Interference-Based Decode and Forward Scheme Using Relay Nodes in Heterogeneous Networks

LTE-Advancedのヘテロジニアスネットワークでは、周波数再利用と容量の向上を目的として、マクロセルのカバレッジ内に低消費電力ノード（picocell、femtocell、relay node）を重畳配置する。これらのノードは計画的でない形で配備されることが多く、送信電力レベルやカバレッジ半径も大きく異なるため、同一周波数帯を共有するマクロユーザ端末（M-UE）に対して、macro–pico(femto)共存が深刻なクロスティア干渉を引き起こし得る。本論文は、pico/femto基地局（P(F)-BS）からの干渉により、マクロ基地局（M-BS）にサービスされるM-UEの受信が劣化するダウンリンク状況を対象とする。著者らは、マクロセル内のrelay station（RS）を用いた実用的な「interference-based decode and forward」方式を提案する。従来のリレーが所望信号を転送するのに対し、本方式ではRSが干渉そのものを復号して転送し、M-UEが所望のM-BS送信を受信しつつ干渉をキャンセルできるようにする。主要な目的は、channel-state-information（CSI）推定を含む具体的で実装可能な手順を提示し、理論的チャネルモデルと実測シャドウイング条件の双方で性能を定量化することである。

計算機シミュレーションにより、提案方式は、論文で用いられたアンテナ予算を揃えた比較条件の下で、M-UEにおける従来の2素子適応アレー受信（zero-forcing（ZF）またはminimum mean square error（MMSE）による干渉除去）よりも伝送レートを改善することが示された。著者らは、M-UEで転送干渉を抽出するための近似（RS-to-UEリンクが支配的であるとみなす）が、M-UEにおけるRS転送干渉に対するsignal-to-interference ratio（SIR）が十分小さいときに精度良く成り立つことを示している。具体的には、SIR < −10 dBのとき、図示結果における「上限（upper bound）」ケースとの伝送レート差は1 bit/s未満と報告されている。性能はRS–UEリンク品質に強く依存し、M-RSとM-UE間のSNRが十分高い場合に提案法がZF/MMSEを上回る。強調される条件として、RS–UE SNRがM-BS–UE SNRより約8 dB高いと有効になることが示され（M-BS–UE平均SNR 20 dB、M-BS/P-BS SIR 0 dBの設定でRS–UE SNR > 28 dBというしきい値例にも反映）、リンク条件の重要性が示されている。macro–femto共存の実測シャドウイング統計を用いたシステムレベルシミュレーションでは、リレー数NRが増えるにつれて平均スループットが増加し、あるQPSK干渉ケースではおおむねNR ≥ 6を超えると増加が逓減する一方、NR = 4でも提案方式がZF/MMSEを上回ることが示された。さらに、femto-BSが固定QPSKではなくadaptive modulationを用いる場合、RSでの干渉復号が難しくなり、より高いinterference-to-noise ratio（INR）を要するため、QPSK干渉を仮定した場合と比べてマクロのスループットが低下するが、それでもリレー追加により性能は改善する。

本論文は、duplexingの非対称性を仮定した2タイムスロット手順を構築する。すなわち、マクロセルはFDDを用い、pico/femto-BSはTDDを用いて「time slot 1」で送信し「time slot 2」で受信すると仮定する。time slot 1では、マクロリレー（M-RS）が（M-BSの送信重み付けにより）所望のM-BS信号ではなく干渉P-BS信号を主として受信するよう強制され、これによりM-RSは干渉を復号できる。time slot 2では、M-RSが復号した干渉をM-UEへ転送する一方で、M-BSは所望データの送信を継続し、M-UEは強いRS–UEリンクを用いて干渉成分を推定し、2スロットにわたる所望信号復号の際に干渉をキャンセルする。6段階のプロトコルは以下のとおりである。(1) 3期間に分割されたpreambleを用いて、必要なCSI（M-BS/M-UE、M-BS/M-RS、M-RS/M-UE、P-BS/M-UE、P-BS/M-RS）をすべて推定する。(2) slot-1のデータ期間中にM-RSでM-BS信号がヌルとなるようM-BS重みを設定する。(3) 受信信号と推定したP-BS/M-RSのCSIを用いて、M-RSで干渉を復号する。(4) slot 2で、M-RSからM-UEへ復号干渉を送信する。(5) RS–UEのCSIと、RS–UE SNRが高いことに依拠した近似を用いて、slot-2受信信号からM-UEで干渉を推定する。(6) 2スロットの観測、CSI推定値、再構成した干渉を用いて所望データを復号する。CSI推定はleast squaresで行い（Tp1 = 5 symbolsを各subpreambleセグメント当たりに使用）、性能は、チャネル符号化なし・Rayleigh fading下のシミュレーションで評価する。マクロリンクには、瞬時SNRに基づくadaptive modulationを用い、BER = 5 × 10−3に対応する必要SNRしきい値を適用する。干渉はQPSK（拡張検討ではadaptive modulation）とする。スループットは、長さ600 symbolsのフレームをNF = 20000フレームにわたり計算する。実測に基づく評価では、キャンパスの建物／駐車場シナリオにおいて2.2 GHzで10 Wのcontinuous-wave送信を用いてシャドウイング統計を収集し、測定されたシャドウイング標準偏差（例：屋外の所望リンクで5.1、femto-to-macro干渉では配置により4.8–6.6）を、ヘテロジニアスなpath-lossモデル（[17]）とfemtocellのランダム配置を用いる大規模シミュレーションに組み込む。このときNRを4から16まで変化させ、M-UEに対して最も高いSNRを与えるリレーを選択するという理想化した選択を行う。

著者らは、所望信号を転送するのではなく干渉を復号して転送することが、LTE-Advanced型ヘテロジニアスネットワークにおけるクロスティア干渉キャンセルの有効で、かつ実装手順として具体化可能な仕組みになり得ると結論づけている。提案方式の意義は、リレー転送フェーズにおいてM-BSがダウンリンク送信を停止することなく「協調的（cooperative）」な干渉緩和を達成しようとする点にあり、リレーをM-UE近傍に配置することでRS–UE SNRがBS–UE SNRより大幅に大きくなるという仮定を活用する。総アンテナ資源と送信電力を揃えた比較シミュレーションでは、本方式はUEでZFまたはMMSEを用いる従来の2アンテナ適応アレー受信より高い伝送レートを与え、論文ではRS–UEリンクがM-BS–UEリンクより十分強い（約8 dB）ことが重要条件として強調されている。また、macro–femto共存における実測シャドウイング効果を取り入れ、測定統計の下でも複数リレー構成で性能利得が維持されることを示すことで、実用的妥当性も補強している。ただし、リレー数の増加に伴い利得が飽和し得ることも示されている。論文は本アプローチを、リレーが干渉除去を支援する「仮想アンテナ」として機能する分散アンテナ構成に類するものとして位置づけている。

本論文は、現時点の評価の制約に根ざした今後の課題を複数挙げている。第一に、干渉キャンセルの有効性はセルサイズやカバレッジ関係に敏感であることが指摘される。干渉電力がマクロセルとpico(femto)セルのサービスエリアに強く依存するため、macrocell/picocellのサービスエリアを変化させた影響評価を行うことが提案されている。第二に、シミュレーションでは干渉キャンセル手順の「基本能力」を切り分けるため意図的にチャネル符号化を省いているが、LTE-Advancedはhybrid ARQや符号化に依存するため、現実的なチャネル符号化および再送機構の下で提案方式を評価することが不可欠な次の段階であると述べている。第三に、本手順は関連区間（特にM-BS–M-RSチャネル）にわたるチャネル安定性を仮定しており、非常に高いドップラーでは重み更新が必要になり得るため、そのような時間変動に対するロバスト性の検討が将来課題として明示されている。最後に、実測に基づく検討では、リレーが干渉の変調情報（例：femtoのcontrol channel経由）を正しく取得し伝達できると仮定しているが、このような情報交換が不完全または制約される場合の評価が必要であるとしており、論文はこの仮定を述べるにとどまり詳細は展開していない。

LTE-Advanced(LTEを発展させた高速通信の規格で、多くの基地局方式や通信方式を組み合わせて通信容量を増やします)では、同じ周波数を何度も使って通信容量を増やすために、大きな基地局のエリア（マクロセル(数百メートルから数キロの広い範囲をカバーする大きな基地局のサービスエリアです)）の中に、小さくて送信電力が低い基地局（ピコセル(数十メートル程度の小さな範囲をカバーする小型基地局で、混雑しやすい場所の容量を増やすのに使われます)やフェムトセル(屋内などで使う超小型基地局で、低い送信電力で動き、設置が比較的簡単です)）や中継局（リレー）を置くことがあります。
しかし、これらの小さな基地局は計画的に置かれないことも多く、電波の強さや届く範囲もバラバラです。そのため、同じ周波数を使っていると、マクロセルの利用者（M-UE）が小さな基地局から強い邪魔な電波（干渉）を受けて、通信品質が大きく悪くなることがあります。

この論文は、ピコセルやフェムトセルの基地局（P(F)-BS）からの干渉によって、マクロ基地局（M-BS）と通信しているM-UEの受信が悪くなる「下り通信（ダウンリンク(基地局からスマホなどの端末へデータを送る方向の通信です)）」を対象にしています。そこで著者らは、マクロセル内のリレー局(基地局と利用者の間に置き、電波を中継して届きやすくしたり、通信品質を上げたりする装置です)（RS）を使い、干渉を減らすための実装しやすい方法として「干渉を復号して転送する方式（interference-based decode and forward(RSが干渉信号を読み取ってから端末へ送り、端末が干渉を打ち消せるようにする中継方式です)）」を提案します。
普通のリレーは「欲しい信号」を中継しますが、この方式ではRSが「邪魔な信号（干渉）」を読み取ってM-UEに送ります。そうするとM-UEは、その情報を使って干渉を打ち消しながら、M-BSからの本来の信号を受信しやすくなります。目的は、チャネル状態の推定（CSI(電波がどれだけ弱まるかや位相がどう変わるかなど、通信路の状態を表す情報で、送信制御や受信処理に必要です)推定）も含めた具体的な手順を示し、理論モデルと実測データの両方で効果を数値で確認することです。

シミュレーションの結果、提案方式は、同じアンテナ数など条件をそろえた比較において、M-UE側で2本アンテナの受信処理（ZF(干渉を数学的に打ち消すことを優先する受信処理で、条件によっては雑音の影響が大きくなります)やMMSE(干渉と雑音の両方を考えて誤差が小さくなるように受信する方法で、現実的な条件でよく使われます)で干渉を消す方法）を使う従来方式よりも、通信速度（伝送レート）を上げられることが示されました。

また、M-UEがRSから送られてきた干渉情報を取り出すときに使う近似が、ある条件でよく成り立つことが確認されました。具体的には、RSから来る干渉の強さに対して目的信号が相対的に十分弱い状況（SIR(信号の強さが干渉よりどれくらい大きいかを示す指標で、干渉が強いほど小さくなります)が十分小さい状況）では近似が正確で、SIRが−10 dBより小さいとき、理想的な上限ケースとの差が1 bit/s未満でした。

ただし性能は、RSとM-UEの間の通信がどれだけ良いかに強く左右されます。RS–UE間のSNR(信号の強さが雑音よりどれくらい大きいかを示す指標で、高いほど通信が安定しやすいです)が十分高いときに提案方式が有利で、特にRS–UEのSNRがM-BS–UEのSNRより約8 dB高いと効果が出やすいことが示されています（例として、M-BS–UE平均SNRが20 dBなら、RS–UE SNRが28 dBを超えると有利になりやすい、など）。

さらに、実際に測った電波の影響（シャドウイング(建物などの遮りによって受信電力がゆっくり変動する現象で、場所による通信品質の違いに関係します)）を使った大規模シミュレーションでは、リレーの数を増やすほど平均スループット(実際に一定時間でどれだけデータを運べたかを表す性能指標です)が増えました。ただし、干渉がQPSK(1回の信号で2ビットを表す変調方式で、比較的ノイズに強く基本的な方式としてよく使われます)の場合は、リレー数がだいたい6以上になると増加がゆるやかになりました。それでも、リレーが4個の条件でも提案方式がZF/MMSEより良い結果を出しました。
一方で、フェムトセル(屋内などで使う超小型基地局で、低い送信電力で動き、設置が比較的簡単です)側が固定QPSKではなく状況に応じて変調を変える場合（adaptive modulation(電波状況に合わせて変調方式を切り替え、速度と安定性のバランスを取る仕組みです)）、RSが干渉を読み取るのが難しくなり、より高いINR(干渉の強さが雑音よりどれくらい大きいかを示す指標で、干渉を読み取る難しさにも関わります)が必要になるため、マクロ側のスループットは下がります。それでもリレーを増やすことで改善は続くことが示されました。

提案方式は、2つの時間区間（2タイムスロット）で動きます。マクロ側はFDD(送信と受信で違う周波数を使って同時に通信する方式です)、小型基地局側はTDD(送信と受信で同じ周波数を使い、時間を分けて交互に通信する方式です)で、TDD側が「スロット1で送信、スロット2で受信」すると仮定します。

スロット1では、マクロ側のRSが「M-BSからの本来の信号」ではなく「P-BSからの干渉」を主に受け取るように、M-BSが送信の重み付け（ビームの向き）を調整します。これによりRSは干渉を復号できます。
スロット2では、RSが復号した干渉をM-UEへ送ります。同時にM-BSはデータ送信を止めずに続けます。M-UEはRS–UEの良い通信状態を利用して干渉成分を推定し、2スロット分の受信情報を使って干渉を打ち消しながら目的データを復号します。

手順は6段階です。
1つ目に、preamble(通信の最初に送る既知の信号で、チャネル推定などの準備に使います)を使って必要なCSI(電波がどれだけ弱まるかや位相がどう変わるかなど、通信路の状態を表す情報で、送信制御や受信処理に必要です)をすべて推定します。
2つ目に、スロット1の間、RSにM-BSの信号が届きにくいようM-BSの送信を調整します。
3つ目に、RSが干渉を復号します。
4つ目に、スロット2でRSが復号した干渉をM-UEへ送ります。
5つ目に、M-UEがスロット2の受信から干渉を推定します（RS–UEリンクがとても強いという条件を利用します）。
6つ目に、2スロットの受信結果とCSI推定値、推定した干渉を使って目的データを復号します。

評価では、CSI推定に最小二乗法(観測データとモデルのずれが小さくなるように値を推定する計算方法で、チャネル推定によく使われます)を使い、チャネル符号化なしの条件で基本性能を確認しています。さらに、実測したシャドウイング(建物などの遮りによって受信電力がゆっくり変動する現象で、場所による通信品質の違いに関係します)の統計を取り入れたシミュレーションも行い、リレー数を変えたときの平均スループット(実際に一定時間でどれだけデータを運べたかを表す性能指標です)の変化を調べています。

この論文は、「欲しい信号を中継する」のではなく「邪魔な信号（干渉）を復号して中継する」ことで、LTE-Advanced(LTEを発展させた高速通信の規格で、多くの基地局方式や通信方式を組み合わせて通信容量を増やします)のようなヘテロジニアスネットワーク(大きい基地局と小さい基地局が同じエリアに混在して通信する仕組みで、電波の干渉が起きやすいのが課題です)でクロスティア干渉(マクロセルとピコセルやフェムトセルなど、違う種類のセル同士が同じ周波数を使うことで起こる干渉です)を減らせる可能性が高いと結論づけています。
特に重要なのは、RSが干渉を送る間もM-BSが送信を止めずに済む点で、現実のシステムで使いやすい協調的な干渉緩和を狙っています。また、RSをM-UEの近くに置いてRS–UEのSNR(信号の強さが雑音よりどれくらい大きいかを示す指標で、高いほど通信が安定しやすいです)を高くできるなら、ZF(干渉を数学的に打ち消すことを優先する受信処理で、条件によっては雑音の影響が大きくなります)/MMSE(干渉と雑音の両方を考えて誤差が小さくなるように受信する方法で、現実的な条件でよく使われます)を使う従来の2アンテナ受信より高い伝送レートが期待できます。
さらに、実測したシャドウイング(建物などの遮りによって受信電力がゆっくり変動する現象で、場所による通信品質の違いに関係します)を使った評価でも、複数リレー構成で効果が保たれることを示し、実用性の根拠を強めています。一方で、リレーを増やし続けても効果が頭打ちになる場合があることも示しています。提案方式は、RSが干渉除去を助ける「仮想アンテナ」のように働く仕組みだと位置づけられています。

今後の課題として、主に次の点が挙げられています。
1つ目は、干渉キャンセル(邪魔な電波成分を推定して取り除き、本来の信号を受信しやすくする技術です)の効果がセルの大きさやサービスエリアの重なり方に敏感なので、マクロセル(数百メートルから数キロの広い範囲をカバーする大きな基地局のサービスエリアです)やピコセル(数十メートル程度の小さな範囲をカバーする小型基地局で、混雑しやすい場所の容量を増やすのに使われます)の範囲を変えた場合の影響を評価する必要があることです。
2つ目は、今回の評価では基本性能を見るためにチャネル符号化を省いているが、実際のLTE-Advanced(LTEを発展させた高速通信の規格で、多くの基地局方式や通信方式を組み合わせて通信容量を増やします)では符号化やhybrid ARQ(誤りがあったとき再送を行い、受信側が過去の受信結果も利用して復号性能を上げる仕組みです)が重要なので、それらを含めた条件で評価する必要があることです。
3つ目は、チャネルが時間的にあまり変わらないという前提があり、高速移動などでドップラー(移動によって電波の周波数がずれ、チャネルが時間的に変化しやすくなる現象です)効果が大きいと重み付け更新が必要になる可能性があるため、時間変動への強さを調べる必要があることです。
4つ目は、実測を使った評価では、RSがフェムトセル(屋内などで使う超小型基地局で、低い送信電力で動き、設置が比較的簡単です)の変調方式などの情報を正しく入手してM-UEへ伝えられると仮定しているが、情報交換が不完全な場合の評価も必要だという点です。