[論文レビュー] A Distributed Multi-RF Chain Hybrid mmWave Scheme for Small-cell Systems

Lou Zhao, Jiajia Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、小セルベースステーション（SBS）およびユーザーの両方で複数のRFチェーンを用いることで、地理的に分散したSBSからの空間的ダイバーシティを活用する分散型ハイブリッドmmWaveシステムを提案する。同時に複数のSBSからの送信と協調的なアナログビームフォーミングを可能にすることで、散乱が限定的で空間的分散が少ないmmWaveチャネルにおいても、従来の集中配置型フルデジタルシステムを上回る総スループットを実現する。これは、視線路（LoS）パスからの追加の自由度を活用することで達成される。

ABSTRACT

This paper proposes a distributed hybrid millimeter wave (mmWave) scheme to exploit the structure of a Densely Deployed Distributed (DDD) small-cell-base-stations (SBSs) system for serving multiple users in a geographic area. Both the SBSs and the users are equipped with full access hybrid architectures with multi-antenna arrays and multiple radio frequency chains. Unlike the conventional cellular networks where users receive data streams from their nearest BSs, the users in our proposed scheme simultaneously receive data streams from different SBSs. With appropriate design of analog beamformers, co-channel multi-data-stream interference can be mitigated and the extra spatial degrees of freedom induced by the geographic distributed SBSs are exploited for data multiplexing. Analytical and simulation results show that the proposed scheme can improve the system sum-rate considerably, especially when the number of scattering components in millimeter wave channels is limited.

研究の動機と目的

• 散乱が少なく、パスロスが高い環境における従来の集中配置型mmWaveベースステーションの空間的自由度（DoFs）の制限を是正すること。
• 密集した小セル展開において、地理的に分散した複数のSBSから得られる空間的ダイバーシティを活用し、スペクトル効率を向上させること。
• SBSおよびユーザーの両方でRFチェーン数が限られているという実用的ハードウェア制約に適合するハイブリッドアナログ/デジタルビームフォーミング方式を設計すること。
• 単一のユーザーに対して複数SBSから同時に複数ストリームを送信できることで、単一BSによるデータ多重化のボトルネックを克服すること。
• 完全デジタルアーキテクチャと比較して、より低いハードウェアコストとエネルギー消費量で高い総スループットを達成すること。

提案手法

• 空間的に分散した複数のSBSを用いるDensely Deployed Distributed（DDD）小セルアーキテクチャを採用し、利用可能なLoS伝搬パスの数を増加させる。
• 各SBSおよびユーザーは、複数のRFチェーンとマルチアンテナアレイを備えたフルアクセスハイブリッドアーキテクチャを装備しており、同時に複数ストリームの送受信が可能である。
• SBSおよびユーザーで共同してアナログビームフォーマーを設計し、共信道マルチストリーム干渉を低減するとともに、主要な電波入射角（AoA）成分に向けてビームを整合させる。
• 分散配置されたSBSの仮想MIMO特性を活用して、散乱が少ないmmWave環境において特に、追加の空間的DoFsを創出する。
• RFチェーン数の制限というハードウェア制約下で、完全なCSI共有を避けることでバックホール負荷を低減する協調ビームフォーミング戦略を構築する。
• LoS成分とNLoS成分のトレードオフをモデル化するパワーレシオパラメータ$\varsigma$を用い、性能向上を最適化するビームフォーミングを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SBSとユーザーの両方で複数のRFチェーンを備えた分散型ハイブリッドmmWaveシステムは、総スループットの観点で、従来の集中配置型フルデジタルシステムを上回ることができるか？
• RQ2 SBSの空間的分散が、散乱成分が限られるmmWaveチャネルにおける自由度にどのように寄与するか？
• RQ3 パワーレシオ$\varsigma$（LoSとNLoS成分の制御に用いる）が、散乱が少ないmmWave環境下でのシステム性能に与える影響は何か？
• RQ4 散乱パス数$N_{\mathrm{cl}}$が増加すると、分散型システムと従来システムとの性能差にどのような影響を与えるか？
• RQ5 提案手法は、完全デジタルシステムと比較して、ハードウェア複雑性とバックホール信号伝送を低減しつつ、高いスペクトル効率を達成できるか？

主な発見

• 提案された分散SBSハイブリッドmmWave方式は、散乱成分が限られる稀なmmWaveチャネルにおいて、従来の集中配置型フルデジタルシステムよりも顕著に高い総スループットを達成する。
• 低SNRおよび中SNR領域では、複数のLoSパスに起因する空間多重性の向上により、分散SBSシステムが従来システムを上回る性能を示す。
• パワーレシオ$\varsigma$が増加する（LoS成分が優勢になる）ほど、分散SBSシステムの総スループットは上昇するが、散乱に起因する自由度が限られているため、従来システムのスループットは頭打ちになる。
• $N_{\mathrm{cl}}$（散乱パス数）が小さい場合、分散SBSシステムと従来システムとの性能差は顕著であり、散乱が少ない環境下での空間的ダイバーシティの優位性が明確に示される。
• ユーザーのアンテナ数$P$が増加するに従い、分散SBSシステムは、ユーザーに少数のアンテナしか設置されていなくても、効果的な複数SBSビームフォーミングにより優れた総スループット性能を維持する。
• 完全デジタルアーキテクチャと比較して、より低いハードウェアコストと減少したバックホール信号伝送で高いスペクトル効率を達成しており、5G mmWave展開に実用的である。