[論文レビュー] Electromagnetic Lens-focusing Antenna Enabled Massive MIMO

Yong Zeng, Rui Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、誘電レンズを用いて入射信号をアンテナの一部に集光することで、ハードウェアおよび処理コストを低減するための電磁レンズアンテナ（ELA）を提案する。ELAにより、より少ないアクティブRFチェーンで顕著なスペクトル効率の向上が達成され、単一パス環境下では99%の容量を達成するために必要なアンテナ数を19から6にまで削減できる。

ABSTRACT

Massive multiple-input multiple-output (MIMO) techniques have been recently advanced to tremendously improve the performance of wireless networks. However, the use of very large antenna arrays brings new issues, such as the significantly increased hardware cost and signal processing cost and complexity. In order to reap the enormous gain of massive MIMO and yet reduce its cost to an affordable level, this paper proposes a novel system design by integrating an electromagnetic (EM) lens with the large antenna array, termed \emph{electromagnetic lens antenna} (ELA). An ELA has the capability of focusing the power of any incident plane wave passing through the EM lens to a small subset of the antenna array, while the location of focal area is dependent on the angle of arrival (AoA) of the wave. As compared to conventional antenna arrays without the EM lens, the proposed system can substantially reduce the number of required radio frequency (RF) chains at the receiver and hence, the implementation costs. In this paper, we investigate the proposed system under a simplified single-user uplink transmission setup, by characterizing the power distribution of the ELA as well as the resulting channel model. Furthermore, by assuming antenna selection used at the receiver, we show the throughput gains of the proposed system over conventional antenna arrays given the same number of selected antennas.

研究の動機と目的

• 大規模アンテナアレイを用いる従来のマスティブMIMOシステムにおける高いハードウェアおよび信号処理コストを低減する。
• スペクトル効率を損なわず、基地局のアクティブRFチェーン数を削減する。
• 電磁レンズを活用し、電波の入射角（AoA）に応じて平面波をアンテナの一部に集光する。
• ELAシステムにおけるアンテナ選択が、より少ないアクティブ部品を用いても従来のマスティブMIMOと同等または優れた性能を達成できることを示す。
• ELAをマルチユーザーおよびダウンリンクマスティブMIMOに応用可能かどうかを検討し、空間的分離によってパイロット混信を低減可能かどうかを調査する。

提案手法

• 大規模な均一線形アンテナアレイ（ULA）と誘電レンズを統合し、電磁レンズアンテナ（ELA）を構築する。
• EMレンズを、入射平面波を入射角（AoA）に応じて焦点領域に集光する位相シフト素子としてモデル化する。
• 電磁界シミュレーションを用いて、EMレンズがアンテナアレイ上に与える電力分布を評価し、AoAが変化するにつれて焦点位置が移動することを示す。
• 従来のMIMO信号モデルにレンズ由来の電力分布を組み込み、新たなSIMOチャネルモデルを確立する。
• 受信機でアンテナ選択（AS）を適用し、N本中M本のアンテナを選択することで、RFチェーン数を最小限に抑えつつ、達成可能なデータレートを最大化する。
• 全受信電力を、EMレンズを有するシステムとないシステムで同一に保つ正規化SNRモデルを用い、性能比較を公平に行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁レンズを用いることで、マスティブMIMOにおける必要RFチェーン数を削減しつつ、スペクトル効率を維持または向上できるか？
• RQ2 提案されたELAシステムにおいて、アンテナアレイ上の電力分布は入射角（AoA）にどのように依存するか？
• RQ3 同じ数の選択アンテナを用いた場合、ELAシステムは従来のマスティブMIMOに比べてどの程度のデータレート向上を達成できるか？
• RQ4 複数パス環境下（伝搬パス数が変化する場合）において、ELAシステムの性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 ELAが複数パス成分を空間的に分離できる能力は、マルチユーザーMIMOシステムにおけるパイロット混信の低減に寄与するか？

主な発見

• アクティブRFチェーン数が制限される条件下で、単一パス環境下では、従来のマスティブMIMOが99%容量を達成するために19本のアンテナを必要とするのに対し、ELAシステムでは6本のアンテナ選択で同等のスペクトル効率を達成できる。
• SNR 10 dBの単一パス環境下で、1本のアンテナを選択した場合、ELAシステムは従来システムに比べて66%のデータレート向上を達成する。
• M=3本のアンテナを選択した場合、同じ条件下でELAシステムは従来システムに比べて44%のデータレート向上を示す。
• 複数パス環境（L=2または20）下では、ELAシステムはパス数にかかわらず高い性能を維持するが、従来システムはアンテナ間での電力フラクチュエーションが大きいため、Lの増加に伴いより大きな利点を享受する。
• ELAシステムは、各パスがそのAoAに応じて別個のアンテナ群に集光されるため、マルチパス成分の数に依存しない。
• 提案されたシステムにより、複数パス成分の空間的分離が可能となり、マルチユーザーMIMOにおける干渉低減およびパイロット混信低減の可能性が示唆される。