[論文レビュー] A Real-Time Millimeter-Wave Phased Array MIMO Channel Sounder

C. Umit Bas, Rui Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、28 GHz帯で位相配列ビームフォーミングを用いて、同時に方向性送信と受信を実現するリアルタイムのミリ波MIMOチャネルサウンダーを提案する。2μs未満のサブミクロ秒スイッチングと、ケーブル同期を不要とする位相整合測定を実現することで、1MIMOスナップショットあたりの測定時間を数時間から1.44 msに短縮し、リアルタイムで高分解能かつ動的チャネル特性を高精度に特定可能にする。

ABSTRACT

In this paper, we present a novel real-time MIMO channel sounder for 28 GHz. Until now, the common practice to investigate the directional characteristics of millimeter-wave channels has been using a rotating horn antenna. The sounder presented here is capable of performing horizontal and vertical beam steering with the help of phased arrays. Thanks to fast beam-switching capability, the proposed sounder can perform measurements that are directionally resolved both at the transmitter (TX) and receiver (RX) as fast as 1.44 milliseconds compared to the minutes or even hours required for rotating horn antenna sounders. This does not only enable us to measure more points for better statistical inference but also allows to perform directional analysis in dynamic environments. Equally importantly, the short measurement time combined with the high phase stability of our setup limits the phase drift between TX and RX, enabling phase-coherent sounding of all beam pairs even when TX and RX are physically separated and have no cabled connection for synchronization. This ensures that the measurement data is suitable for high-resolution parameter extraction algorithms. Along with the system design and specifications, this paper also discusses the measurements performed for verification of the sounder. Furthermore, we present sample measurements from a channel sounding campaign performed on a residential street.

研究の動機と目的

• 測定に数分から数時間もかかる従来の回転ホーンアンテナサウンダーの長時間測定を克服すること。
• 動的環境におけるミリ波帯でリアルタイムで方向分解能のあるチャネル測定を可能にすること。
• ケーブルによるクロック同期を不要としつつ、物理的に分離された送信機と受信機間で位相整合された測定を達成すること。
• 位相ドリフトをビームペア間で最小限に抑えることで、RIMAX や SAGE といった高分解能パrameter抽出アルゴリズムの適用を可能にすること。
• 住宅街での屋外測定を通じて、システムの性能を検証すること。

提案手法

• 送信機および受信機に位相配列アンテナを用い、位相シフターにより90度セクタごとに電子的ビームステアリングを実現する。
• 独自開発のFPGAベース制御インターフェースにより、2 μs未満でビーム切り替えが可能であり、迅速なMIMOスナップショット取得を実現する。
• 共通のリファレンスクロックを必要とせず、安定な電圧制御発振器と一貫したランダム位相オフセットを持つ位相ロックループを用いることで、同期を実現する。
• 校正済み周波数応答の逆フーリエ変換により、方向性電力遅延プロファイル（PDP）を推定する：$ P(\theta_{TX},\theta_{RX},\tau) = \big| \tilde{\boldsymbol{F}}^{-1} \big\backslash \{ H_{\theta_{TX},\theta_{RX}}(\vec{f}) / H_{\text{cal}}(\vec{f}) \big\} \big|^2 $。
• 受信機を回転させ、4つの90度セクタの測定を統合することで360度カバーを実現し、送信機および受信機のビーム角度における最大値を用いて方向ごとの電力スペクトルを算出する。
• 位相安定性のおかげで、高分解能パrameter抽出が可能となり、RIMAX や SAGE といった高度なアルゴリズムを用いて、ハードウェア効果に依存しない真の二重方向チャネル特性を回復できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 数時間から数ミリ秒に短縮可能なリアルタイムのミリ波MIMOチャネルサウンダーを開発可能か？
• RQ2 ケーブルによるクロック同期を不要としつつ、分離された送信機と受信機間で位相整合された測定を達成可能か？
• RQ3 動的環境下で、二重方向チャネルモデルの高分解能パrameter抽出を可能にするか？
• RQ4 非視線（NLOS）および長距離伝搬を伴う実環境の屋外環境下で、システムはどのように動作するか？
• RQ5 28 GHz帯の電子的ビームフォーミングにおいて、実現可能なパスロス動的範囲と測定忠実度はどの程度か？

主な発見

• 1MIMOスナップショットあたりの測定時間が1.44ミリ秒に達し、回転ホーンアンテナと比較して数個のオーダー短縮された。
• 波形平均を用いず、400 MHz帯域幅で159 dBの測定可能なパスロスを達成し、高い感度と動的範囲を示した。
• 送信機と受信機間の位相ドリフトは1つのMIMOスナップショット内に限定され、ケーブル同期がなくても位相整合された測定が可能となった。
• 150 mの非視線（NLOS）住宅街リンクでの実測例では、遅延ドメインで整合性のある方向性電力遅延プロファイルが得られ、補正処理を必要としなかった。
• 360度カバーによるパスロス曲線が理論的な自由空間パスロスモデルと一致し、オムニディレクショナルPDP合成の正確性が検証された。
• システムは、RIMAX や SAGE といった高度なアルゴリズムに適した高分解能パrameter抽出を可能にし、ハードウェア効果に依存しない真のチャネル応答を回復できた。