[論文レビュー] Millimeter Wave MIMO Prototype: Measurements and Experimental Results

Vasanthan Raghavan, Andrzej Partyka+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、視線内および視線外環境において方向性ビームフォーミングとシームレスなビームスイッチングを通じて、堅牢な高速通信を実現する28 GHzミリ波MIMOプロトタイプを提示する。2.9、29、61 GHzにおける広範なミリ波チャネル測定を通じてシステムの実現可能性を検証し、ビームフォーミングが遮蔽および透過損失を効果的に低減することを示した。

ABSTRACT

Millimeter-wave multi-input multi-output (mm-Wave MIMO) systems are one of the candidate schemes for 5G wireless standardization efforts. In this context, the main contributions of this article are three-fold. 1) We describe parallel sets of measurements at identical transmit-receive location pairs with 2.9, 29 and 61 GHz carrier frequencies in indoor office, shopping mall, and outdoor settings. These measurements provide insights on propagation, blockage and material penetration losses, and the key elements necessary in system design to make mm-Wave systems viable in practice. 2) One of these elements is hybrid beamforming necessary for better link margins by reaping the array gain with large antenna dimensions. From the class of fully-flexible hybrid beamformers, we describe a robust class of directional beamformers towards meeting the high data-rate requirements of mm-Wave systems. 3) Leveraging these design insights, we then describe an experimental prototype system at 28 GHz that realizes high data-rates on both the downlink and uplink and robustly maintains these rates in outdoor and indoor mobility scenarios. In addition to maintaining large signal constellation sizes in spite of radio frequency challenges, this prototype leverages the directional nature of the mm-Wave channel to perform seamless beam switching and handover across mm-Wave base-stations thereby overcoming the path losses in non-line-of-sight links and blockages encountered at mm-Wave frequencies.

研究の動機と目的

• 実際の屋内および屋外環境における2.9、29、61 GHzのミリ波伝搬特性を評価すること。
• 限られたRFチェーン数を用いた堅牢で低複雑度のハイブリッドビームフォーミングにより、ミリ波システムにおける高い経路損失および遮蔽の課題に対処すること。
• 実世界のシナリオにおいて高データレートとシームレスなモビリティを実現する実用的なミリ波MIMOプロトタイプを実証すること。
• 遮蔽およびモビリティ下でもリンク信頼性を維持するためのビームスイッチングおよび基地局間ハンドオーバーの検証

提案手法

• オフィス、ショッピングモール、屋外環境において、3つの搬送周波数（2.9、29、61 GHz）で同一の送信受信位置ペアを用いて並列でチャネル測定を実施した。
• 方位角および球面スキャンにそれぞれ10 dBiおよび20 dBiの利得を有する方向性ホーンアンテナを用い、39および331の方向指向スライスを生成した。
• 100 Mc/sのチップレートを持つ擬似ノイズ（PN）シーケンスをチャネルサウンディングに使用し、正確な伝搬特性の特定に5 nsの時間分解能を確保した。
• 制限されたRFチェーン数で高いアレイゲインを達成するため、方向性ビームフォーマーを用いたハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャを設計した。
• 移動中に基地局間のシームレスなハンドオーバーを可能にするために、ビームスキャンおよびビームスイッチングプロトコルを実装した。
• 屋内および屋外環境における実世界の実験を通じて、リンクの頑健性、ハンドオーバー性能、および干渉管理を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の屋内および屋外環境において、2.9、29、61 GHzにおける経路損失、遮蔽、素材透過損失はどのように変化するか？
• RQ2 限られたRFチェーン数を用いた方向性ビームフォーミングは、ミリ波伝搬劣化要因を克服するのに十分なリンクマージンを提供できるか？
• RQ3 ビームスイッチングおよび基地局間ハンドオーバーは、移動および遮蔽状況下でも高データレートを維持するためにどれほど効果的か？
• RQ4 ビームフォーミングの複雑さ、RFチェーン数、ハードウェアの劣化要因に関連する実用的なトレードオフは何か？
• RQ5 空間的・時間的変動するチャネルおよび人の遮蔽は、実際の展開におけるシステム性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ミリ波周波数における経路損失はsub-6 GHzに比べて顕著に高いが、遮蔽および透過損失と組み合わせても、実用上受け入れ可能な範囲内である。
• 人の遮蔽および建材（コンクリート、金属など）による遮蔽は、リンクの著しい劣化を引き起こし、リンクの変動性および切断の主な要因である。
• 28 GHzにおいても、ビームスイッチングにより視線外状態でも高いデータレートを達成した。
• 遮蔽が発生した際、eNB 1からeNB 2への基地局間ハンドオーバーが屋内環境で正常に実行された。
• 柱による視線路の遮断時にはデータレートの途切れが観測されたが、反射による支配的でない視線外路により接続が回復した。
• 方向性ビームフォーミングソリューションは位相変動に対しても頑健であり、信頼性の高いビーム追跡およびハンドオーバーを可能にした。これにより、実用的なミリ波展開に適していることが検証された。