MIMOとビームフォーミング

概要

リンクの両端のどちらかにアンテナを追加すると、利用できる新しい次元が得られます。同じハードウェアを3通りに使えます。ダイバーシチは、フェージングで信号が失われる可能性を下げるためにアンテナを使います。空間多重は、同じ帯域幅で複数のデータストリームを同時に送ります。ビームフォーミングは、エネルギーを特定のユーザーに集中させ、他のユーザーからそらします。現行のセルラー規格とWi-Fi規格はすべてこの3つに依存しています。ミリ波帯では、ビームフォーミングがなければリンクバジェットがそもそも成り立ちません。

このハブは、MIMOのランク、プリコーダ、ビームレポートが何を意味するか、アンテナを何本増やせばどれだけの効果があるか、基地局のアレイがなぜ今の形で作られているかを理解する必要があるエンジニア向けです。

重要な考え方

ダイバーシチ

2本のアンテナが十分に離れていれば（散乱の多い環境では通常、半波長以上）、両者のフェージングはほぼ独立になります。両方が同時にフェージングする確率は、一方がフェージングする確率よりはるかに小さくなります。最大比合成による受信ダイバーシチは、各ブランチに共役チャネル利得の重みを掛けて加算します。これにより、平均SNRに対するアレイ利得と、誤り率曲線を急峻にするダイバーシチ利得が得られます。L本の独立なブランチがあると、高SNRでの誤り率はおおよそSNRの−L乗で低下します。

送信ダイバーシチには工夫が必要です。送信機はチャネルを知らないからです。Alamoutiが1998年に提案した方式は、2つのシンボルを2本のアンテナと2つのタイムスロットで送ります。その送り方により、送信側にチャネル情報がなくても、簡単な線形受信機で2次のフルダイバーシチが得られます。

空間多重

送信アンテナがNt本、受信アンテナがNr本で、チャネルの条件が良ければ、リンクは最大min(Nt, Nr)本の並列ストリームを運べます。このストリームをレイヤと呼びます。各レイヤは空間的な自由度の1つです。そのため高SNRでの通信路容量は、電力に対して対数的にではなく、レイヤ数に比例して線形に増えます。この結果は、後掲のFoschiniとGansの論文、およびTelatarの論文で示されています。ここではチャネルの条件が重要です。見通し内や散乱の少ないチャネルでは、チャネル行列のランクが1に近くなり、追加のストリームはほとんど情報を運びません。受信機は、線形MMSE検出、逐次干渉キャンセル、または準最尤探索でレイヤを分離します。

3GPP TS 38.300（Release 19版）では、NRはシングルユーザーの空間多重で、UEあたり下りリンクで最大8レイヤをサポートします。上りリンクでは、UEは能力に応じて最大4レイヤまたは最大8レイヤをサポートし、DFT-s-OFDMは1レイヤに限られます。リンクが実際に何レイヤを使うかは、UEの能力とチャネルのランクで決まります。

プリコーディングとチャネル情報

プリコーディングは、送信信号をチャネルに合わせて整形します。レイヤを最も強い空間方向に向け、マルチユーザーMIMOではユーザー間の信号を分離します。そのためには送信側でチャネル状態情報（CSI）が必要です。CSIを得る方法は2つあります。フィードバックを使う方法では、基地局がCSI参照信号を送り、UEがランク、コードブックから選んだプリコーダ、チャネル品質インジケータを報告します。TS 38.214は、粗いビーム選択を行うType Iコードブックと、チャネルをより詳細に記述するType IIコードブックを規定しています。TDDで使われる相反性を利用する方法では、UEがサウンディング参照信号を送ります。基地局は送受信系統を校正した上で、上りリンクから下りリンクのチャネルを推定します。古典的な線形プリコーダには、ゼロフォーシングと正則化ゼロフォーシングがあります。ゼロフォーシングは雑音強調と引き換えにユーザー間干渉を除去し、正則化ゼロフォーシングは両者のバランスをとります。

Massive MIMOとビームフォーミングの構成

Massive MIMOは、非常に多くのアンテナを持つ基地局で多数のユーザーを同時に収容します。基地局アンテナ数に制限のないセルを扱ったMarzettaの2010年の論文が、通常の出発点です。アレイが大きくなると、異なるユーザーへのチャネルはほぼ直交し、小規模フェージングは平均化されます。そのため簡単な線形処理でよく機能します。制約要因は、同じパイロット系列を再利用するセル間のパイロット汚染になります。セルラーネットワークでこの考え方がどう使われるかは、用語集と5G NRハブで扱っています。

アレイの駆動方法は、コストと電力で決まります。完全デジタルビームフォーミングは、各素子に専用のRFチェーンと変換器を持たせます。柔軟性は最も高いものの、消費電力も最も大きくなります。アナログビームフォーミングは1つのRFチェーンと移相器ネットワークを使うため、一度に1つのビームしか形成できません。下図のハイブリッドビームフォーミングはその中間です。小規模なデジタルプリコーダが少数のRFチェーンに信号を送り、各RFチェーンが移相器を介して多数の素子を駆動します。ミリ波ではこれが一般的な選択です。ミリ波ではアレイが大きく、その帯域幅に対応する変換器の消費電力が大きいためです。NRのビーム管理手順では、同期信号ブロックとCSI参照信号でビームを掃引し、UEが最良のビームを報告できるようにします。

どこから始めるか

入門トラックで基礎を身につけます。ダイバーシチが対処するフェージングについては/learn/beginner/07-fading-channels/を読んでください。LTE、NR、Wi-FiのMIMOはサブキャリアごとに動作するため、/learn/beginner/08-ofdm-from-scratch/も読んでください。MIMO検出、プリコーディング、ビームフォーミングに関する中級レッスンは準備中です。/reference/capacity-and-spectral-efficiency/と用語集を手元に開いておいてください。

ツールとプラットフォーム

マルチチャネル無線機の仕様は/reference/hardware/にあります。

よくある間違い

• N本のアンテナでスループットがN倍になると想定する。それを決めるのはチャネルのランクと条件である。
• 独立なレイリー要素でMIMOをシミュレーションし、見通し内のラボでも同じランクが得られると期待する。
• コヒーレンス時間より古いチャネル状態を使う。高速で移動するユーザーでは、CSIに基づくプリコーディングが破綻する。
• TDDで相反性校正を忘れる。無線区間のチャネルは相反的だが、トランシーバの系統は相反的ではない。
• 共通の基準クロックとLOなしでマルチチャネル無線機を動かし、ランダムな位相ドリフトをアルゴリズムのせいにする。

さらに深く

• S. M. Alamouti, A simple transmit diversity technique for wireless communications, 「IEEE Journal on Selected Areas in Communications」16(8), 1998。
• G. J. Foschini and M. J. Gans, On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas, 「Wireless Personal Communications」6(3), 1998。E. Telatar, Capacity of multi-antenna Gaussian channels, 「European Transactions on Telecommunications」10(6), 1999。
• T. L. Marzetta, Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas, 「IEEE Transactions on Wireless Communications」9(11), 2010。
• E. G. Larsson, O. Edfors, F. Tufvesson and T. L. Marzetta, Massive MIMO for next generation wireless systems, 「IEEE Communications Magazine」52(2), 2014。E. Björnson, J. Hoydis and L. Sanguinetti, Massive MIMO networks, 「Foundations and Trends in Signal Processing」11(3-4), 2017。
• O. El Ayach et al., Spatially sparse precoding in millimeter wave MIMO systems, 「IEEE Transactions on Wireless Communications」13(3), 2014。R. W. Heath et al., An overview of signal processing techniques for millimeter wave MIMO systems, 「IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing」10(3), 2016。
• D. Tse and P. Viswanath, 「Fundamentals of Wireless Communication」, Cambridge University Press, 2005, 第7章。NRのCSI報告とコードブックについては3GPP TS 38.214。