1 リアルタイム伝搬測定にもとづく MIMO 固有モード間相関解析 Correlation Analysis of MIMO Eigenmodes Based on Real-Time Channel Measurement 水谷慶阪口啓高田潤一荒木純道 Kei Mizutani Kei Sakaguchi Jun-ichi Takada Kiyomichi Araki 東京工業大学
発表内容 研究背景 研究目的 MIMO 固有モード伝送システム 理想的な場合 フィードバック遅延がある場合 固有モード間干渉 固有モード間の相関特性 固有モード間干渉を考慮した伝送容量 信号対干渉 雑音電力比 フィードバック遅延の有無による伝送容量の比較 まとめ 2
3 研究背景 MIMO 固有モード伝送システム 送受信ビームフォーミング伝送容量最大 Tx weight V Scatterer MIMO channel H=UDV H 3 rd eigenmode Receiver 1 st eigenmode Transmitter 2 nd eigenmode Scatterer Rx weight U H
研究目的 動的伝搬路フィードバック遅延による特性劣化 伝搬測定データを用いて, 伝搬路に時間変動がある場合の固有モード間相関特性とその影響を解析 Tx weight V(n 1) Feedback delay Scatterer n: Discrete time index Receiver Transmitter Scatterer Rx weight U(n) H 4
5 MIMO 固有モード伝送システム ~ 理想的な場合 ~ チャネル行列 受信信号 y = H s + n 特異値分解 H = U D V H D = 受信ウェイト 白色雑音 送信信号 送信ウェイト y = U H (H V s + n) = D s + U H n 4 4 MIMOシステムでは特異値 1 2 3 4 利得の異なる直交した SISO チャネルに分離 対角行列 ユニタリ行列
6 MIMO 固有モード伝送システム ~ フィードバック遅延がある場合 ~ 時刻 n の受信ウェイト 時刻 n 1 の送信ウェイト y(n) = U(n) H {H(n) V(n 1) s(n) + n(n)} = D(n) V(n) H V(n 1) s(n) + U(n) H n(n) V(n) と V(n 1) の相関が固有モード間の直交性を左右 第 i 固有モードの右特異ベクトル v i = v 1 右特異行列 v 2 v 3 V = v 1 v 2 v 3 v 4 v 4
7 V(n) と V(n 1) の相関行列 固有モード間干渉 R(n) = V(n) H V(n 1) R ij (n) = v i (n) H v j (n 1) ( 相関係数 ) 時間変動により V(n) と V(n 1) の相関が低くなると R(n) = < 1 : 自モードの利得減少 > : 他モードからの干渉増加 y = D(n) R(n) s(n) + U(n) H n(n)
8 測定環境と主要諸元 Tx antennas Tx antennas Door Rx antennas 8.1m Shelf Desk Desk Desk Desk Desk Shelf Locker Locker Tx Partition Shelf Tx antennas 1 2 Shelf 3 λ/2 4 Rx antennas Table 中心周波数送受信アンテナトレーニング信号測定間隔測定時間 5.6GHz 半波長間隔 4 素子 ULA IEEE82.11a 準拠 OFDM 約 27ms 18s Rx Shelf Desk Desk Rx antennas Desk 4 3 2 1 Desk λ/2 7.3m Desk Shelf
9 Correlation coefficient 1.8.6.4.2 固有モード間の相関特性 ~ 第 1 固有モード ~ フィードバック遅延があると, 環境の変動により他モードとの相関が発生固有モード間干渉 with 1st eigenmode with 2nd eigenmode with 3rd eigenmode with 4th eigenmode 5 1 15 18 他のモードからの干渉
Correlation coefficient 1.8.6.4.2 固有モード間の相関特性 ~ 第 2~4 固有モード ~ 第 2 固有モード Correlation coefficient 1.8.6.4.2 第 3 固有モード Correlation coefficient 1.8.6.4.2 5 1 15 第 4 固有モード 18 5 1 15 with 1st eigenmode with 2nd eigenmode with 3rd eigenmode with 4th eigenmode 18 5 1 15 18 1
11 固有モード間干渉を考慮した伝送容量 第 i 固有モードの瞬時伝送容量 ( 各固有モードの送信電力 P, 雑音電力 σ 2 ) 信号電力 C i =log 2 1 PR 2 ii i 2 j i PR ij 2 i [bps/hz] 雑音電力 信号対干渉 雑音電力比 (SINR) 信号対雑音電力比が高いと干渉による劣化が支配的 干渉電力
12 信号対干渉 雑音電力比 固有モード間干渉により, 信号対干渉 雑音電力比は 2 3 db 容易に劣化 1st eigenmode 2nd eigenmode 3rd eigenmode 4th eigenmode 5 フィードバック遅延なし 5 フィードバック遅延あり 4 4 SINR [db] 3 2 1 SINR [db] 3 2 1 5 1 15 18 5 1 15 18
13 フィードバック遅延の有無による伝送容量の比較 信号対干渉 雑音電力比の劣化に伴い伝送容量は大きく損失 1st eigenmode 2nd eigenmode 3rd eigenmode 4th eigenmode Total フィードバック遅延なし フィードバック遅延あり Capacity [bps/hz] 5 4 3 2 1 Capacity [bps/hz] 5 4 3 2 1 5 1 15 18 5 1 15 18
14 Capacity loss rate 1.8.6.4.2 理想フィードバック時の伝送容量に対する割合 フィードバック遅延がある場合, 平均して 4 割程度の伝送容量しか得られない! Capacity loss rate Average 固有ビーム空間における干渉キャンセラが必須! 5 1 15 18
まとめ リアルタイム伝搬測定データを用いてフィードバック遅延がある場合の MIMO 固有モード間相関特性を解析 固有モード間干渉により伝送容量が大きく劣化 今後の課題 干渉キャンセラ型固有モード伝送システムとの比較 フィードバック遅延の大小による特性比較 15
16 干渉キャンセラ型との比較 ロバスト性は向上 雑音強調による劣化あり 1 ~Beamspace ZF~ Feedback SVD Beamspace ZF Capacity loss rate.8.6.4.2 5 1 15 18