多数の分散アンテナによる小セル化

2020 年音声<<データ

Part 2. 多数の分散アンテナによる小セル化

 分散アンテナネットワーク



マクロセルエリアに数多くのアンテナを分散配置

 仮想マクロセル



分散アンテナ群による仮想マクロセルの形成

 光リンク



フルコヒーレント光・無線リンク

 分散アンテナ協調信号伝送



時空間符号化ダイバーシチ



送受協調フィルタリング空間多重

2016/3/4 FA/Tohoku University 55

分散アンテナネットワーク (DAN)

 極めて多数のアンテナをマクロセルエリアに分散配置



分散アンテナを光リンクで信号処理局（マクロ基地局相当）と結ぶ



端末周辺にいくつかの分散アンテナが高い確率で存在（近距離通信）



分散アンテナ群が仮想マクロセルを形成

F. Adachi, K. Takeda, T. Obara, T. Yamamoto, and H. Matsuda,"Recent Advances in Single-carrier Frequency-domain Equalization and Distributed Antenna Network," IEICE Trans.

Fundamentals, Vol.E93-A, No.11, pp.2201-2211, Nov. 2010.

F. Adachi, K. Takeda, T. Yamamoto, R.

Matsukawa, and S. Kumagai,"Recent Advances in Single-carrier Distributed Antenna Network,"

Wireless Communications and Mobile Computing, Volume 11, Issue 12, pp. 1551–

1563, Dec. 2011, doi: 10.1002/wcm.1212.

F. Adachi, W. Peng, T. Obara, T. Yamamoto, R.

Matsukawa, and M. Nakada, “Distributed Antenna Network for Gigabit Wireless Access,”

International Journal of Electronics and Communications (AEUE), Elsevier , Vol. 66, Issue 6, pp. 605-612, 2012, DOI:

仮想

マクロセル基地局

（VMBS）

VMBS VMBS

VMBS

信号処理層

光リンク大規模分散

MIMO

（多重，

ダイバーシチ，

リレー，ビーム形成）

ベースバンド光アクセスネットワーク

TRx

仮想マクロセル

分散アンテナ層

（ユーザ中心のセル形成）

仮想無線機

フルコヒーレント光・無線リンク

 仮想マクロ基地局～分散アンテナ間：コヒーレント光リンク

 分散アンテナ～ユーザ端末間：コヒーレント無線

 光・無線直接変換

 コヒーレント光リンクとコヒーレント無線リンクの違いは搬送波周波数

2016/3/4 FA/Tohoku University 57

F. Adachi, “Wireless Optical Convergence Enables Spectrum-Energy Efficient Wireless Networks,” Proc. 2014 International Topical Meeting on Microwave Photonics/the 9th Asia Pacific Microwave Photonics (MWP/APMP 2014), pp.51-56, Sapporo, Japan, 20-23 Oct. 2014.

フルコヒーレント光無線リンク

(

下り

)

ベースバンド送

受信機コヒーレント

光リンクベース

バンド送受信機ベースバンド送

受信機コヒーレント

無線リンク

コヒーレント光変調

I Q

光→無線直接変換

増幅

ベースバンド送受信機

分散アンテナ協調信号伝送

 アンテナを高密度に配置しているので， 1 本または 2 本以上の分散アンテナがユーザ近くに存在

 それら分散アンテナをダイバーシチ，空間多重またはリレーとして用いることで，伝送品質を改善（または送信電力の低減）または伝送レートを向上できる

仮想マクロ基地局

(SPC)

光ケーブル

分散アンテナリレーノード

アンテナダイバーシチ

/

空間多重

ネットワーク符号化リレー

-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 X axis

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0

Y axis

1000 800 600 400 200 0

Uplink user throughput C(Mbps/100MHz)

DAを用いた小セルネットワーク

（SC-MU-MIMO

w/ joint Tx/Rx MMSE-SVD）

-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 X axis

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0

Y axis

1000 800 600 400 200 0

Uplink user throughput C(Mbps/100MHz)

従来ネットワーク

（SC-FDMA w/ STBCダイバーシチ）

-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 X axis

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0

Y axis

1000 800 600 400 200 0

Uplink user throughput C(Mbps/100MHz)

従来ネットワーク

（SC-MU-MIMO

w/ joint Tx/Rx MMSE-SVD）

上りリンク容量

宮崎寛之，安達文幸，“分散アンテナ時空間ブロック符号化ダイバーシチへのマクロセル間連携の導入効果，” 信学技報，2015年12月発表予定

熊谷慎也，吉岡翔平，安達文幸，“シングルキャリアMU-MIMOを用いる分散アンテナネットワーク上りリンクにおける送受信協調フィルタリング，” 信学技報，vol. 114, no. 490, RCS2014-354, pp. 315-320, 2015年3月

熊谷慎也，安達文幸，“分散アンテナネットワークにおける下りリンク広帯域MU-MIMO伝送への送受信協調信号処理の適用効果，” 信学技報，2015年12月発表予定

-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 X axis

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0

Y axis

1000 800 600 400 200 0

Uplink user throughput C(Mbps/100MHz)

DAを用いた小セルネットワーク

（SC-FDMA w/ STBC ダイバーシチ）

2016/3/4 FA/Tohoku University 59

依然として存在する PAPR 問題

 低 PAPR 波形設計はバッテリー駆動の携帯端末では依然として重要課題

 シングルキャリア送信信号波形



ルートナイキスト送信フィルタ（ロールオフファクタ

=0

と

0.5

）

 QPSK

データ変調，

16

サブキャリア

-2 -1 0 1 2

Re{ s( t)exp( j2  f

t)} = 0.00, = 0.50

SC-QPSK, 16 symbols, SRRC filtering

高いピークの発生

選択マッピング

(Selected mapping: SLM)

 複数の位相回転系列を用いて送信シンボル系列を変換し，

最小の PAPR を有する送信フィルタ出力波形を選択 (TD-SLM)

 選択位相回転系列の番号を受信側にサイド情報として伝送

 SLM は無歪信号変換

2016/3/4 FA/Tohoku University 61

 A. Boonkajay et al., “Selective Mapping for Broadband Single-Carrier Transmission Using Joint Tx/Rx MMSE-FDE,” Proc. PIMRC 2013, London, UK, Sept. 2013.

 A. Boonkajay et al., “Low-PAPR Joint Transmit/Received SC-FDE Transmission using Time-Domain Selected Mapping,” Proc. APCC 2014, Pattaya, Thailand, Oct.

2014.

（例）TD-SLM 候補数U=3 サブキャリア数4

P₀=+1,+1,+1,+1 P₁=+1,-1,-1,+1 P₂=-1,-1,+1,+1

時間

送信データシンボル系列

位相回転系列候補

時間

被位相回転データシンボル

系列

（低PAPR）送信波形位相回転

サイド情報

IDFTDFT

周波数領域信号処

理

元のシングルキャリア

信号波形高い波形ピークの発生

ブラインド SLM 信号検出 ^(TD-SLM)

 サイド情報なしでの信号検出



正しい位相回転系列以外は受信信号配置が相当乱れてしまうことを利用

 A. Boonkajay et al., “A Blind Selected Mapping Technique for Low-PAPR Single-Carrier Signal Transmission,” Proc.

ICICS2015, Singapore, Dec. 2015.

受信ビット系列

1 , 1 , 1 ,

1   



-CP FF T

ジョイント周波数領域信号処理＆ダイバーシチ合成

-CP FF T

受信アンテナ#0

受信アンテナ#N_r

-1

… MLD

IDF T

t 正しい位相回転系列

 1 ,  1 ,  1 ,  1 1 , 1 , 1 ,

1   



t t

受信信号配置周波数領域SLM

候補系列数U=3, サブキャリア数4

Q I Q

Q I

ブラインド SLM 信号検出

 無符号化時の平均ビット誤り率特性

2016/3/4 FA/Tohoku University 63

0 5 10 15 20 25

1

10

^-1

10

^-2

10

^-3

10

^-4

SC-FDE, MMSE-FDE, N_c = 64, N_g = 16, 16-path Rayleigh fading, Uniform power delay profile

64QAM

16QAM 4QAM



△



△

×  △

ブラインド周波数領域SLM, U=16 理想, U=64

ブラインド周波数領域SLM, U=64

Average received E

/N

₀

(dB)

A v erage BER

0 5 10 15 20 25

SC-FDE, MMSE-FDE, N_c = 64, N_g = 16-path Rayleigh fading, 16, Uniform power delay profile

64QAM

16QAM 4QAM

1

10

^-1

10

^-2

10

^-3

10

^-4

A v erage BER

Average received E

/N

₀

(dB)



△



△

×  △

ブラインド時間領域SLM, U=16 理想, U=64

ブラインド時間領域SLM, U=64

ブラインド時間領域

SLM

(

多値位相回転系列

{0, 120, 240}

ブラインド周波数領域

SLM

(

ランダム

2

値位相回転系列

{0, 180})

 A. Boonkajay et al., “A Blind Selected Mapping Technique for Low-PAPR Single-Carrier Signal Transmission,” Proc.

ICICS2015, Singapore, Dec. 2015.

 A. Boonkajay et al., “Frequency-Domain Blind Selected Mapping Technique for Space-Time Block Coded Low-PAPR SC-FDE,” IEICE Tech. Rep. Radio Commun. Syst.

(RCS), Dec. 2015.

 マクロセル基地局（ MBS ）のエリア内に小セル基地局 (SBS) を高密度配置



エネルギー効率向上，干渉回避とハンドオーバー問題

 自律分散無線資源（電力，周波数，時間）管理の研究に取り組んでいます



ゲーム理論に基づく小セル基地局（

SBS

）オン

/

オフ切替



チャネル棲み分けを用いる動的チャネル割り当て

Part.3 多数の小セル基地局を用いる小セルネットワーク

SBS

SBS SBS SBS

SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS

小セル基地局

(SBS)

・静止または低速移動ユーザへの高速データサービス

MBS

マクロセル基地局（MBS）

・接続制御

・高速移動ユーザへのデータサービス

エネルギー効率向上，干渉回避とハンドオーバー問題

 エネルギー効率



多数の小セル基地局（

SBS

）を展開するから，

SBS

の電力消費量が無視できない

 SBS

の電力消費をできるだけ抑えることが

HetNet

のエネルギー効率向上に結び付く

 SBS

の送信オン

/

オフ切替の導入

 マクロセルと小セル間の干渉回避



同じ周波数資源をマクロセル内でも再利用要→干渉回避が必要



チャネル棲み分けの導入

 ハンドオーバー問題



高速移動ユーザに対するマクロセル間ハンドオーバー



静止あるいは低速移動ユーザに対する小基地局間のハンドオーバー

2016/3/4 FA/Tohoku University 65

SBS

SBS SBS SBS

SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS MBS

SBS オン / オフ切替

 SBS オン / オフ切替の HetNet への導入



トラフィックの少ない

SBS

の送信をオフ



送信オフ

SBS

の周辺の

SBS

は，送信電力を増加して送信オフ

SBS

のエリアをカバー

SBS

SBS SBS SBS

SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS MBS

Power off

自律分散無線リ

ソース管理

・送信オン

/

オフ

・チャネル配置

SBS オン / オフ切替

 SBS オン / オフ切替の HetNet への導入



トラフィックの少ない

SBS

の送信をオフ



送信オフ

SBS

の周辺の

SBS

は，送信電力を増加して送信オフ

SBS

のエリアをカバー

2016/3/4 FA/Tohoku University 67

SBS

SBS SBS SBS

SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS MBS

Power off

自律分散無線リ

ソース管理

・送信オン

/

オフ

・チャネル配置

計算機シミュレーション

（干渉なし）

 NetNet の消費電力とスループット

（シミュレーション条件：干渉無）



スループットのわずかな低下を許容することで，送信オン

/

オフにより

NetNet

の消費電力を低減可能



実際には同じ周波数を再利用しなければならないから，干渉が無視できない→スループット低下

39%

ユーザー数対HetNetの全消費電力量

Note: no interference considered Downlink

200 250 300 350 400 450 500

20 40 60 80 100 120 140

ON-OFF algolrthm Always ON

MBS Only

Number of Users

Total consumption power in HetNet[W]

(case 1) (case 2)

(case 3) 9SBSs

Average velocity : 4km/h

ユーザー数対1ユーザ当たりのスループット

Note: no interference considered Downlink

100 120 140 160 180 200

20 40 60 80 100 120 140

ON-OFF algolrthm Always ON

MBS Only

Number of Users 9SBSs

Average velocity : 4km/h (case 1)

(case 2) (case 3)

Throughput per 1UE[kbps]

6%

MBS Only (case 3)

R. Yoneya, A. Mehbodniya and F. Adachi,

“Two Novel Handover Algorithms with Load Balancing for Heterogeneous Network”, to be presented at VTC-Fall 2015, Boston, USA.

Throughput [x10 kbps]

T o tal consumption power in HetNet[W]

チャネル棲み分けを用いる動的チャネル割り当て

 干渉環境学習に基づくチャネル棲み分け * はネットワークや伝搬環境の変化に追従した動的チャネル配置が可能

 SBS

の追加・削除や伝搬環境の変化に対応できる

 SBS

の送信オン

/

オフにも対応できる



分散制御であるため簡単なアルゴリズムにもかかわらず干渉回避が可能

 各 SBS/MBS では，少ないユーザを対象に TDMA/FDMA/OFDMA を用いたスケジューリングを行うことができる

2016/3/4 FA/Tohoku University 69

*Y. Matsumura, S. Kumagai, T. Obara, T. Yamamoto, and F. Adachi, "Channel Segregation Based Dynamic Channel Assignment for WLAN," 2012 IEEE The 13th International Conference on Communication Systems, Singapore, 21-23 Nov. 2012.

*R. Matsukawa, T. Obara, and F. Adachi, "A Dynamic Channel Assignment Scheme for Distributed Antenna Networks," IEEE 75th Vehicular Technology

Conference, Yokohama, Japan, 6-9 May 2012.

SBS

SBS SBS SBS

SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS SBS SBS

SBS

SBS SBS

SBS MBS

Power off

自律分散無線リ

ソース管理

・送信オン

/

オフ

・チャネル配置

m

ユーザ数

U=100

SBS

数

N

_SBS

=35

ドキュメント内 <4D F736F F F696E74202D C092425F DC58F498D758B60816A8C6791D CC97F08E6A82C68BA482C995E082F182BE9 (ページ 55-70)

多数の分散アンテナによ る小セル化

2020 年音声&lt;&lt;データ

Part 2. 多数の分散アンテナによ る小セル化

 分散アンテナネットワーク



 仮想マクロセル



 光リンク



 分散アンテナ協調信号伝送





分散アンテナネットワーク (DAN)

 極めて多数のアンテナをマクロセルエリアに分散配置







MIMO

TRx

フルコヒーレント光・無線リンク

 仮想マクロ基地局～分散アンテナ間： コヒーレント光リンク

 分散アンテナ～ユーザ端末間： コヒーレント無線

 光・無線直接変換

(

)

I Q

分散アンテナ協調信号伝送

 アンテナを高密度に配置しているので， 1 本または 2 本以上 の分散アンテナがユーザ近くに存在

 それら分散アンテナをダイバーシチ，空間多重またはリレー として用いることで，伝送品質を改善（または送信電力の低 減）または伝送レートを向上できる

/

上りリンク容量

依然として存在する PAPR 問題

 低 PAPR 波形設計はバッテリー駆動の携帯端末では依然と して重要課題

 シングルキャリア送信信号波形



=0

0.5

 QPSK

16

-2 -1 0 1 2

-2 -1 0 1 2

Re{ s( t)exp( j2  f

t)} = 0.00, = 0.50

SC-QPSK, 16 symbols, SRRC filtering

選択マッピング

(Selected mapping: SLM)

 複数の位相回転系列を用いて送信シンボル系列を変換し，

最小の PAPR を有する送信フィルタ出力波形を選択 (TD-SLM)

 選択位相回転系列の番号を受信側にサイド情報として伝送

 SLM は無歪信号変換

ブラインド SLM 信号検出 (TD-SLM)

 サイド情報なしでの信号検出



1 , 1 , 1 ,

1   



-CP FF T

-CP FF T

-1

… MLD

IDF T

 1 ,  1 ,  1 ,  1 1 , 1 , 1 ,

1   



ブラインド SLM 信号検出

 無符号化時の平均ビット誤り率特性

0 5 10 15 20 25

1

10

10

10

10





×  △

Average received E

/N

(dB)

A v erage BER

0 5 10 15 20 25

多数の分散アンテナによる小セル化

2020 年音声<<データ

Part 2. 多数の分散アンテナによる小セル化

 仮想マクロ基地局～分散アンテナ間：コヒーレント光リンク

 分散アンテナ～ユーザ端末間：コヒーレント無線

 アンテナを高密度に配置しているので， 1 本または 2 本以上の分散アンテナがユーザ近くに存在

 それら分散アンテナをダイバーシチ，空間多重またはリレーとして用いることで，伝送品質を改善（または送信電力の低減）または伝送レートを向上できる

 低 PAPR 波形設計はバッテリー駆動の携帯端末では依然として重要課題

ブラインド SLM 信号検出 ^(TD-SLM)

 自律分散無線資源（電力，周波数，時間）管理の研究に取り組んでいます

Part.3 多数の小セル基地局を用いる小セルネットワーク

エネルギー効率向上，干渉回避とハンドオーバー問題