[論文レビュー] A New Millimeter Wave MIMO System for 5G Networks

Mojtaba Ahmadi Almasi, Roohollah Amiri+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、6G mmWaveネットワーク向けに、基地局に完全なレンズ、端末機器に不完全なレンズを備えたレンズベースの再構成可能アンテナMIMOシステムを提案する。この手法により、ハードウェアの物理的フットプリントを低減する。アラムーティ空間時間ブロック符号化と最適ビーム選択を統合することで、完全な分岐利得を達成し、平均SNRを著しく向上させ、ランダムビーム選択よりもSNRおよびビット誤り率性能で優れる。

ABSTRACT

Millimeter Wave (mmWave) band provides a large spectrum to meet the high-demand capacity by the 5th generation (5G) wireless networks. However, to fully exploit the available spectrum, obstacles such as high path loss, channel sparsity, and hardware complexity should be overcome. To this end, the present paper aims to design a new multiple-input multiple-output (MIMO) system using lens-based multi-beam reconfigurable antennas. The proposed MIMO system uses complete lens at the transmitter and incomplete lens at the receiver. To reduce hardware complexity, we utilize an optimal beam selection technique. Our analysis demonstrates that the proposed MIMO system along with the optimal beam selection technique increases the average signal-to-noise ratio (SNR). Also, simulations show that the system achieves full-diversity gain.

研究の動機と目的

• 再構成可能アンテナの端末機器における物理的フットプリントを低減することで、mmWave MIMOシステムにおける高い経路損失とハードウェア複雑性に対処すること。
• mmWave帯域のチャネルの疎らさと低ランク特性を克服するため、新規なレンズベースのマルチビームビームフォーミングアーキテクチャを提案すること。
• RFチェーンの数を最小限に抑える一方で、mmWave MIMOシステムにおける完全な分岐利得と向上したスペクトル効率を達成すること。
• 従来のハイブリッドビームフォーミングに代えてレンズベースのビーム選択アプローチを採用することで、必要な位相シフト器とRFチェーンの数を削減すること。
• 最適ビーム選択にアラムーティSTBCを組み合わせることで、完全な分岐利得が得られ、ランダムビーム選択に比べて優れたBER性能を達成できることを実証すること。

提案手法

• 基地局に完全な球形レンズ、端末機器に不完全な球形レンズを採用することで、モバイル機器における空間要件を低減する。
• 各送信再構成可能アンテナは、1つのRFチェーンをビーム選択ネットワーク（BSN）を介して複数のテーパードスロットアンテナ（TSA）に接続し、レンズを介して制御する。
• 受信機は複数のRFチェーンをTSAに接続しており、空間 multiplexing と分岐利得を可能にする。
• 最適ビーム選択アルゴリズムは、各RFチェーンに対してチャネルゲインが最大のビームを選択し、瞬間的なSNRを最大化する。
• アラムーティSTBCとビーム選択を統合することで、レイノルズフェージングチャネル上でも完全な分岐利得を達成する。
• 理論的解析により、カイ二乗分布するチャネルゲインの順序統計を用いて期待SNR利得を導出し、複数ビーム間の最大ゲインの期待値について閉形式表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レンズベースの再構成可能アンテナMIMOシステムは、mmWave帯域における高いスペクトル効率を維持しつつ、端末機器の物理的サイズを小さくできるか？
• RQ2 レンズベースのMIMOシステムにおける最適ビーム選択は、ランダムビーム選択と比較して完全な分岐利得を達成できるか？
• RQ3 提案手法は、mmWaveチャネルにおいて平均SNRをどの程度向上させ、ビット誤り率（BER）をどの程度低減できるか？
• RQ4 送信機および受信機におけるビーム数が、提案システムにおける実現可能なSNR利得にどのように影響するか？
• RQ5 多数の位相シフト器やRFチェーンに依存せずに、mmWaveチャネルの疎らさと高い経路損失を克服できるか？

主な発見

• 最適ビーム選択を採用した本稿のRA-MIMOシステムは、BERシミュレーションにより、M_B = 1, 2, 3 の場合にそれぞれ分岐次数2, 4, 6を確認し、完全な分岐利得を達成している。
• 最適ビーム選択技術の平均SNR利得は、B_n,m > 1 の場合に1以上であり、RFチェーンごとのビーム数が増加するにつれて利得が増加する。
• M_B = 2 および N_B = 1 の場合、システムは分岐次数4を達成しており、送信ビーム数に比例して分岐利得が向上することを示している。
• 解析的SNR利得式から、送信機または受信機におけるビーム数を増やすことで期待SNRが向上することが示され、利得はビーム数およびその分布に依存する。
• シミュレーションにより、最適ビーム選択アルゴリズムがランダムビーム選択よりもBERおよびSNR性能で優れていることが確認され、特に高SNR領域で顕著である。
• 端末機器に不完全なレンズを採用することで、空間的要件が著しく低減され、モバイル機器への統合がより現実的になる。