[論文レビュー] Design of a Planar Eleven Antenna for Optimal MIMO Performance as a Wideband Micro Base-station Antenna

Aidin Razavi, Wenjie Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2018

Antenna Design and Analysis参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、1.6–2.8 GHz帯で2-, 4-, 8ポートMIMO運用を想定した低プロファイル平面型 Eleven アンテナを提示する。遺伝的アルゴリズムを用いた最適化により、ランダム-LOSおよびRIMP環境下で高いMIMO効率を達成しており、4ポートモードが多様性と埋め込み効率の向上により最良の性能を示す。

ABSTRACT

A new low-profile planar Eleven antenna is designed for optimal MIMO performance as a wideband MIMO antenna for micro base-stations in future wireless communication systems. The design objective has been to optimize both the reflection coefficient at the input port of the antenna and the 1-bitstream and 2-bitstream MIMO efficiency of the antenna at the same time, in both the Rich Isotropic MultiPath (RIMP) and Random Line-of-Sight (Random-LOS) environments. The planar Eleven antenna can be operated in 2-, 4-, and 8-port modes with slight modifications. The optimization is performed using genetic algorithms. The effects of polarization deficiencies and antenna total embedded efficiency on the MIMO performance of the antenna are further studied. A prototype of the antenna has been fabricated and the design has been verified by measurements against the simulations.

研究の動機と目的

• 将来の5Gマイクロベースステーション展開における、低プロファイルで広帯域かつマルチポートMIMOアンテナのニーズに対応する。
• システムレベルの性能向上を図るため、1.6–2.8 GHz帯で入力帰還損失（反射係数）およびMIMO効率の両方を最適化する。
• 実際の端末環境がこの2つの中間にあることから、ランダム-LOSおよびRIMP環境という現実的なエッジ環境での性能評価を実施する。
• 偏波不備および総埋め込み効率がMIMOカバレッジおよびシステムスループットに与える影響を調査する。
• 構造的変更を最小限に抑えて、同一の平面型 Eleven 構造を2-, 4-, 8ポートモードで効果的に再構成可能であることを実証する。

提案手法

• 1.6–2.8 GHz帯全域で、反射係数および1ビットストリーム/2ビットストリームMIMO効率を同時に最適化する遺伝的アルゴリズムを採用する。
• 2つの直交するブランチを別々の平面に配置した平面型で双偏波の Eleven アンテナを設計し、双偏波多様性を実現する。
• ViRM-lab ソフトウェアを用いて、任意の入射波を想定したランダム-LOSおよびRIMP環境下でのシステムレベルMIMO性能をシミュレーションする。
• 偏波不備を振幅不均衡（Iₐ）および偏波相関（Iₚ）の指標を用いて定義・分析し、空間的MIMOカバレッジ低下を定量化する。
• プロトタイプを製作し、RIMP（反響室）およびランダム-LOS（無響室）環境下での測定によるシミュレーション結果の検証を実施する。
• 2-, 4-, 8ポートモードにおける各ポートの総埋め込み効率を評価し、ハードウェア性能とMIMO効率の関連を明確にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダム-LOSおよびRIMP環境下で、1.6–2.8 GHz帯における平面型 Eleven MIMOアンテナのMIMO効率はどの程度の性能を示すか？
• RQ2 偏波不備（IₐおよびIₚ）は、MIMOカバレッジの空間的分布およびシステムレベル性能にどのような影響を及えるか？
• RQ3 ポート数の増加（2, 4, 8）がMIMO効率に与える影響は何か？また、総埋め込み効率はこのトレードオフにおいて果たす役割は何か？
• RQ4 同一の平面型 Eleven 構造を、構造的変更を最小限に抑えて2-, 4-, 8ポートモードに効果的に再構成可能か？
• RQ5 4ポートモードは、2ポートおよび8ポートモードに比べ、MIMO効率およびシステムのロバスト性において優位性を示すか？

主な発見

• 4ポートモードは、1.6–2.8 GHz帯全域で最高のMIMO効率を達成しており、より良い多様性と低い相関性のおかげで2ポートおよび8ポート構成を上回る性能を示す。
• 8ポートモードは、ポート数の増加にもかかわらず、総埋め込み効率が低く、インピーダンスマッチングが最適でないためMIMO効率が低下している。
• 偏波不備（IₐおよびIₚ）は1.6 GHzおよび2.8 GHzで最大となり、MIMOカバレッジの低下および95%検出確率を達成するための電力要件の増加を引き起こす。
• 測定結果はシミュレーション結果とよく一致しており、RIMPおよびランダム-LOS環境下で設計および最適化手法の妥当性が検証された。
• 2ポートモードは周波数帯域全域で許容できるMIMO効率を維持しているが、4ポート構成に比べて多様性利得が小さい。
• 平面構造のおかげで製造が容易であり、壁面設置にも適しているため、低プロファイルなマイクロベースステーション用途に最適である。