[論文レビュー] LuMaMi28: Real-Time Millimeter-Wave Massive MIMO Systems with Antenna Selection

MinKeun Chung, Liang Liu+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、16チェーンのフルデジタルベースステーションと、リアルタイムでのアンテナ選択が可能なビームスイッチャブルアンテナを備えたユーザー設備（UE）を備えた、28 GHz帯のリアルタイム massive MIMO テストベッドである LuMaMi28 を提案する。このシステムは、MRC処理を用いることで、特に移動状態における高利得パッチアンテナの恩恵を受けて、中間値スループットを最大3.32倍向上させることを実証した。

ABSTRACT

This paper presents LuMaMi28, a real-time 28 GHz massive multiple-input multiple-output (MIMO) testbed. In this testbed, the base station has 16 transceiver chains with a fully-digital beamforming architecture (with different pre-coding algorithms) and simultaneously supports multiple user equipments (UEs) with spatial multiplexing. The UEs are equipped with a beam-switchable antenna array for real-time antenna selection where the one with the highest channel magnitude, out of four pre-defined beams, is selected. For the beam-switchable antenna array, we consider two kinds of UE antennas, with different beam-width and different peak-gain. Based on this testbed, we provide measurement results for millimeter-wave (mmWave) massive MIMO performance in different real-life scenarios with static and mobile UEs. We explore the potential benefit of the mmWave massive MIMO systems with antenna selection based on measured channel data, and discuss the performance results through real-time measurements.

研究の動機と目的

• 実生活の伝搬状態下で実用的システム性能を評価可能な、柔軟でリアルタイムなミリ波 massive MIMO テストベッドの開発。
• 静的および移動環境下におけるユーザー設備（UE）のビームステアリングおよびアンテナ選択がミリ波システム性能に与える影響の調査。
• さまざまなビームフォーミングおよびプレフォーミング方式下での、2種類のUEアンテナタイプ（ヤギアンテナ：広ビーム幅、低利得）と（パッチアンテナ：狭ビーム幅、高利得）の性能向上の比較。
• 現実のハードウェア制限を反映した状況下で、パスループやスループット向上に寄与するアンテナ選択の有効性の評価。

提案手法

• ベースステーションは16の変復調チェーンを備えたフルデジタルビームフォーミングアーキテクチャを採用し、複数のUEに対する空間多重をサポートする。
• ユーザー設備（UE）ユニットには、4つの事前定義ビームのうち、チャネルマグニチュードが最大のビームをリアルタイムで選択可能なビームスイッチャブルアンテナアレイを搭載する。
• 2種類のUEアンテナが評価対象である：広ビーム幅でピーク利得が低いヤギアンテナアレイ、および狭ビーム幅で高い利得を示すパッチアンテナアレイ。
• 静的（回転）、水平移動、垂直移動、円形移動の3つのシナリオでリアルタイム測定を実施し、ベースステーションでMRCおよびZFプレフォーミングを用いる。
• チャネル状態情報はリアルタイムで収集され、上行リンクデータレートの累積分布関数（CDF）を用いてスループット性能が評価される。
• 実際のミリ波システム制限を反映するため、位相ノイズやパワー増幅器の非線形性などのハードウェア制限がテストベッド設計に組み込まれている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的および移動状態下で、リアルタイムUEアンテナ選択がミリ波 massive MIMO システムの上行リンクスループットに与える影響は何か？
• RQ2 ヤギアンテナとパッチアンテナアレイのビーム選択利得およびスループット向上の観点での性能差は何か？
• RQ3 MRCおよびZFプレフォーミング方式が、ミリ波システムにおけるアンテナ選択の有効性に与える影響は何か？
• RQ4 移動性はシステム性能をどの程度劣化させるか？また、アンテナ選択はその劣化を緩和できるか？
• RQ5 ノイズ制限環境と干渉制限環境の両方において、アンテナ選択による実現可能なスループット向上はどれほどか？

主な発見

• 基地局とUEの距離が3–11 mの範囲で、ヤギアンテナアレイの実現可能なビーム選択利得は10.0 dB、パッチアンテナアレイでは12.8 dBであった。
• 移動環境下では、MRCプレフォーミングを用いる場合、ヤギアンテナ搭載UEでは中間値上行リンクスループットが3.32倍向上し、パッチアンテナ搭載UEでは1.97倍向上した。
• ZFプレフォーミングを用いる場合、両UEともアンテナ選択によるスループット向上が類似しており（ヤギ：1.13倍、パッチ：1.15倍）、干渉制限環境下では選択の恩恵が限定的であることが示された。
• アンテナ選択が行われない状態では、パッチアンテナ搭載UEの中央値スループットはヤギアンテナ搭載UEの4倍に達しており、高利得・狭ビームアンテナの優位性が顕著に現れた。
• 垂直移動ルートでは、ZFプレフォーミング下でアンテナ選択により最低スループットがヤギアンテナで1.63倍、パッチアンテナで1.83倍向上し、ノイズ制限環境下での利点が裏付けられた。
• ピークスループットの差は、パッチアンテナで顕著に顕在化しており（選択時：6.4 Mbit/s、非選択時：4.43 Mbit/s）、近距離ラインオブサイト状況下ではビーム幅と利得のトレードオフが重要であることが示された。