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無線通信において、協調型多入力多出力（協調型MIMO、CO-MIMO ）は、移動体フェージングチャネルの空間領域を効果的に活用することで、無線通信システムの性能を大幅に向上させる技術です。ネットワークMIMO、分散型MIMO、仮想MIMO、仮想アンテナアレイとも呼ばれます。
ポイントツーポイントMIMOまたはコロケーションMIMOとして知られる従来のMIMOシステムでは、通信リンクの送信機と受信機の両方に複数のアンテナを装備する必要があります。MIMOは、IEEE 802.11n（Wi-Fi）、IEEE 802.11ac（Wi-Fi）、HSPA+（3G）、WiMAX（4G）、Long-Term Evolution（4G）などの無線通信規格の不可欠な要素となっていますが、多くの無線デバイスは、サイズ、コスト、および/またはハードウェアの制限により、複数のアンテナをサポートできません。さらに重要なことに、モバイルデバイスや固定無線プラットフォーム上のアンテナ間の間隔は、多くの場合、意味のあるパフォーマンス向上を可能にするには不十分です。さらに、アンテナの数が増えるにつれて、実際のMIMOパフォーマンスは理論上の向上からさらに遠ざかります。[ 1 ]
協調型MIMOは、複数の無線機器に分散配置されたアンテナを使用することで、MIMOの理論的な利得に近い性能を実現します。協調型MIMOの基本的な考え方は、複数の機器を仮想アンテナアレイにグループ化してMIMO通信を実現することです。協調型MIMO伝送では、仮想アレイ内のリンク、場合によっては異なる仮想アレイ間のリンクなど、複数のポイントツーポイント無線リンクが用いられます。
協調型MIMOの欠点は、システムの複雑化と、デバイス間の協調をサポートするために必要な大きな信号オーバーヘッドに起因する。一方、協調型MIMOの利点は、無線ネットワークの容量、セルエッジスループット、カバレッジ、およびグループモビリティを費用対効果の高い方法で向上させることができる点にある。これらの利点は、分散アンテナを使用することで実現される。分散アンテナは、MIMOサブチャネルの相関を低減することでシステム容量を増加させ、マイクロダイバーシティに加えてマクロダイバーシティの利点も活用できるようにする。セルラーモバイルネットワークや無線アドホックネットワークなど、多くの実用的なアプリケーションでは、協調型MIMO技術を導入する利点が欠点を上回る。近年、協調型MIMO技術は無線通信規格の主流に採用されている。
協調マルチポイント (CoMP) では、データとチャネル状態情報(CSI) が隣接するセルラー基地局(BS)間で共有され、ダウンリンクでの送信を調整し、アップリンクでの受信信号を共同で処理します。システムアーキテクチャを図 1a に示します。CoMP 技術は、本来有害なセル間干渉を有効な信号に効果的に変換し、大きな電力利得、チャネルランクの優位性、および/またはダイバーシティ利得を活用できるようにします。CoMP では、BS 間で情報 (データ、制御情報、CSI など) を交換できるように、高速バックホールネットワークが必要です。これは通常、光ファイバーフロントホールを介して実現されます。CoMP は 4G 規格に導入されています。[ 7 ]
固定リレー（図 1b に示す）は、有線バックホール接続のない低コストの固定無線インフラストラクチャです。BS から受信したデータを保存し、移動局(MS) に転送し、またその逆も行います。固定リレー局 (RS) は通常、BS よりも送信電力とカバレッジエリアが小さくなります。セルラーネットワークでは、カバレッジの拡張、総送信電力の削減、トラフィック需要の高い特定の地域の容量の強化、および/または信号受信の改善のために、戦略的かつ費用対効果の高い方法で配置できます。移動局 (MS) は、リレーからの信号と、場合によっては BS からのソース信号を組み合わせることで、リレーチャネルの固有の多様性を活用できます。固定リレーの欠点は、リレー処理で発生する追加の遅延と、RS での周波数再利用による干渉レベルの潜在的な増加です。最も成熟した協調 MIMO 技術の 1 つとして、固定リレーは主要なセルラー通信規格で大きな支持を集めています。[ 8 ] [ 9 ]
モバイルリレーは、RS（リレーステーション）が移動可能であり、ネットワークのインフラストラクチャとして配置されていないという点で、固定リレーとは異なります。そのため、モバイルリレーは、さまざまなトラフィックパターンに対応し、さまざまな伝搬環境に適応する上で、より柔軟です。たとえば、ターゲットMSが一時的にチャネル状態が悪化したり、比較的高いレートのサービスを必要とする場合、近隣のMSがマルチホップカバレッジを提供したり、ターゲットMSに情報を中継することでデータレートを向上させたりすることができます。さらに、モバイルリレーは、より迅速かつ低コストなネットワーク展開を可能にします。固定リレーと同様に、モバイルリレーは、カバレッジエリアを拡大したり、全体の送信電力を削減したり、セルエッジでの容量を増加させたりすることができます。一方で、モバイルリレーは機会主義的な性質を持つため、ネットワークトポロジーが非常に動的で不安定であることから、固定リレーよりも信頼性が低くなります。
モバイルユーザーリレーは、分散型MSが自己組織化して無線アドホックネットワークを構築できるようにし、マルチホップ伝送を使用してセルラーネットワークインフラストラクチャを補完します。研究によると、モバイルユーザーリレーは、十分なインフラストラクチャサポートがあれば、ユーザーのスループットの合計として測定されるネットワーク全体の容量がユーザー数に比例してスケーリングできるという根本的な利点があります。[ 10 ] [ 11 ]したがって、モバイルユーザーリレーは将来のセルラーシステムにとって望ましい機能強化です。しかし、モバイルユーザーリレーは、ルーティング、無線リソース管理、および干渉管理において課題に直面しています。
LTEにおけるデバイス間通信（D2D）は、モバイルリレーへの一歩である。[ 12 ]
協調型MIMOでは、復号処理はN <sub>T </sub>個の元のデータシンボルのN<sub> R </sub>個の線形結合を収集することによって行われます。ここで、 N <sub>R </sub>は通常、受信ノードの数、N <sub>T </sub>は送信ノードの数です。復号処理は、 N <sub>R </sub>個の線形方程式の連立方程式を解くことと解釈できます。この連立方程式の未知数は、データシンボル（ N <sub>T</sub> ）と干渉信号の数に等しくなります。したがって、データストリームを正常に復号するには、独立した線形方程式の数（N<sub> R</sub> ）が、データストリーム（ N <sub>T</sub> ）と干渉ストリームの数以上である必要があります。
協調サブスペース符号化（線形ネットワーク符号化とも呼ばれる）では、ノードは、自然にランダムな散乱環境の測定値から選択できる係数を使用して、元のパケットのランダムな線形結合を送信します。あるいは、散乱環境を利用して送信を符号化します。[ 13 ]空間サブチャネルが互いに十分に無相関であれば、受信機が線形独立な結合（したがって革新的な情報）を取得する確率は 1 に近づきます。ランダム線形ネットワーク符号化は優れたスループット性能を持ちますが、受信機が十分な数のパケットを取得しない場合、元のパケットを復元できる可能性は極めて低くなります。これは、受信機が復号を可能にするのに十分な数の符号化パケットを取得するまで、追加のランダム線形結合（MIMO チャネル行列のランクを上げる、またはチャネルコヒーレンス時間よりも後の時間に再送信するなど）を送信することによって対処できます。[ 14 ]
協調サブスペース符号化は、復号化の計算複雑度が高いという課題を抱えています。しかし、協調MIMO無線では、MIMO復号化は、ランダム線形ネットワーク復号化とほぼ同じ、あるいは全く同じ方法を採用しています。ランダム線形ネットワーク符号は、符号化ブロックに付随する係数ベクトルが大きいため、オーバーヘッドが大きくなります。しかし、協調MIMO無線では、係数ベクトルは既知のトレーニング信号から測定でき、これは既にチャネル推定で実行されています。最後に、符号化ベクトル間の線形依存性により、新規符号化ブロックの数が減少します。ただし、無線チャネルにおける線形依存性はチャネル相関の関数であり、これは協調MIMOによって解決される問題です。
セルフリー大規模MIMOは、セル境界の概念を取り除くことで協調MIMOを一般化した関連概念です。セルフリーネットワークでは、多数の分散アクセスポイント（AP）が、集中調整の下、同じ時間周波数リソース上で全てのユーザーに共同でサービスを提供します。CoMPや従来のネットワークMIMOでは、通常、事前定義されたセル内の限られた数の基地局間で協調が行われますが、セルフリーMIMOでは、全てのAPを単一の仮想アンテナアレイとして扱います。このアーキテクチャは、均一なサービス品質を提供し、設計上、セル間干渉を軽減します。[ 15 ]
協調型MIMOが導入される以前は、セル間干渉を軽減するためにセル基地局間の共同処理が提案され[ 16 ]、協調型ダイバーシティ[ 17 ]はリレーを使用してダイバーシティ利得を増加させたが、スペクトル効率が低下するという代償があった。しかし、これらの技術はいずれも干渉を利用して空間多重化利得を得ることはなく、スペクトル効率を劇的に向上させることはできない。
2001 年、協調 MIMO は Idris Communications の科学者 Steve Shattil によって仮特許出願[ 18 ]で紹介され、協調マルチポイントおよび固定リレーが開示されました。その後、S. Shamai と BM Zaidel がシングルユーザーセルのダウンリンク共同処理で「ダーティペーパー」プリコーディングを提案した論文が発表されました。[ 19 ] 2002 年、Shattil は米国特許番号 7430257 [ 20 ]および米国公開番号 20080095121 [ 21 ]で協調 MIMO のモバイルリレーおよびネットワークコーディングの側面を紹介しました。協調 MIMO におけるソフトウェア定義無線(SDR) および分散コンピューティングの実装は、米国特許番号 7430257 (2002 年) および 8670390 [ 22 ] (2004 年) で紹介され、クラウド無線アクセスネットワーク( C-RAN )の基盤となりました。
協調型MIMOのサーバー側実装は、 4Gセルラー仕様に最初に採用され、 5Gにとって不可欠なものとなっています。CoMPと固定リレーは、データセンターでベースバンド処理リソースをプールし、セルラー基地局の代わりに、シンプルで安価な無線端末（リモート無線ヘッドなど）を高密度に展開することを可能にします。これにより、ネットワーク需要に合わせて処理リソースを容易に拡張でき、分散アンテナによって各ユーザーデバイスがシステムの全スペクトル帯域幅を利用できるようになります。しかし、ユーザーあたりのデータ帯域幅は依然として利用可能なスペクトル量によって制限されており、ユーザーあたりのデータ使用量が増加し続けているため、これは懸念事項となっています。
クライアント側協調MIMOの普及は、サーバー側協調MIMOに比べて遅れている。モバイルリレーなどのクライアント側協調MIMOは、クラスタ内のクライアントデバイス間で処理負荷を分散できるため、クラスタが大きくなるにつれてプロセッサあたりの計算負荷をより効率的に拡張できる。クライアントデバイスの調整には追加のオーバーヘッドが発生するものの、クラスタ内のデバイスは短距離無線リンクを介して無線チャネルと空間サブチャネルを共有できる。つまり、クラスタが大きくなるにつれて、ユーザーあたりの利用可能な瞬時データ帯域幅も増加する。したがって、ユーザーあたりのデータ帯域幅は物理法則（シャノン・ハートレーの定理など）によって厳しく制限されるのではなく、ムーアの法則に従って向上し続ける計算処理能力によってのみ制限される。クライアント側協調MIMOには大きな可能性が秘められているが、ユーザーベースのインフラストラクチャはサービスプロバイダーにとって収益化が難しく、他にも技術的な課題がある。
移動中継器は全体の伝送エネルギーを削減できますが、この節約は計算処理の増加に必要な回路エネルギーによって相殺される可能性があります。ある一定の伝送距離の閾値を超えると、協調MIMOは全体的なエネルギー節約を達成することが示されています。[ 23 ]協調MIMOにおける最も重要かつ困難な問題の1つであるタイミングと周波数のオフセットを処理するためのさまざまな技術が開発されています。[ 24 ] [ 25 ]最近では、効率的なMACプロトコルの開発に研究が集中しています。[ 26 ]
このセクションでは、CoMPシステムにおける協調MIMOダウンリンクチャネルのシステムモデルを用いたプリコーディングについて説明します。複数の基地局（BS）が、合計M個の送信アンテナを用いてK個のユーザと同時に通信を行います。
ユーザーk ( k = 1,... , K ) はN k 個の受信アンテナを持っています。基地局からk番目のユーザーへのチャネル モデルは、N k × Mのチャネル マトリックスH kで表されます。
s k をk番目のユーザの送信シンボルベクトルとする。ユーザkに対して、データベクトルs kをM × 1 の送信ベクトルW k × s kに変換する線形送信プリコーディング行列W kが基地局によって使用される。k番目のユーザにおける受信信号ベクトルは次式で表される。、
ここでn k = [ n k, 1 , …, n k,Nk ] Tはk番目のユーザー のノイズベクトルを表し、(.) T は行列またはベクトルの転置を表します。ノイズベクトルn kの成分n k,iは、 k = 1,..., Kおよびi = 1,..., N kに対して、平均ゼロ、分散σ 2の独立同分布です。最初の項H k W k s kは目的信号を表し、2 番目の項は、 は、ユーザーkが受信する干渉を表します。
ネットワークチャネルはH = [ H 1 T ,..., H K T ] Tと定義され、すべてのユーザが受信する対応する信号セットは次のように表されます。
ここで、H = [ H 1 T ,..., H K T ] T 、y = [ y 1 T ,…, y K T ] T 、W = [ W 1 T ,..., W K T ] T 、s = [ s 1 T ,…, s K T ] T、n = [ n 1 T ,..., n K T ] T である。
プリコーディング行列Wは、協調MIMOシステムの性能を向上させるために、チャネル情報に基づいて設計される。
あるいは、空間デマルチプレクサと呼ばれる受信側処理によって、送信されたシンボルが分離されます。プリコーディングがない場合、すべてのユーザーが受信する信号のセットは次のように表されます。
受信信号は、空間逆多重化行列Gを用いて処理され、送信シンボルが復元される。。
一般的なプリコーディング方式には、ゼロフォーシング（ZF）、最小平均二乗誤差（MMSE）プリコーディング、最大比伝送（MRT）、ブロック対角化などがあります。一般的な空間デマルチプレクサ方式には、ZF、MMSE合成、逐次干渉除去などがあります。
