2018 Fiscal Year Research-status Report
大規模MIMOシステムにおけるアンテナ選択によるビーム制御
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17K06413
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
西村 寿彦 北海道大学, 情報科学研究科, 准教授 (70301934)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大鐘 武雄 北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (10271636)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 簡易ビーム形成 / 大規模MIMO / マルチユーザMIMO / レイトレーシング / 遺伝的アルゴリズム / 圧縮センシング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
送信側受信側双方に複数のアンテナ素子を搭載するMultiple-Input Multiple-Output (MIMO)システムを発展させた、大規模MIMOシステムの研究が進められている。一般にこのシステムでは、3次元的なユーザ分離が可能となり、複数ユーザと基地局が同時に通信するマルチユーザMIMOシステムを実現するのに有効で、システムのスループットを飛躍的に上げることができる。但し、アンテナ素子の全てに高性能な信号処理機能を持たせる必要があり、製造コスト上の問題がある。本研究では、圧縮センシング法と呼ばれる新しい信号処理手法などを用いて、マルチユーザアクセスを低コストで実現し、第5世代以降の通信システムに供することを目的とする。
昨年度は、主にFD-MIMOシステムでマルチユーザ分離を実現するためのアンテナ素子選択アルゴリズムの確立を目指した。遺伝的アルゴリズムを用いて、最適なビーム形成を可能とするアンテナ素子を選択する。各アンテナは、その位置の違いによりそれぞれ異なるチャネル応答を持つため、それらのいくつかを選び出して組み合わせることで、素子数と同じだけの送受信機を装備することなく柔軟なビーム形成が可能となることを示した。また、圧縮センシングを実装することを前提に、電波の到来方向推定を例にとって、各種アルゴリズムの比較を行った。
今年度は、昨年度のマルチユーザ分離を実現するためのアンテナ素子選択アルゴリズムの開発を進めつつ、よりユーザ分離能力を高めるため、大規模MIMOのアンテナ素子をサブアレー化して分散配置する方法について検討を進めた。また、圧縮センシングを実装する電波の到来方向推定のための実験環境を整えた。さらに、電波の到来方向推定については、深層学習を導入する方法についても検討を始めた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年に引き続き、大規模マルチユーザMIMOにおける簡易ビーム形成を実現するために、遺伝的アルゴリズムを用いてアンテナ選択を行い、提案手法の潜在能力を追求した。最適な簡易ビーム形成を行うことのできるアンテナを選択するためには、すべてのアンテナの使用・不使用の組み合わせを試して結果を評価する必要がある。しかしながら、アンテナ素子が100素子以上もある大規模アンテナシステムにおいては、その組み合わせが爆発的に増加し、現実的な計算時間では求めることができない。その為にまず、準最適解が得られる遺伝的アルゴリズムを用いて、選択されたアンテナの傾向を調査して、直感的に選択できる方法と比較を行った。昨年は、当初の予想通り、簡易ビーム形成によりある程度の効果が得られることを示すことができた。今年度は、遺伝的アルゴリズムの最適化と選択するアンテナに45度刻みの位相回転を与えて、位相をより揃えやすくすることによって、受信SINRを高めることに成功した。
また、大規模MIMOのアンテナを一か所に集中することなく、サブアレー化して分散配置する分散アンテナアレーシステムについて検討を行った。この方法によって、ユーザの位置による受信電力の分散を小さくすることができ、システム全体のスループットを向上することを示した。
一方、昨年に引き続き、圧縮センシングを実装するため、圧縮センシングの各種アルゴリズムを電波の到来方向推定を例にとった評価を続けた。加えて今年度から、深層学習を用いた到来方向推定についても検討を始めた。その結果、これらのアルゴリズムを用いることで、従来の到来方向推定アルゴリズムと比較して、角度差1度の近接した到来波でも分離可能なことを確認できた。そのうえ、アルゴリズムに対する実証実験を行うための実験環境を整えるため、4素子リニアアレー受信システムを作成した。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年と今年度の成果から、直感的なアンテナ選択による簡易ビーム形成により、ある程度の効果が得られることが判った。しかしながら、送信ウエイトを用いた場合に比べると十分な
特性が得られたとは必ずしも言えず、今後は簡易なデジタル移相器等を用いることを前提としたビーム形成手法の改良を行いたい。また、分散アンテナシステムは，体育館程度の什器等の存在しない室内では有効に働くことを示したが、今後は他の環境での分散アンテナシステムの性能評価を行うことと，アンテナ選択を組み合わせることによる、さらなる性能向上を目指す。
また、今年度は、圧縮センシングのアルゴリズムを実装することを前提に実機による受信機を構築したが，深層学習も含めた様々なアルゴリズムを実験装置に導入し、実証実験を行いたい。
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Research Products
(11 results)
