MIMO-OFDM

MIMO-OFDM（多入力多出力直交周波数分割多重方式）は、 4Gおよび5Gブロードバンド無線通信における主要な無線インターフェースです。これは、複数のアンテナで異なる信号を送信することで容量を増加させるMIMO （多入力多出力）技術と、無線チャネルを多数の近接したサブチャネルに分割することで高速通信の信頼性を高めるOFDM（直交周波数分割多重方式）技術を組み合わせたものです。1990年代半ばに行われた研究では、MIMOは時分割多元接続（TDMA）や符号分割多元接続（CDMA）などの他の一般的な無線インターフェースと併用できますが、より高いデータレートではMIMOとOFDMの組み合わせが最も実用的であることが示されました。

MIMO-OFDM は、最高のスペクトル効率を実現し、したがって最高の容量とデータ スループットを実現するため、最先端のワイヤレス ローカル エリア ネットワーク (ワイヤレス LAN ) およびモバイル ブロードバンドネットワーク標準の基盤となっています。Greg Raleigh は 1996 年に MIMO を発明しました。このとき、空間を送信した信号は物体 (地面など) で反射し、複数の経路を通って受信機に届くという性質を利用して、異なるデータ ストリームを同じ周波数で同時に送信できることを示しました。つまり、複数のアンテナを使用してデータをプリコーディングすることで、異なるデータ ストリームを異なる経路で送信できるということです。Raleigh は、高速での MIMO に必要な処理は OFDM 変調を使用すると最も管理しやすくなることを提案し、後にそれを証明しました。これは、OFDM が高速データ チャネルを多数の並列の低速チャネルに変換するためです。

手術

現代の用法では、「MIMO」という用語は、複数の送信アンテナ（複数の入力）と複数の受信アンテナ（複数の出力）の存在だけを指すのではありません。複数の送信アンテナはビームフォーミングに、複数の受信アンテナはダイバーシティに使用できますが、「MIMO」という言葉は、複数の信号を同時に送信（空間多重化）してスペクトル効率（容量）を高めることを指します。

従来、無線技術者は、自然なマルチパス伝搬を軽減すべき障害として扱ってきました。MIMOは、マルチパス伝搬を活用すべき現象として扱う初めての無線技術です。MIMOは、複数の同一場所に配置されたアンテナを介して複数の信号を送信することで、無線リンクの容量を増大させます。これは、追加の電力や帯域幅を必要とせずに実現されます。異なるアンテナを介して送信される信号が互いに直交することを保証するために、時空間符号が採用されており、これにより受信機は各アンテナを区別しやすくなります。2つの局間に見通し線がある場合でも、デュアルアンテナ偏波を使用することで、複数の堅牢なパスを確保できます。

OFDMは、ユーザーデータを多数の近接した狭帯域サブチャネルに分散させることで、信頼性の高い広帯域通信を可能にします。[ 1 ]この構成により、信頼性の高い広帯域通信の最大の障害である符号間干渉（ISI）を排除できます。ISIは、連続するシンボル間の重なりがシンボルの持続時間に比べて大きい場合に発生します。通常、データレートが高いほどシンボル持続時間が短くなるため、ISIのリスクが高まります。高速データストリームを多数の低速データストリームに分割することで、OFDMはシンボル持続時間を長くすることができます。巡回プレフィックス（CP）を挿入することで、ISIを完全に防止する（時間）ガードインターバルを作成できます。ガードインターバルが遅延スプレッド（チャネルを介して送信されるシンボルが経験する遅延の差）よりも長い場合、隣接するシンボル間の重なりはなくなり、結果として符号間干渉も発生しません。CPは利用可能な帯域幅のわずかな割合を消費することでスペクトル容量をわずかに減少させますが、ISIの排除を考えると、非常に価値のあるトレードオフとなります。

OFDMの主な利点は、高速フーリエ変換（FFT）を用いて実装を簡素化できることです。フーリエ変換は、信号を時間領域と周波数領域の間で相互に変換します。そのため、フーリエ変換は、複雑な波形を一連の単純な正弦波に分解できるという事実を利用できます。信号処理アプリケーションでは、離散フーリエ変換（DFT）を用いてリアルタイム信号サンプルを処理します。DFTは複合OFDM信号に適用できるため、個々のサブキャリアに関連付けられた発振器と復調器のバンクは不要です。高速フーリエ変換は、コンピュータがDFT計算を実行するために使用する数値アルゴリズムです。[ 2 ]

FFTはOFDMにおける帯域幅の効率的な利用も可能にします。サブチャネル間の周波数間隔は、時間領域波形が互いに直交するのに十分な間隔でなければなりません。実際には、サブチャネル間の周波数が部分的に重なることが許容されます。

MIMO-OFDMは、MIMOがマルチパス伝播の緩和を試みず、OFDMが信号イコライゼーションを必要としないため、特に強力な組み合わせです。MIMO-OFDMは、送信機がチャネル状態情報（CSI）を持たない場合でも、非常に高いスペクトル効率を実現できます。送信機がCSI（トレーニングシーケンスを使用して取得可能）を持つ場合、理論的なチャネル容量に近づくことが可能です。CSIは、例えば、個々のサブキャリアに異なるサイズの信号コンステレーションを割り当てるために使用でき、任意の時点で通信チャネルを最適に活用できます。

最近の MIMO-OFDM の開発には、マルチユーザー MIMO (MU-MIMO)、高次 MIMO 実装 (空間ストリーム数の増加)、および今後の 5G 標準に組み込むための大規模 MIMO および協調 MIMO (CO-MIMO) に関する研究が含まれます。

MU-MIMOは、ギガビット/秒レベルの速度を提供する最初のWi-Fi規格であるIEEE 802.11ac規格の一部です。MU-MIMOにより、アクセスポイント（AP）は最大4台のクライアントデバイスに同時に送信できます。これにより競合による遅延は排除されますが、信号を適切に送信するために頻繁なチャネル測定が必要になります。各ユーザーは、利用可能な8つの空間ストリームのうち最大4つを使用できます。例えば、8本のアンテナを持つAPは、4本のアンテナを持つ2台のクライアントデバイスと通信し、それぞれに4つの空間ストリームを提供できます。あるいは、同じAPがそれぞれ2本のアンテナを持つ4台のクライアントデバイスと通信し、それぞれに2つの空間ストリームを提供できます。[ 3 ]

マルチユーザーMIMOビームフォーミングは、単一空間ストリームのデバイスにもメリットをもたらします。MU-MIMOビームフォーミング以前は、複数のクライアントデバイスと通信するアクセスポイントは、一度に1つのデバイスにしか送信できませんでした。MU-MIMOビームフォーミングでは、アクセスポイントは同一チャネルで最大4つの単一ストリームデバイスに同時に送信できます。

802.11ac規格は、シングルユーザーモードにおいて8つの空間ストリームを使用し、最大6.93Gbpsの速度をサポートします。最大データレートは、5GHz帯のオプションの160MHzチャネルと256QAM（直交振幅変調）の使用を前提としています。6つの空間ストリームをサポートするチップセットが導入されており、8つの空間ストリームをサポートするチップセットも開発中です。

Massive MIMOは、MU-MIMO環境で動作する多数の基地局アンテナで構成されています。[ 4 ] LTEネットワークはすでに2つの空間ストリームを使用する端末をサポートしており、4つの空間ストリームをサポートできる端末アンテナ設計がテストされていますが、Massive MIMOは単一の空間ストリームの端末でも大幅な容量増加を実現できます。繰り返しになりますが、MU-MIMOビームフォーミングは、基地局が独立したデータストリームを複数の端末に同時に同一チャネルで送信できるようにするために使用されます。しかし、まだ研究によって答えられていない疑問が1つあります。それは、基地局にアンテナを追加するのに最適な時期はいつで、スモールセルを追加するのに最適な時期はいつなのかということです。

5Gワイヤレス研究のもう一つの焦点はCO-MIMOです。CO-MIMOでは、基地局クラスターが連携して性能を向上させます。これは、端末からの信号受信を改善するマクロダイバーシティや、ダウンリンクデータレートを向上させるマルチセル多重化などを用いて実現できます。しかし、CO-MIMOでは、連携する基地局間の高速通信が不可欠です。

歴史

グレゴリー・ローリーは、OFDMと組み合わせてMIMOを使用することを初めて提唱しました。理論論文では、適切なタイプのMIMOシステム（複数の共存アンテナが多次元コーディングとエンコーディングを使用して複数の情報ストリームを送受信する）を使用すると、マルチパス伝搬を利用してワイヤレスリンクの容量を増やすことができることを証明しました。[ 5 ]それまで、無線技術者は、マルチパス伝搬の影響を軽減することで、実際のチャネルを理想的なチャネルのように動作させようとしました。しかし、軽減戦略は一度も完全に成功したことはありませんでした。マルチパス伝搬を利用するには、時間とともに変化する分散的なマルチパスチャネルで堅牢に動作する変調およびコーディング手法を特定する必要がありました。ローリーは、時間とともに変化する条件下でのMIMO-OFDM、MIMO-OFDMチャネル推定、MIMO-OFDM同期手法、および最初の実験的なMIMO-OFDMシステムの性能に関する追加の研究を発表しました。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

Raleigh は、博士論文の中で 3 つの主要な変調技術である直交振幅変調(QAM)、直接スペクトル拡散(DSSS)、および離散マルチトーン(DMT)を使用して MIMO のパフォーマンスを分析し、OFDM のケースを確固たるものにしました。 [ 10 ] QAM は、ISI に対処するためにイコライゼーションを使用する TDMA などの狭帯域方式の代表です。DSSS は、マルチパスを補正するためにrake 受信機を使用するもので、CDMA システムで使用されます。DMT は、ISI を除去するためにインターリーブとコーディングを使用するもので、OFDM システムの代表です。分析は、3 つの変調方式の MIMO チャネル マトリックス モデルを導出し、計算の複雑さを定量化し、それぞれについてチャネル推定と同期の課題を評価することで実行されました。モデルにより、イコライザ付き QAM または rake 受信機付き DSSS を使用する MIMO システムでは、データ レートが増加すると計算の複雑さが 2 乗的に増加すること対照的に、MIMO を DMT と併用すると、データ レートが増加するにつれて計算の複雑さは対数線形 (つまり、n log n) に増加します。

その後、ローリーは1996年にクラリティ・ワイヤレス社、 2001年にエアゴ・ネットワークス社を設立し、この技術を商用化しました。クラリティ社はブロードバンド・ワイヤレス・インターネット・フォーラム（BWIF）で仕様を策定し、MIMOをサポートするIEEE 802.16（WiMAXとして商用化）およびLTE規格の策定に貢献しました。エアゴ社は、後にIEEE 802.11n規格となる最初のMIMO-OFDMチップセットを設計・出荷しました。MIMO-OFDMは802.11ac規格でも使用されており、 802.11axおよび第5世代（5G ）携帯電話システムで重要な役割を果たすことが期待されています。

マルチユーザーMIMOに関する初期の論文は、香港科技大学のロス・マーチらによって発表されました。[ 11 ] MU-MIMOは802.11ac規格（2011年に開発開始、2014年に承認）に含まれていました。MU-MIMOの容量は、「Wave 2」として知られる製品で初めて実現されました。クアルコムは2014年4月にMU-MIMOをサポートするチップセットを発表しました。[ 12 ]

ブロードコムは2014年4月に、最大3.2Gbit/sのデータレートで6つの空間ストリームをサポートする最初の802.11acチップセットを発表しました。クォンテナは、最大10Gbit/sのデータレートで8つの空間ストリームをサポートするチップセットを開発中であると発表しました。[ 13 ]

現在、5Gワイヤレスに関する研究では、Massive MIMO、Cooperative MIMO（CO-MIMO）、HetNet（異種ネットワーク）が焦点となっています。5G規格の策定は2016年に開始される予定です。現在までに著名な研究者には、Jakob Hoydis氏（アルカテル・ルーセント）、Robert W. Heath氏（テキサス大学オースティン校）、Helmut Bölcskei氏（ETHチューリッヒ校）、David Gesbert氏（EURECOM）などがいます。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

5G技術の試験はサムスンによって実施されている。[ 18 ]日本の通信事業者NTTドコモは、アルカテル・ルーセント、エリクソン、富士通、NEC、ノキア、サムスンと共同で5G技術の試験を行う予定である。[ 19 ]

参考文献

  1. ^ LaSorte, Nick; et al. (2008).直交周波数分割多重化の歴史(PDF) . IEEE GLOBECOM 2008 カンファレンス. doi : 10.1109/GLOCOM.2008.ECP.690 .
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