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超大容量Massive MIMO伝送～16ビーム空間多重による20Gbps

伝送の可能性検証～

2015年7月23日

三菱電機株式会社

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5Gビジョン

期待される無線システム


5Gビジョン

次世代交通システム、パーソナルナビゲーション、次世代ロボット等のサービス実現に必要なEnhanced Mobile BroadbandやUltra-reliable and low latency communicationsに寄与する5G技術の開発に注力

次世代交通システム次世代ロボット

パーソナルナビゲーション


5Gの要求条件

・ピークデータレート20Gbps、容量10Mbps/m2、Latency 1msが求められる

Enhancement of key capabilities from IMT-Advanced to IMT-2020

出展：ITU-R

The importance of key capabilities in different usage scenarios

・ユースケースによって求められる条件が異なる

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4

5Gネットワーク構成例

5Gネットワーク構成例と技術課題

5G基地局(子局)

中継伝送網

セカンダリeNB マスターeNB

SDN ｺﾝﾄﾛｰﾗ

L2SW装置

局間制御I/F

LTE/LTE-A基地局(子局）

光アクセス(次世代PON)

光中継伝送装置

EPC

LTE/LTE-A 基地局(親局)

OLT

5G基地局(親局)

高速・大容量光通信技術

無線制御技術

光デバイス技術

Massive MIMO技術

高速・広帯域回路技術

高周波デバイス技術 EPC：Evolved Packet Core SDN：Software Defined Networks

・ 5G要求条件を満たすためのさまざまな無線と有線の技術課題において、高周波数帯無線アクセス実現に向けては、Massive MIMO技術、高速・広帯域回路技術、高周波デバイス技術が鍵となる


高速・大容量化・低遅延化

物理リソースイメージ

20MHz

2 1

LTE

150Mbps

3.9G

100MHz(20MHz×5)

8 7 6 5 4 3 2 1

LTE-A Max. 3Gbps

LTE-A Typ. 300Mbps

40MHz(20MHz×2)

2 1

4G

周波数帯域幅

空間

多重

数 8

以上

周波数帯域幅数100MHz

■総通信帯域800MHz以上で

Peak data rate≧10Gbps

■User plane latency≦1ms

空間

5G

・帯域幅と空間多重数を上げて高速・大容量化、無線フレーム長を短くして低遅延化 Massive MIMO技術、RF、A/D・D/A、BBの高速・広帯域化技術が必要

5


5G無線アクセスの課題整理

課題まとめ

伝搬損失補償

干渉低減

低遅延

小型化

多素子アンテナ

デジタルMIMO処理

RF、A/D・D/A、BBの高速・広帯域化

デバイス集積化

Massive MIMO

高速・大容量化

・ 5G無線アクセスの実現には、Massive MIMOをはじめとする技術確立が必要

低コスト


Stream 1

Stream 4

Digital MIMO

Processing

Digital

・・・

× LPF D/A

× LPF D/A

～

・・・

7

・アナログビームフォーミングとデジタルMIMO処理を組合せた空間多重方式・多素子アンテナとアナログRF回路により簡易にビームを形成・アナログビーム間干渉をデジタルMIMO処理にて低減し、伝送速度低下を抑制

Analog（RF）多素子アンテナ

デジタル信号処理にてアナログビーム間干渉を低減サブアレー数の3乗に比例した行列演算

高額部品をサブアレー数分に削減

サブアレー型APAA MIMO

APAA：Active phased array antenna

全アンテナ素子数が同一の場合、サブアレー分割数分だけデジタルMassive MIMOよりも利得低い

Massive MIMO送信機構成（サブアレー型APAA-MIMO）


アナログビームフォーミング（適用例）

・アレーアンテナによるアナログビームフォーミングは、これまで衛星通信などに適用された技術．

30GHz帯5ビットMMIC 可変減衰器

30GHz帯5ビットMMIC 移相器

ビームフォーミング用高周波デバイス

ヘリコプタ搭載 Ku帯APAA

(通信ソサイエティマガジンNO.3冬号 2007より引用)

12GHz帯マルチチップ受信モジュール

超高速インターネット衛星（WINDS）搭載 Ka帯APAA


アナログビームフォーミング（動作原理）

アナログビームフォーミング動作原理

#3

#2 MDL #1

Configuration of an APAA transmitter.

VGA PS

・各アンテナ素子でRF信号の通過位相を制御することでアレーアンテナが放射するビームの方向を任意に制御

RF

signals

( MDL: module, PS: phase shifter, VGA: Variable gain amplifier )

#1

#2

#3

ex:1

#1

#2

#3

ex:2

Beam


-40

-30

-20

-10

0

-90 -60 -30 0 30 60 90

Offset Angle [deg.]

Level

[dB

]

10

アナログビームフォーミング（構成回路）

・アナログビームフォーミングを行うための移相器(PS)を含む、44GHz帯送信モジュール

MIX

DA

PS DA HPA

項目諸元

キャリア周波数 43.5～43.8GHz

周波数帯域幅 300MHz

素子数 4

HPA送信出力 22dBm

PS挿入損失 -10.8dB

サイズ 25.6×54.4×3.9mm

小型・高性能APAA送信モジュール

DAPS HPA FilterDIV

MIX DA Filter DA

RF1

RF2

RF3

RF4

IF

LO

モジュール外観

回路ブロック図

送信アンテナ放射パターン

諸元

本研究の一部は総務省委託研究「ミリ波帯高速移動体通信システム技術の研究開発」の成果である。


50m 100m 11

マルチビーム多重化に向けた基礎実験（実験環境・実験系）

・株式会社NTTドコモと三菱電機は、高周波数帯の高速伝送実現に向け、多素子アンテナを用いるマルチビーム多重化技術の基礎実験を実施

【受信系】送信機

ローテータ

ホーンアンテナ

【送信系】

実験系実験環境

44GHz帯APAA


項目仕様

送信周波数 44GHz帯

帯域幅100MHz

空中線電力 2W

空中線利得 17.2dBi

指向範囲 ±45度

寸法 300×170×90mm

質量 6kg

アンテナ素子数

48素子（8×6)

34mm

22mm

マルチビーム多重化に向けた基礎実験（送信機）

送信機（44GHz帯APAA）主要諸元


-40 -40

-30 -30

-20 -20

-10 -10

0 0

-40

-40

-30

-30

-20

-20

-10

-10

0

0

10

10

20

20

30

30

40

40

-45

-45

-35

-35

-25

-25

-15

-15

-5

-5

5

5

15

15

25

25

35

35

45

45

-45 -45

-35 -35

-25 -25

-15 -15

-5 -5

6

12

13

3

4

9

25

15

102

17

18

7

8

24

11

13

送信点から見た主ビーム放射パターンイメージ

・各測定点に対しアナログビームを照射、各測定点における所望・干渉ビームを測定

マルチビーム多重化に向けた基礎実験（伝搬実験）


マルチビーム多重化に向けた基礎実験（伝搬実験結果）

直接波 #6-1

#6-3

#6-2

直接波 #6-1

クラスタ #6-1

クラスタ #6-2

クラスタ #7-1

クラスタ #7-2

クラスタ #11-1

直接波 #18-1

クラスタ #18-2

AoD (方位角/仰角)[deg] 13/ -25 10/ -19

12/ -25

28/-20 32/-17 10/-19 13/-25 28/-20

AoA (方位角/仰角)[deg] 189/27 356/8 345/-60 146/22 126/27 356/18 186/26 146/22

遅延時間 [usec] 0.00 5.1×10-2 9.2×10-2 2.6×10-2 3.3×10-2 5.1×10-2 0.0 2.6×10-2

受信電力[dBm] -62.8 -77.7 -79.1 -75.8 -79.8 -81.7 -65.6 -74.6

#11-1

#7-2

#7-1

#18-2

直接波 #18-1

測定点#6に向けたビームからの到来波測定点#7に向けたビームからの到来波


伝搬測定解析結果（測定点#6における到来波）


伝搬測定結果（測定点#11における到来波）

直接波 11-1

直接波 #6-1

直接波 #7-1

クラスタ #7-2

直接波 #11-1

直接波 #18-1

AoD (方位角/仰角)[deg] 8/-15 8/-15 20/-18 8/-15 8/-15

AoA (方位角)[deg] 185/16 185/16 156/3 185/16 185/16

遅延時間 [usec] 0.0 0.0 1.2×10-2 0.0 0.0

受信電力[dBm] -68.7 -71.6 -78.0 -66.4 -72.0

#7-2 直接波 #6-1

直接波 #7-1

直接波 18-1


測定点#11に向けたビームからの到来波測定点#18に向けてビームからの到来波

マルチビーム多重化に向けた基礎実験（伝搬実験結果）


クラスタベースのMIMOチャネルモデル

・・・

・・・

ｘ

ｙ

ｘ

ｙ

θ

φ

θ

θ

1

2

φ1

φ2tx antenna array

σ

σ

σ

σ

p1、τ1、θ1、φ1

p2、τ2、θ2、φ2

cluster#1 scatter#1～#N

cluster#2

scatter#1～#N

rx antenna array

AoD

AoA

h(i,j,k,l)

アンテナ仮想配置

アンテナ仮想配置

実験で取得した直接波/散乱波の電力、遅延時間、AoD、AoA

を用いてクラスタを配置

伝搬プロファイル (電力、遅延時間、AoD、AoA)

クラスタベースのMIMO チャネルモデル

入力

出力

MIMOチャネルの伝送路行列

モデル条件

・クラスタ角度広がりσ＝5° ・スキャッタ数/クラスタ=15 ・クラスタ内スキャッタ：一様ランダム

・取得した前頁の伝搬プロファイルをもとに、クラスタベースのMIMOチャネルの伝送路行列を生成し、伝送シミュレーションを実施

マルチビーム多重化に向けた基礎実験（伝送シミュレーション）


伝送シミュレーションの諸元と結果

項目諸元

伝送方式 OFDM

占有帯域幅 500MHz

変調方式適応変調 QPSK/16QAM/64QAM/256QAM

誤り訂正ターボ符号（1/2, 2/3, 3/4）

送信系サブアレー 2次元平面アレー（48素子）

送信系サブアレー数 16（10λ間隔）

ユーザ数 16ユーザ

受信系アンテナ等方性アンテナ×1

受信系NF 6 dB

クラスタ角度広がり送信側・受信側とも5°

プリコーディングブロック対角化/固有モード伝送

オーバーヘッド 20％

0

5

10

15

20

25

30

35

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

スループット

[Gb

ps]

送信電力 [dBm / stream]

Area25

Area24

Area23

Area18

Area17

Area15

Area12

Area11

Area10

Area9

Area8

Area7

Area6

Area4

Area3

Area2

+33dBm

・ 16測定点をモデル化したマルチユーザMIMO伝送シミュレータを構築

・アナログビームフォーミングとデジタルプリコーディングを組合せたマルチビーム空間多重Massive MIMO伝送性能を評価

① LOS環境にて16ストリーム多重が可能であることを確認

② 16ユーザ多重、占有帯域幅500MHz条件にてスループット20Gbps超を確認



※イメージ図

仮想16ビーム 16ユーザ空間多重伝送シミュレーション評価結果

※イメージ図

・今後もサブアレー型APAA MIMOのパラメータ最適化、マルチビーム多重化検証を行う


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