[論文レビュー] Diversity Analysis of Millimeter-Wave Massive MIMO Systems

Dian‐Wu Yue, Shuai Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、ミリ波大規模MIMOシステムにおける分散型アンテナ・サブアレイ構造を提案し、分岐増強を実現する。無限大のアンテナをサブアレイごとに有する場合、分岐増強は $K_rK_tL - N_s + 1$ に比例して増加する。ここで $K_r$ と $K_t$ は受信機および送信機のサブアレイ数、$L$ は伝搬パス数、$N_s$ はデータストリーム数を表す。この構造は、高SNR条件下で、集積型および従来の部分接続型構造と比較して、顕著に優れた分岐性能を示す。

ABSTRACT

This paper is concerned with asymptotic diversity analysis for millimeter-wave (mmWave) massive MIMO systems. First, for a single-user mmWave system employing distributed antenna subarray architecture in which the transmitter and receiver consist of Kt and Kr subarrays, respectively, a diversity gain theorem is established when the numbers of antennas at subarrays go to infinity. Specifically, assuming that all subchannels have the same number of propagation paths L, the theorem states that by employing such a distributed antenna-subarray architecture, a diversity gain of KrKtL-Ns+1 can be achieved, where Ns is the number of data streams. This result means that compared to the co-located antenna architecture, using the distributed antenna-subarray architecture can scale up the diversity gain or multiplexing gain proportionally to KrKt. The diversity gain analysis is then extended to the multiuser scenario as well as the scenario with conventional partially-connected RF structure in the literature. Simulation results obtained with the hybrid analog/digital processing corroborate the analysis results and show that the distributed subarray architecture indeed yields significantly better diversity performance than the co-located antenna architectures.

研究の動機と目的

• 現実的な伝搬条件下におけるミリ波大規模MIMOシステムの漸近的分岐増強を分析すること。
• 集積型または従来の部分接続型RF構造と比較して、分散サブアレイ構造が分岐および multiplexing 増強をどのように向上させるかを調査すること。
• 制限されたRFチェーン数を有するミリ波大規模MIMOにおける分岐-多重化トレードオフ（DMT）の理論的枠組みを確立すること。
• ハイブリッドアナログ/デジタルビームフォーミングとコンビナの設計を用いたシミュレーションにより、理論的考察を検証すること。

提案手法

• 無限大のアンテナをサブアレイごとに有する単一ユーザーのミリ波システムに対して、分散サブアレイ構造の分岐増強定理を導出。各サブチャネルの伝搬パス数 $L$ が同一であると仮定。
• サブチャネル行列の特異値分解（SVD）を用い、マルチユーザー環境ではZFデジタルプレフィンギングを適用してユーザー固有のチャネルを分離。
• 大規模フェージング係数分布 $\{g_{ij}\}$ が均一および非均一な場合の分岐性能を分析。
• 比較のため、完全接続型および部分接続型RFアーキテクチャを用いたハイブリッドアナログ/デジタルビームフォーミングを採用。
• サブアレイ数 $K_r$, $K_t$、伝搬パス数 $L$、データストリーム数 $N_s$ を用いた分岐増強の計算を可能にする一般化されたフレームワークを導入。
• モンテカルロシミュレーションを用いて理論的結果を検証。変動するSNRおよびシステム構成におけるBER性能曲線を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無限大のアンテナをサブアレイごとに有する分散サブアレイ構造を用いたミリ波大規模MIMOシステムにおいて、分岐増強はどのようにスケーリングされるか？
• RQ2 集積型または部分接続型構造と比較して、サブアレイ数 $K_r$ および $K_t$ の増加が分岐増強に与える影響は何か？
• RQ3 ミリ波システムにおいて、分散サブアレイ構造と従来のRFアーキテクチャとの間で、分岐-多重化トレードオフ（DMT）はどのように異なるか？
• RQ4 非均一な大規模フェージング係数が分岐増強に影響を与えるか。その場合、どのような影響を及ぼすか？
• RQ5 提案された分散サブアレイ構造は、実用的なハイブリッドプレフィンギング制約下でも、完全な分岐増強を達成できるか？

主な発見

• 分散サブアレイを有する単一ユーザーのミリ波システムにおける分岐増強は $K_rK_tL - N_s + 1$ であり、$K_rK_t$ の積に比例して増加する。
• 従来の部分接続型RFアーキテクチャは、検討された設定下で最大で3の完全分岐増強を達成するが、分散サブアレイ構造は $K=2$ および $N_s=4$ の場合、最大9の分岐増強を達成する。
• マルチユーザー下行リンク環境では、基地局のサブアレイ数 $K_b$ を増加させることで分岐性能が顕著に向上し、$K_b$ が増加するに従い増強が増加する。
• 非均一な大規模フェージング係数分布下でも分岐増強は変化せず、サブアレイ間のパスロス変動に対して高い耐性を示す。
• ハイブリッド接続（重複サブアレイベース）構造は、従来の部分接続型構造よりも高いスペクトル効率を達成し、十分なRFチェーン数があれば完全接続型性能に近づく。
• シミュレーションにより、高SNR領域において、分散サブアレイ構造が集積型および従来の部分接続型構造よりも顕著に優れたBER性能を達成することが確認された。