部分接続アーキテクチャを用いたミリ波大規模MIMOシステムのハイブリッドプリコーダ設計

概要

本リポジトリ「Beamforming_mMIMO_Partially-Connected_OMP」は、ミリ波帯（mmWave）における大規模多入力多出力（Massive MIMO）システム向けのハイブリッドプリコーダ設計をMATLABで実装したコード群を提供しています。特に部分接続アーキテクチャに注目し、従来の全接続方式と比較してハードウェアコストや消費電力を抑えつつ、通信性能を維持することを目的としています。プリコーディングには直交マッチング追跡（OMP）アルゴリズムを用いることで、複雑な信号処理を効率的に行い、ミリ波環境でのチャネル特性に適応したビームフォーミング設計を実現しています。IEEE論文のシミュレーション結果の再現や検証に適したリソースとなっています。

主な特徴

ミリ波大規模MIMOシステム向け部分接続型ハイブリッドプリコーダ設計のMATLAB実装
直交マッチング追跡（OMP）アルゴリズムによる効率的なビームフォーミング設計
IEEE論文「Hybrid Precoder Design for mmWave Massive MIMO Systems with Partially Connected Architecture」のシミュレーション再現
ハードウェアコスト削減と通信性能の両立を目指す部分接続方式の検証

技術的なポイント

ミリ波帯の大規模MIMOシステムは、広帯域かつ高次元のチャネル特性を持つため、従来の全デジタルビームフォーミング方式では高コスト・高消費電力という課題があります。そこで本リポジトリでは「部分接続アーキテクチャ」を採用し、各RFチェーンがアンテナの一部のサブセットにのみ接続される構造を前提としています。この構造により、フェーズシフタやRFチェーンの数を抑えることが可能となり、ハードウェアコストと消費電力の削減が実現されます。

プリコーダ設計はハイブリッド方式で行われ、アナログフェーズシフタとデジタルベースバンド処理の組み合わせによって実装されます。アナログプリコーダは位相のみを制御可能であるため、設計自由度が制限される一方、デジタルプリコーダは複雑な重み付けを担います。本リポジトリでは、この制約下で最適なプリコーダ設計を実現するために、OMP（Orthogonal Matching Pursuit）アルゴリズムを活用しています。

OMPはスパース信号復元の分野で広く用いられる手法であり、ここではチャネルのスパース性を活かして、ビームフォーミングベクトルの選択を効率化します。具体的には、ミリ波チャネルの多くのパス成分が限られた角度に集中している性質を利用し、部分接続構造に適合する最適なビームセットを逐次的に選択していきます。このプロセスにより、限られたRFチェーン数と部分接続の制約の中で、高い通信性能を達成します。

さらに、リポジトリのコードはIEEE論文のシミュレーション設定を詳細に再現しており、チャネルモデル、アンテナ構成、性能評価指標（例：スペクトル効率）などを含みます。これにより、研究者や技術者は提案手法の性能を検証したり、パラメータを調整して独自の環境に適用することが可能です。

総じて、本リポジトリはミリ波大規模MIMOにおける部分接続型ハイブリッドビームフォーミングに関する理論と実装を結びつける貴重なリソースであり、将来の5G/6G通信システム設計に向けた基盤技術の理解と発展に寄与します。

まとめ

部分接続型ハイブリッドビームフォーミングを実装し、効率的なプリコーダ設計を実現した優れたリポジトリです。