[論文レビュー] Lens-Based Beamformer for Low-Complexity Millimeter-Wave Cellular Systems

Muhammad Ali Babar Abbasi|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Microwave Engineering and Waveguides被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、28 GHz mmWave massive MIMOシステム向けに、低複雑性のレンズベースビームフォーマー構造を2つ提案する。1つは2段階スタックドRotmanレンズビームフォーマーであり、もう1つは一定εrの誘電レンズビームフォーマーである。Rotmanレンズ設計により、9本のRFチェーンで2平面（方位角およびエレベーション）ビームステアリングが可能となり、4.0°–4.5°のHPBWと高い利得を達成する。一方、誘電レンズは低側 lob、高指向性を実現し、スペクトル効率を損なわせることなくRFチェーンの必要数とシステムの複雑性を顕著に低減する。

ABSTRACT

Data rate requirements for cellular communications are expected to increase 1000-fold by 2020, compared to 2010. This is mainly because of the rapid increase in the number of wireless devices and data hungry applications per-device. This creates a formidable bandwidth crisis. Milimeter-wave (mmWave) systems with massive multiple-input multiple-output (MIMO) operation are two complementary concepts poised to meet this exploding demand, as verified by the wealth of investigations by both industry and academia. Nevertheless, existing MIMO processing techniques, requiring a dedicated radio-frequency (RF) up/down-conversion chain per antenna, results in prohibitively high complexity and cost of the mmWave prototypes. The primary objective of this paper is to present a complete feasibility study on alternative beamforming techniques targeted to reduce the system complexity without drastically compromising its performance. More precisely, at 28 GHz, we investigate the end-to-end performance of two different lens-based beamforming topologies. Our study is an amalgam of theoretical modelling, electromagnetic design, and prototype manufacturing, yielding a comprehensive mmWave, massive MIMO performance evaluation.

研究の動機と目的

• 各アンテナ素子にRFチェーンを割り当てる従来のmmWave massive MIMOシステムの高コスト・高ハードウェア複雑性を是正する。
• RFチェーン数を削減し、システム複雑性を低減するため、レンズベースの代替ビームフォーミングアーキテクチャを検討する。
• 2種類の異なるレンズベースビームフォーマー構造を設計・検証する：2段階スタックドRotmanレンズと一定εrの誘電レンズ。
• 上行リンク massive MU-MIMOシステムにおけるビーム幅、利得、指向性、スペクトル効率の観点から、エンドツーエンドの性能を評価する。
• 28 GHzにおけるフルチェーン設計、シミュレーション、プロトタイプレベルの検証を通じて、実現可能性を示す。

提案手法

• 28 GHzで動作する3×5 URAを設計し、コax-fedマイクロストリップパッチアンテナを採用。88%の効率を最適化し、SMPコネクタを統合。
• 2段階スタックドRotmanレンズビームフォーマーを実装：水平方向ステージで方位角ビームステアリング、垂直方向ステージでエレベーションビームステアリングを実現。3焦点レンズ合成と最適化手法を用いる。
• CST MS、ADS、CST DSを組み合わせた複数段階のシミュレーションワークフローを採用。高精度なコネクタおよび伝送路の統合を実現するフル波動FDTDシミュレーションを実施。
• εr = 2.53の一定εr誘電レンズを設計。パッチ放射素子のペッツヴァルカーブチャージング配置を最適化し、マルチビーム集光を達成。
• CST MSでMLFMMおよびFDTDソルバを用い、電界分布、ビームパターン、相互結合効果をシミュレート。
• RFチェーンにおける電力等化処理を実施。ポート固有の損失によるビーム幅の不均衡を是正。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2段階スタックドRotmanレンズビームフォーマーは、28 GHzでRFチェーン数を削減しつつ、効果的な2平面（方位角およびエレベーション）ビームステアリングを実現できるか？
• RQ2 Rotmanレンズベースビームフォーマーは、massive MU-MIMOシステムにおいて、単一段階設計と比較して、実現可能なビーム幅、利得、スペクトル効率はどの程度か？
• RQ3 ペッツヴァルカーブに配置されたパッチアンテナで励起される一定εrの誘電レンズは、高指向性および低側 lob を実現するマルチビーム動作をサポートできるか？
• RQ4 レンズ由来の位相エラーおよびポート固有の損失は、レンズベースビームフォーマーのビームパターン対称性およびビーム幅の一様性にどのように影響するか？
• RQ5 mmWave MIMOシステムにおいて、レンズベースビームフォーマーは、スペクトル効率を維持したまま、どの程度RFチェーン数を削減できるか？

主な発見

• 2段階スタックドRotmanレンズビームフォーマーは、9本のRFチェーンを用いて、約12.5 dBiのピーク実現利得を達成し、2平面ビームステアリングを実現した。
• ビーム間でのビーム幅にばらつきが生じた：方位角HPBWは24.2°～30.6°、エレベーションHPBWは29.0°～47.1°の範囲であり、ポート固有の損失によるビーム幅の不均衡が原因であると判明した。
• 一定εr誘電レンズビームフォーマーは、最小で4.0°のHPBW、約18.5 dBiのピーク利得を達成。ビーム幅は4.0°–4.5°の範囲に収まり、利得の偏差は±0.4 dB以内であった。
• RF入力から放射素子までの平均経路損失は約8.52 dBであり、主にレンズおよび伝送路損失に起因した。
• 提案された2段階Rotmanレンズビームフォーマーは、単一段階設計よりもエゴイスト的和スペクトル効率が優れており、特に高SNR条件下で顕著な改善が見られた。これは、マルチパス成分の分離性向上に起因する。
• 誘電レンズビームフォーマーは高い指向性と低側 lob 水準を示したが、表面波が課題として浮上した。これは、高指向性放射素子を用いることで緩和可能であるが、100 μm未満の製造精度が要求される。