協調MIMO

無線分野において、協調型MIMO（協調型多入力多出力、CO-MIMO ）は、モバイルフェージングチャネルの空間領域を効果的に活用し、無線通信システムの性能を大幅に向上させる技術です。ネットワークMIMO、分散MIMO、仮想MIMO、仮想アンテナアレイとも呼ばれます。

従来のMIMOシステムは、ポイントツーポイントMIMOまたはコロケーテッドMIMOと呼ばれ、通信リンクの送信機と受信機の両方に複数のアンテナを搭載する必要があります。MIMOは、IEEE 802.11n（Wi-Fi）、IEEE 802.11ac（Wi-Fi）、HSPA+（3G）、WiMAX（4G）、Long-Term Evolution（4G）などの無線通信規格において不可欠な要素となっていますが、多くの無線デバイスは、サイズ、コスト、ハードウェアの制限などにより、複数のアンテナをサポートできません。さらに重要なのは、モバイルデバイスだけでなく、固定無線プラットフォームにおいても、アンテナ間の間隔が十分でない場合が多く、有意な性能向上が得られないことです。さらに、アンテナ数が増えるにつれて、実際のMIMO性能は理論的な性能向上からさらに低下します。[ 1 ]

協調MIMOは、異なる無線デバイスに分散アンテナを配置することで、MIMOの理論的な利得に近い性能を実現します。協調MIMOの基本的な考え方は、複数のデバイスを仮想アンテナアレイにグループ化し、MIMO通信を実現することです。協調MIMO伝送には、仮想アレイ内のリンクだけでなく、異なる仮想アレイ間のリンクも含め、複数のポイントツーポイント無線リンクが関与します。

協調MIMOのデメリットは、システムの複雑さが増し、デバイス間の協調をサポートするために必要なシグナリングオーバーヘッドが大きくなることです。一方、協調MIMOのメリットは、無線ネットワークの容量、セルエッジスループット、カバレッジ、グループモビリティをコスト効率よく向上させることができることです。これらのメリットは、分散アンテナを使用することで実現されます。分散アンテナは、MIMOサブチャネルの相関を解消することでシステム容量を増加させ、マイクロダイバーシティに加えてマクロダイバーシティの利点も活用できるようにします。セルラーモバイルネットワークや無線アドホックネットワークなど、多くの実用的なアプリケーションでは、協調MIMO技術を導入するメリットがデメリットを上回ります。近年、協調MIMO技術は無線通信規格の主流に採用されています。

種類

協調マルチポイント

3種類の協力型MIMO
協力型MIMOの種類
衛星通信における協調MIMOケース（アラモティ）のシステムモデル。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]さらに、衛星・地上ハイブリッド技術についても言及する必要がある。[ 5 ]
仮想MIMO（協調D2D）の考え方の簡単な説明[ 6 ]。ここで、は特定のチャネルパスを表し、およびは特定のデバイスを表します。h私j{\displaystyle h_{ij}}dj{\displaystyle d_{j}}s私{\displaystyle s_{i}}

協調マルチポイント（CoMP）では、データとチャネル状態情報（CSI）が隣接するセルラー基地局（BS）間で共有され、ダウンリンクでの送信を調整し、アップリンクでの受信信号を共同で処理します。システムアーキテクチャを図1aに示します。CoMP技術は、本来は有害となるセル間干渉を効果的に有用な信号に変換し、大幅な電力ゲイン、チャネルランクの優位性、および/またはダイバーシティゲインを活用できるようにします。CoMPには、BS間で情報（データ、制御情報、CSIなど）を交換できるようにするための高速バックホールネットワークが必要です。これは通常、光ファイバーフロントホールを介して実現されます。CoMPは4G標準に導入されています。[ 7 ]

固定リレー

固定リレー（図1b参照）は、有線バックホール接続を持たない低コストで固定された無線インフラです。BS（基地局）から受信したデータを保存し、移動局（MS）に転送し、またその逆も行います。固定リレー局（RS）は、通常、BSよりも送信電力とカバレッジエリアが小さくなります。固定リレー局は、セルラーネットワークにおいて戦略的かつ費用対効果の高い方法で導入することで、カバレッジの拡大、総送信電力の削減、トラフィック需要の高い特定地域の容量向上、信号受信の改善などを実現できます。リレー局からの信号と、場合によってはBSからのソース信号を組み合わせることで、移動局（MS）はリレーチャネル固有の多様性を活用することができます。固定リレーの欠点は、中継プロセスで発生する遅延の増加と、RSにおける周波数再利用による干渉レベルの上昇の可能性です。最も成熟した協調型MIMO技術の一つとして、固定リレー局は主要なセルラー通信規格で大きな支持を得ています。[ 8 ] [ 9 ]

モバイルリレー

モバイルリレーは、RS が移動可能であり、ネットワークのインフラストラクチャとして展開されないという点で、固定リレーとは異なります。そのため、モバイルリレーは、変化するトラフィックパターンに対応し、異なる伝播環境に適応する上でより柔軟です。たとえば、ターゲット MS が一時的にチャネル状態が悪い場合や、比較的高速なサービスが必要な場合、近隣の MS はターゲット MS に情報を中継することで、マルチホップカバレッジを提供したり、データレートを上げたりすることができます。さらに、モバイルリレーを使用すると、ネットワークの展開をより迅速かつ低コストで行うことができます。固定リレーと同様に、モバイルリレーはカバレッジエリアを拡大し、全体的な送信電力を削減し、セルエッジの容量を増やすことができます。一方、モバイルリレーは日和見的な性質のため、ネットワークトポロジが非常に動的かつ不安定であり、固定リレーよりも信頼性が低くなります。

モバイルユーザーリレーは、分散型MSが無線アドホックネットワークへと自己組織化することを可能にし、マルチホップ伝送を用いてセルラーネットワークインフラを補完します。研究によると、モバイルユーザーリレーは、十分なインフラサポートがあれば、ユーザーのスループットの合計として測定されるネットワーク容量がユーザー数に比例して拡張できるという根本的な利点を持っています。[ 10 ] [ 11 ]したがって、モバイルユーザーリレーは将来のセルラーシステムにとって望ましい拡張機能です。しかしながら、モバイルユーザーリレーは、ルーティング、無線リソース管理、干渉管理といった課題に直面しています。

LTEにおけるデバイス間通信（D2D）はモバイルリレーへの一歩です。[ 12 ]

協調的部分空間符号化

協調MIMOでは、デコード処理において、N T個の元のデータシンボルのN R個の線形結合を収集します。ここで、 N Rは通常、受信ノードの数、N Tは送信ノードの数です。デコード処理は、N R個の線形方程式の連立方程式を解くことと解釈できます。ここで、未知数の数は、データシンボル（ N T ）と干渉信号の数に等しくなります。したがって、データストリームを正常にデコードするには、独立した線形方程式の数（N R ）が、少なくともデータストリーム（ N T）と干渉ストリーム の数に等しくなければなりません。

協調的部分空間符号化（線形ネットワーク符号化とも呼ばれる）では、ノードは、自然にランダムな散乱環境の測定値から選択される係数を持つ元のパケットのランダム線形結合を送信する。あるいは、散乱環境を利用して送信を符号化する。[ 13 ]空間サブチャネルが互いに十分に無相関である場合、受信機が線形独立な結合を取得する（したがって革新的な情報を取得する）確率は1に近づく。ランダム線形ネットワーク符号化は優れたスループット性能を有するが、受信機が十分な数のパケットを取得できない場合、元のパケットを復元できる可能性は極めて低い。この問題は、受信機が復号化を可能にするのに十分な数の符号化パケットを取得するまで、追加のランダム線形結合を送信する（例えば、MIMOチャネル行列のランクを上げる、またはチャネルコヒーレンス時間よりも後の時間に再送信する）ことで対処できる。[ 14 ]

協力的サブスペース符号化は、復号計算量が非常に複雑です。しかし、協力的MIMO無線では、MIMO復号はランダム線形ネットワーク復号と同等か、あるいは同様の手法を既に採用しています。ランダム線形ネットワーク符号は、符号化ブロックに付加された大きな係数ベクトルのために、大きなオーバーヘッドを伴います。しかし、協力的MIMO無線では、係数ベクトルは既知のトレーニング信号から測定することができ、これはチャネル推定で既に実行されています。最後に、符号化ベクトル間の線形依存性は、革新的な符号化ブロックの数を減らします。しかし、無線チャネルにおける線形依存性はチャネル相関の関数であり、これは協力的MIMOによって解決される問題です。

セルフリー大規模MIMO

セルフリー大規模MIMOは、セル境界の概念を排除することで協力MIMOを一般化した関連概念です。セルフリーネットワークでは、多数の分散型アクセスポイント（AP）が、集中的な調整の下、同一の時間・周波数リソースを介してすべてのユーザーに共同でサービスを提供します。CoMPや従来のネットワークMIMOでは、通常、事前定義されたセル内の限られた数の基地局間で協力が行われますが、セルフリーMIMOでは、すべてのAPを単一の仮想アンテナアレイとして扱います。このアーキテクチャは、均一なサービス品質を提供し、設計によってセル間干渉を軽減します。[ 15 ]

歴史

協調型MIMOの導入以前は、セル間干渉を軽減するためにセルラー基地局間の共同処理が提案されていました[ 16 ]。また、協調型ダイバーシティ[ 17 ]はリレーを用いたダイバーシティゲインの向上を実現しましたが、その代償としてスペクトル効率が低下しました。しかし、これらの技術はいずれも干渉を空間多重化ゲインに利用しておらず、スペクトル効率を劇的に向上させる可能性があります。

2001年に、協調型MIMOは、Idris Communicationsの科学者であるSteve Shattilによって暫定特許出願[ 18 ]で導入され、協調型マルチポイントおよび固定リレーを開示し、その後、S. ShamaiとBM Zaidelがシングルユーザーセルのダウンリンク共同処理における「ダーティペーパー」プリコーディングを提案した論文が続きました。[ 19 ] 2002年に、Shattilは、米国特許番号7430257 [ 20 ]および米国公開番号20080095121で、協調型MIMOのモバイルリレーおよびネットワークコーディングの側面を導入しました。[ 21 ]協調型MIMOでのソフトウェア定義無線（SDR）および分散コンピューティングの実装は、米国特許番号7430257（2002年）および8670390 [ 22 ] （2004年）で導入され、クラウド無線アクセスネットワーク（ C-RAN ）の基礎となりました。

協調MIMOのサーバー側実装は、 4Gセルラー仕様に初めて採用され、 5Gには不可欠です。CoMPと固定リレーは、データセンターにベースバンド処理リソースをプールし、セルラー基地局の代わりに、シンプルで安価な無線端末（リモート無線ヘッドなど）を高密度に展開することを可能にします。これにより、処理リソースをネットワーク需要に合わせて容易に拡張でき、分散アンテナにより、各ユーザーデバイスにシステムの全スペクトル帯域幅を提供できるようになります。しかし、ユーザーあたりのデータ帯域幅は依然として利用可能なスペクトル量によって制限されており、ユーザーあたりのデータ使用量が増加し続けているため、これは懸念事項です。

クライアント側協調 MIMO の採用は、サーバー側協調 MIMO に比べて遅れています。モバイル リレーなどのクライアント側協調 MIMO は、クラスター内のクライアント デバイス間で処理負荷を分散できるため、クラスターの拡大に合わせてプロセッサあたりの計算負荷をより効率的に拡張できます。クライアント デバイスを調整するためのオーバーヘッドは追加されますが、クラスター内のデバイスは、短距離無線リンクを介して無線チャネルと空間サブチャネルを共有できます。つまり、クラスターが大きくなるにつれて、ユーザーあたりの利用可能な瞬間データ帯域幅も大きくなります。したがって、ユーザーあたりのデータ帯域幅が物理法則 (つまり、シャノン - ハートレーの定理) によって厳密に制限されるのではなく、データ帯域幅は計算処理能力によってのみ制約され、計算処理能力はムーアの法則に従って向上し続けます。クライアント側協調 MIMO には大きな可能性がありますが、ユーザーベースのインフラストラクチャは、サービス プロバイダーにとって収益化が難しく、追加の技術的課題があります。

モバイルリレーは全体的な伝送エネルギーを削減できますが、この節約分は計算処理の増加に必要な回路エネルギーによって相殺される可能性があります。一定の伝送距離閾値を超えると、協力型MIMOは全体的なエネルギー削減を実現することが示されています。[ 23 ]協力型MIMOにおける最も重要かつ困難な課題の一つであるタイミングと周波数のオフセットを処理するための様々な技術が開発されています。[ 24 ] [ 25 ]最近では、効率的なMACプロトコルの開発に研究が集中しています。[ 26 ]

数学的記述

このセクションでは、CoMPシステムにおける協調MIMOダウンリンクチャネルのシステムモデルを用いたプリコーディングについて説明します。基地局グループは、M本の送信アンテナを集約してK個のユーザーと同時に通信を行います。

ユーザーk（k = 1,..., K）はN k 本の受信アンテナを持つ。BSからk番目のユーザーへのチャネルモデルは、 N k × Mのチャネル行列H kで表される。

s k をk番目のユーザの送信シンボルベクトルとする。ユーザkに対して、データベクトルs kをM ×1 の送信ベクトルW k × s kに変換する線形送信プリコーディング行列W kが BS によって使用される。k番目のユーザにおける受信信号ベクトルは、次のように表される。 yけ＝HけWけsけ+Hけ∑私≠けW私s私+nけ{\displaystyle \mathrm {y} _{k}=\mathrm {H} _{k}\mathrm {W} _{k}\mathrm {s} _{k}+\mathrm {H} _{k}\sum _{i\neq k}\mathrm {W} _{i}\mathrm {s} _{i}+\mathrm {n} _{k}}

ここで、n k = [ n k, 1 , …, n k,Nk ] Tはk番目のユーザー のノイズベクトルを表し、(.) T は行列またはベクトルの転置を表します。ノイズベクトルn kの成分n k,iは、 k = 1,..., Kおよびi = 1,..., N kに対して、平均0、分散σ 2の独立成分独立分布です。最初の項H k W k s kは希望信号を表し、2番目の項は ユーザーkが受信する干渉を表します。 Hけ∑私≠けW私s私{\displaystyle \mathrm {H} _{k}\sum _{i\neq k}\mathrm {W} _{i}\mathrm {s} _{i}}

ネットワークチャネルはH = [ H 1 T ,..., H K T ] Tと定義され、すべてのユーザーが受信する対応する信号セットは次のように表されます。

y = HWs + n、

ここで、H = [ H 1 T ,..., H K T ] T 、 y = [ y 1 T ,…, y K T ] T 、 W = [ W 1 T ,..., W K T ] T 、 s = [ s 1 T ,…, s K T ] T、n = [ n 1 T ,..., n K T ] T です。

プリコーディング行列Wは、協調 MIMO システムのパフォーマンスを向上させるために、チャネル情報に基づいて設計されます。

あるいは、受信側での処理（空間多重分離）によって送信されたシンボルを分離する。プリコーディングがない場合、すべてのユーザーが受信する信号集合は次のように表される。

y = Hs + n

受信信号は空間多重化行列Gで処理され、送信シンボルが復元されます。 s^＝Gy＝G（Hs+n）{\displaystyle {\hat {\mathrm {s} }}=\mathrm {Gy} =\mathrm {G} {\bigl (}\mathrm {Hs} +\mathrm {n} {\bigr )}}

一般的なプリコーディングの種類には、ゼロフォーシング（ZF）、最小平均二乗誤差（MMSE）プリコーディング、最大比伝送（MRT）、ブロック対角化などがあります。一般的な空間多重分離には、ZF、MMSE合成、逐次干渉除去などがあります。

参照

参考文献

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さらに読む

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