[論文レビュー] Intelligent Environments based on Ultra-Massive MIMO Platforms for Wireless Communication in Millimeter Wave and Terahertz Bands

Shuai Nie, Josep Miquel Jornet+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2019

Antenna Design and Analysis参考文献 10被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、ミリ波およびテラヘルツ帯における高い経路損失を克服するため、再構成可能プラズモニックアレイを備えた超大規模MIMO（UM-MIMO）プラットフォームを用いたインテリジェントな通信環境の構築を提案する。送信機、受信機、および環境において、透過、反射、波ガイド制御を可能にするフルウェーブ制御により、Tbpsレベルのデータレートと受信電力が最大40 dB向上し、通信範囲が顕著に拡張される。

ABSTRACT

Millimeter-wave (30-300 GHz) and Terahertz-band communications (0.3-10 THz) are envisioned as key wireless technologies to satisfy the demand for Terabit-per-second (Tbps) links in the 5G and beyond eras. The very large available bandwidth in this ultra-broadband frequency range comes at the cost of a very high propagation loss, which combined with the low power of mm-wave and THz-band transceivers limits the communication distance and data-rates. In this paper, the concept of intelligent communication environments enabled by Ultra-Massive MIMO platforms is proposed to increase the communication distance and data-rates at mm-wave and THz-band frequencies. An end-to-end physical model is developed by taking into account the capabilities of novel intelligent plasmonic antenna arrays which can operate in transmission, reception, reflection and waveguiding, as well as the peculiarities of the mm-wave and THz-band multi-path channel. Based on the developed model, extensive quantitative results for different scenarios are provided to illustrate the performance improvements in terms of both achievable distance and data-rate in Ultra-Massive MIMO environments.

研究の動機と目的

• 短い波長と低出力によるミリ波およびテラヘルツ帯における高い経路損失と通信範囲の制限という課題に対処する。
• 超高密度のプラズモニックアレイアンテナを用いて、従来のMIMOシステムの限界を打ち破り、超大規模な電磁界制御を実現する。
• プラズモニック送信受信アレイと再構成可能反射アレイを統合したエンドツーエンドの物理的モデルを構築し、相乗効果をもたらすビームフォーミングを実現する。
• ハードウェア制約のもとで、送信電力、アンテナ数、反射アレイ素子数のリソース割り当てを最適化し、データレートとカバレッジを最大化する。
• 室内のミリ波/THz環境において、テラビット/秒（Tbps）レベルのデータレートと顕著な距離拡張を達成する可能性を実証する。

提案手法

• グラファイトとメタサーフェスを用いたプラズモニックアレイに基づく超大規模MIMOプラットフォームを設計し、波長未満の分解能と高い統合密度を実現する。
• 室内の表面（例：壁、天井）にプラズモニック反射アレイを実装し、透過、受信、反射、波ガイドモードを制御可能なプログラマブルな表面を実現する。
• 大規模 fading（経路損失）と小規模 fading（i.i.d. レイリー fading）を組み込んだフルウェーブエンドツーエンド物理チャネルモデルを構築し、チャネル行列を H = GA^{1/2} として定式化する。
• 全送信電力、全アンテナ数、反射アレイ素子数の制約のもとで、合計データレートと到達距離を最大化するリソース割り当て最適化問題を定式化する。
• システムモデルを用いて、ユーザー数が少ない場合の漸近的干渉抑制を示し、実現可能な合計レートを C = B log₂(1 + P_t M N) として導出する。
• L字型の通路形状を想定した300 GHz、50 GHz帯域幅の室内シナリオを用いて数値的評価を行い、性能向上を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高い経路損失があるにもかかわらず、再構成可能プラズモニックアレイを備えた超大規模MIMOプラットフォームは、ミリ波およびTHz帯において通信範囲を顕著に拡張できるか？
• RQ2 環境に配置されたプラズモニック反射アレイは、制御された反射と波ガイド制御により、信号強度とデータレートをどの程度向上できるか？
• RQ3 1024×1024のプラズモニック送信受信アレイに加え、さまざまなサイズの反射アレイを組み合わせた場合の実現可能なデータレートとカバレッジ拡張はどの程度か？
• RQ4 実用的な電力およびハードウェア制約のもとで、アンテナ数および反射アレイ素子数の増加に伴うシステム性能のスケーリング特性はいかなるものか？
• RQ5 統合された送信・反射・受信プラズモニックプラットフォームによるフルウェーブ電磁界制御は、現実的な室内環境においてTbpsレベルのデータレートを達成できるか？

主な発見

• 提案されたUM-MIMOプラットフォームにプラズモニックアレイを組み込むことで、300 GHzのL字型の室内通路環境において、従来のシステムと比較して受信電力が最大40 dB向上した。
• 1024×1024のプラズモニック送信受信アレイとサイズ M_s = 1200 の反射アレイを組み合わせたシステムでは、合計データレートがテラビット/秒（Tbps）レベルに達した。
• 再構成可能プラズモニック反射アレイによる知的な波制御を活用することで、ミリ波およびTHz帯の根本的な経路損失の制限を克服し、顕著なカバレッジ拡張が実現された。
• 解析的モデルにより、システムスループットが送信アンテナ数（N）と反射アレイ素子数（M）の積に比例して増加し、有利な伝搬条件のもとで C = B log₂(1 + P_t M N) に達することが示された。
• 最適化フレームワークにより、最小レート要件（Γ_th^(k)）を満たしつつ合計データレートを最大化するように、送信電力、アンテナ数、反射アレイサイズのバランスを最適化した。
• 性能向上の要因は、高利得ビームフォーミングと知的な環境再構成の相乗効果に起因し、視線が遮断されている状況でも、ほぼ視線が確保された状態に近い性能を実現できた。