケット送信中にCSIが古くなる状況下で、ブランチチャネルトラッキングがSINR性能をどの程度向上できるか。
• RQ4 FBMCベースのマスィブMIMOで広帯域サブキャリアを用いる場合、スペクトル効率、遅延、計算複雑度のトレードオフはどのようなものか。
• RQ5 FBMCとマスィブMIMOの組み合わせは、同期エラーおよび周波数オフセットに対して、OFDMベースのシステムと比較してどの程度ロバスト性に優れているか。

主な発見

• FBMCベースのマスィブMIMOにおける自己等化により、基地局での線形結合によってサブキャリア間のチャネル歪みが平滑化され、必要なサブキャリア数が削減される。
• MMSE結合のSINR性能はすべてのサブキャリアでほぼ一定であり、理論的予測と一致しており、自己等化効果が裏付けられる。
• ゴダードに類似したアルゴリズムを用いたブランチトラッキングにより、ノイズのあるCSIを前提としたMFのSINR性能が、数回の反復でノイズのないCSIを前提とした近似MMSE性能にまで向上する。
• ブランチトラッキング技術により、データシンボルを走査することで最新のCSI推定が可能となり、長時間のUL/DLパケット送信におけるCSIの老化に起因する性能劣化が軽減される。
• 自己等化により広帯域サブキャリアが可能になることで、フィルターバンク処理の遅延が低減され、帯域効率が向上（サイクリックプレフィックス不要）、PAPRも低下する。
• FBMCとマスィブMIMOの組み合わせは、FBMCの利点（周波数帯域外放射が低く、キャリア集約が柔軟）を維持するとともに、従来のMIMO非適合性という課題を克服する。