計算機アーキテクチャ 第5, 6回...
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計算機アーキテクチャ (第5, 6回) 西森 健太郎
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計算機アーキテクチャ (第5, 6回)
西森 健太郎
第3章： マルチユーザMIMO技術
3.1 多元接続3.2 マルチユーザMIMOにおける課題3.3 マルチユーザMIMO用送信指向性制御3.4 マルチユーザMIMO用信号分離技術3.5 ユーザスケジューリング3.6 マルチユーザMIMOの基本特性
3.1 多元接続3.2 マルチユーザMIMOにおける課題
多元接続 (1)
ユーザをどの軸により分割して通信を行うかを決定する方法
• FDMA (Frequency Division Multiple Access)ユーザごとに異なる周波数チャネルを用いて通信
• TDMA (Time Division Multiple Access)ユーザごとに異なる時間スロットを用いて通信
• CDMA (Code Division Multiple Access)ユーザごとに異なる拡散符号を用いて通信
64
多元接続 (2)
FDMA TDMA CDMA
符号
時間
周波数
符号
時間
周波数
符号
時間
周波数
• 携帯電話，第一世代での方式
• OFDMA (WiMAX)
• 携帯電話，第2世代での方式
• LTE
• 携帯電話，第3世代での方式
User 1User 2
User 3
空間領域による多元接続 = SDMA (Space Division Multiple Access)
65
11, tf
11, tf11, tf
ユーザ #1ユーザ #2
ユーザ #3
マルチユーザMIMO (MU-MIMO) の概念
SDMA : Space Division Multiple Access
基地局の異なる指向性を用い，複数のユーザが同時に通信．
基地局
基地局 vs. 複数ユーザのアンテナをMIMOチャネルとして考えると，
SDMA＝マルチユーザMIMO
• 簡易端末(少ない素子数)によるMIMO伝送が実現可能．• LTE/LTE-Advanced (3.9/4G 携帯電話システム)，IEEE802.11ac(次世代無線LAN) などで検討．
::
1
1
tf 周波数
時間
66
SDMA？ マルチユーザMIMO？
SDMAと呼ぶべきか，マルチユーザMIMOと呼ぶべきか？
圧倒的に マルチユーザMIMO (37,300,000件) (by Google)SDMA ( 985,000件)
個人的な見解としては，SDMAの方が学術的には
適切であると思う．（ユーザが複数本のアンテナでなくてもよいため．）
しかし，MIMOのブームのあと，MU-MIMOが続くため，MU-MIMOと呼ばれることが多いのではな
いか（と予想）．
基地局
ユーザ#1 ユーザ#2
基地局
ユーザ#1 ユーザ#2
下り回線 (基地局→ユーザ)BC : Broadcast channel
上り回線 (ユーザ→基地局)MAC : Multi access channel
MU-MIMOにおける上り回線と下り回線
MU-MIMOでは，上り回線/下り回線で要求される条件が大きく異なる．
67
上り回線におけるSU-MIMO/MU-MIMOの課題
基地局
端末局受信
送信
)(1 ts)(2 ts)(3 ts
SU-MIMO
H
H
基地局
送信
端末局(ユーザ#2))()2(
2 ts
送信
端末局(ユーザ#1)
)()2(1 ts
)()2(3 ts
)()1(2 ts)()1(1 ts
)()1(3 ts
MU-MIMO
受信
H(1)
H(2)
H(1), H(2)
上り回線では，SU-MIMOの受信側信号分離技術が適用可能.
68
基地局
受信
端末局
送信
指向性制御
HH)(1 ts
)(2 ts
)(3 ts
)(2 ts
)(3 ts
)(1 ts
SU-MIMO (固有モード伝送)
基地局
受信
端末局(ユーザ#2)
送信
指向性制御
)()2(2 ts
受信
端末局(ユーザ#1)
)()2(1 ts
)()2(3 ts
)()1(2 ts
)()1(1 ts)()1(
3 ts
ユーザ間の信号分離
)()1(2 ts
)()1(3 ts
)()1(1 ts
)()2(2 ts
)()2(3 ts
)()2(1 ts
H(1)
H(2)
H(1)
H(2)
MU-MIMO 最重要課題
下り回線におけるSU-MIMO/MU-MIMOの課題
性能向上端末負荷の低減
69
基地局
ユーザ1 ユーザ2
線形制御 非線形制御
指向性の最大方向
指向性のヌル方向
基地局
ユーザ1 ユーザ2
指向性の最大方向
指向性のヌル方向
ユーザ2への指向性のヌル形成により，ユーザ2への干渉を抑圧
• ユーザ2へのヌル形成なし．
• 送信信号をあらかじめ加工することで干渉の影響を受けない
ユーザ間の信号分離 (線形制御/非線形制御) 70
第3章： マルチユーザMIMO技術
3.1 多元接続3.2 マルチユーザMIMOにおける課題3.3 マルチユーザMIMO用送信指向性制御
3.3.1 システムモデル3.3.2 線形制御法3.3.1 非線形制御法
3.4 マルチユーザMIMO用信号分離技術3.5 ユーザスケジューリング3.6 マルチユーザMIMOの基本特性
送信指向性制御の分類
受信側信号分離技術（上り回線）
送信側指向性制御技術（下り回線）
ZFMMSE
SICMLD
ZFMMSEBD*THP**VP***
線形
非線形
*BD: Block diagonalization**THP: Thomlinson Harashima Preceding***VP: Vector Perturbation
71
#1
#2
S/P
, W
)(ts
)(tHWs
#NT
#1
#NR
User 2
#1
#NR
User 1
Tx
Rx
Rx
伝搬チャネル行列
)2(
)1(
HH
H
)2()1( WWW
ウエイト行
列
システムモデル (1)
)()(
)2(
)1(
tt
ss
S/P : Serial to parallel transformation
)2( UN 72
伝搬チャネル行列
)2(24
)2(23
)2(22
)2(21
)2(14
)2(13
)2(12
)2(11
)1(24
)1(23
)1(22
)1(21
)1(14
)1(13
)1(12
)1(11
)2(2
)2(1
)1(2
)1(1
)2(
)1(
hhhhhhhhhhhhhhhh
hhhh
HH
H
)()()()(
)()(
)(
)2(2
)2(1
)1(2
)1(1
)2(
)1(
tstststs
tt
tss
s
送信信号
システムモデル (2)
ユーザ1
ユーザ2
)2,2,4( URT NNN 73
)2(24
)2(14
)1(24
)1(14
)2(23
)2(13
)1(23
)1(13
)2(22
)2(12
)1(22
)1(12
)2(21
)2(11
)1(21
)1(11
)2(2
)2(1
)1(2
)1(1
)2()1(
wwwwwwwwwwwwwwww
wwwwWWW
ウエイト行列
システムモデル (3)
ユーザ1 ユーザ2
)2,2,4( URT NNN 74
受信信号
)()(
)()(
)()(
)()(
)()()()(
)(
)2(
)1(
)2(
)1(
)2()2()1()2(
)2()1()1()1(
)2(
)1(
)2(
)1()2()1(
)2(
)1(
)2(
)1(
tt
tt
tt
tt
tttt
t
nn
ss
WHWHWHWH
nn
ss
WWHH
nHWsyy
y
システムモデル (4) )2( UN 75
)()1()1()1( tsWH
)()2()2()2( tsWH
所望信号
ユーザ間干渉除去の条件(1)
干渉信号
#1
#2
S/P
, W
)(ts
#NT
#1
#NR
User 2
#1
#NR
User 1
Tx
Rx
Rx
ウエイト行
列
)()1()1()2( tsWH
)()2()2()1( tsWH
76
0WH0WH
)2()1(
)1()2(
ブロック対角化(Block Diagonalization)
)()1()1()1( tsWH
)()2()2()2( tsWH
所望信号
#1
#2
S/P
, W
)(ts
#NT
#1
#NR
#1
#NR
Tx
Rx
Rx
ウエイト行
列
ユーザ間干渉除去の条件(2) 77
ユーザ#1
ユーザ#2
#1
#2
#1
#2
基地局
1
)1(1
)1(1
wh#1
#2
#3
#4
)(ts S/P
ZF (ユーザ#1, アンテナ#1)
他には信号が送信されない
受信
受信
ZF
ZFとBD法におけるユーザ分離の考え方
ユーザ#1
ユーザ#2
#1
#2
#1
#2
基地局 #1
#2
#3
#4
)(ts S/PBD(ユーザ#1)
ユーザ#2には
送信されない．
受信
受信
BD
)1()1( WH
アンテナ単位
ユーザ単位
78
送信側におけるZF
0
0
0
1
)1(1
)2(2
)1(1
)2(1
)1(1
)2(2
)1(1
)1(1
wh
wh
wh
wh
)2,2,4( URT NNN
受信側における方法と同じ考え方で適用可能．
ユーザ１のアンテナ１
ユーザ１のアンテナ２
ユーザ2のアンテナ１
ユーザ2のアンテナ２
11
1
HH
WF
ZF
ユーザ1, 2アンテナ1, 2にそれぞれ適用
空間相関 大
→ 大きな値
ZFのウエイト
79
ユーザ#1
ユーザ#2
#1
#2
#1
#2
基地局
1
)1(1
)1(1
wh#1
#2
#3
#4
)(ts S/P
ZF (ユーザ#1, アンテナ#1)
ヌル空間
受信
受信
ユーザ#1
ユーザ#2
#1
#2
#1
#2
ZF
受信
受信
基地局
1
)1(2
)1(2
wh
#1
#2
#3
#4
)(ts S/P
ヌル空間
ヌル空間
ZF
ZF (ユーザ#1, アンテナ#2)
ZFにより形成される空間 80
Hnss
H
)2()2()2()2(
)2()2()2()2(
VV0DU
VDUH
RT NN )( RT
T
NNN
RR NN RR NN
)( RT
R
NNN
信号伝送に利用 信号部分空間に直交
ブロック対角化(BD)法の原理 (1)
)2()1()2()2( nn VW0VH (ユーザ1))1()2()1()1( nn VW0VH (ユーザ2)
RT NN
81
受信信号
)()()()(
)()(
)()(
)()()(
)2()2()2()2(
)1()1()1()1(
)2(
)1(
)2(
)1(
)2()2(
)1()1(
tttt
tt
tt
ttt
nsWHnsWH
nn
ss
WH00WH
nHWsy
ユーザ1のみ
ユーザ2のみ
ブロック対角化(BD)法の原理 (2)
0WH0WH )2()1()1()2( ,ブロック対角化の条件
82
H
ブロック対角化(BD)法の原理 (3)
#1
#2
S/P
, W(1)
)(ts
#NT
#1
#NR
User 2
#1
#NR
User 1
Tx
Rx
Rx
ウエイト行
列
~ )2()1()1(nVHH
)2()2( 0VH n
)2()1(nVW ユーザ1に対するウエイト：
83
H
ブロック対角化(BD)法の原理 (4)
#1
#2
S/P
, W(2)
)(ts
#NT
#1
#NR
User 2
#1
#NR
User 1
Tx
Rx
Rx
ウエイト行
列
~ )1()2()2(nVHH
)1()1( 0VH n
)1()2(nVW ユーザ2に対するウエイト：
84
ブロック対角化(BD)法の原理 (5)
)(~ kH SU-MIMOにおける信号処理技術が適用可能．(ZF, MMSE, SIC, MLD, 固有モード伝送)(k = 1, 2)
1~
2~
)(~ kV#1
#2#1
#2 Hk)(~U 送信ウエイト
受信ウエイト
)(~ kD
)()()( ~ kkln
kBD VVW BD法によるウエイト
Hkkkkln
kk )()()()()()( ~~~ ~ VDUVHH
固有モード伝送)(~ kH に対して特異値分解．
)( RR NN )( TR NN )( RT NN
85
)()(
)()()()(
)()(
)()()()()(
~~
~~~~
~~
~
kk
kHkkk
kk
kkln
kkBD
k
DU
VVDU
VH
VVHWH
)()()( ~ kkln
kBD VVW BD法によるウエイト
ややこしいので補足します．
I
)(~)(~
)()(~~~~~
)()(~~~
)()(~)(
)()()()(
)()()()()()()(
)()()()()(
)()()()()()(
tt
tt
tt
ttt
kHkkk
kkkHkkkHk
kkkkHk
kkkBD
kHkk
nUsD
nsVVDUU
nsVHU
nsWHUy
ブロック対角化(BD)法の原理 (6)
22 I 22 I
1~
2~
)(~ kV#1
#2#1
#2 Hk)(~U 送信ウエイト
受信ウエイト
)(~ kD
(k = 1, 2)
86
Hk
nk
sk
sk
Hkkkk
)()()()(
)()()()(
VV0DU
VDUH
任意のユーザ数に対する方法
TTNTkTkTk U )()1()1()1()( ,,,,, HHHHH
● ユーザ k 以外のユーザの行列を作成
● この行列を特異値分解
ユーザ k 以外の
ユーザにヌルを形成
0VH )()( kn
kl
87
