[論文レビュー] MIMO Beamforming in Millimeter-Wave Directional Wi-Fi

Keang-Po Ho, Shi Cheng+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、60-GHzミリ波指向性Wi-FiにおけるMIMOシステム向けに、交互最小二乗法（ALS）を用いたビームフォーミング手法を提案する。この手法により、スペクトル効率を向上させるためにマルチビーム送受信が可能となる。本手法は、共有およびスプリットMIMOアーキテクチャの両方において、周波数平坦および周波数選択的チャネルで効果的に動作し、スプリットアーキテクチャではMIMOチャネル容量をほぼ最大化する。

ABSTRACT

Beamforming is indispensable in the operation of 60-GHz millimeter-wave directional multi-gigabit Wi-Fi. Simple power method and its extensions enable the transmitting and receiving antenna arrays to form a beam for single spatial stream. To further improve the spectral efficiency in future 60-GHz directional Wi-Fi, alternating least square (ALS) algorithm can form multiple beams between the transmitter and receiver for multi-input-multi-output (MIMO) operations. For both shared and split MIMO architecture, the ALS beamforming algorithm can be operated in both frequency-flat and frequency-selective channels. In the split architecture, MIMO beamforming approximately maximizes the capacity of the beam-formed MIMO channel.

研究の動機と目的

• 単一ストリームビームフォーミングを超えて、60-GHz指向性Wi-Fiにおけるスペクトル効率を向上させること。
• マルチストリームMIMO動作におけるシンプルな電力ベースのビームフォーミングの限界を解消すること。
• 周波数平坦および周波数選択的 fading 環境の両方で効果的に動作するビームフォーミングアルゴリズムを開発すること。
• 共有およびスプリットMIMOシステムアーキテクチャの両方における性能を評価すること。
• 実用的なミリ波展開におけるビームフォーマードMIMOチャネルの容量を最大化すること。

提案手法

• 交互最小二乗法（ALS）アルゴリズムを用いて、マルチストリームMIMO送信の送信機および受信機のビームフォーマーを同時に最適化する。
• アルゴリズムは、平均二乗誤差を最小化するために、送信機および受信機のビームフォーミングベクトルを反復的に更新する。
• 本手法は、ベースバンドまたはRFドメインでビームフォーミングが行われる共有およびスプリットMIMOアーキテクチャの両方をサポートする。
• チャネル応答を適切にモデル化することにより、周波数平坦および周波数選択的 fading チャネルの両方へ適用可能である。
• ビームフォーミング設計により、実用的なハードウェア制約のもとでも空間多重性ゲインを最大にする。
• アルゴリズムは、送信機および受信機に完全なチャネル状態情報が存在すると仮定して導出されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 60-GHzミリ波指向性Wi-Fiにおいて、MIMOビームフォーミングをどのように効果的に実装することでマルチストリーム送信を可能にするか？
• RQ2 周波数平坦および周波数選択的 fading 環境の両方で効率的に動作するビームフォーミングアルゴリズムは何か？
• RQ3 ALSベースのビームフォーミングは、共有およびスプリットMIMOアーキテクチャの両方でどのように性能を発揮するか？
• RQ4 ビームフォーミングは、ミリ波システムにおけるMIMOチャネル容量をどの程度まで最大化できるか？
• RQ5 チャネル推定精度およびハードウェア制約は、ビームフォーミング性能にどのような影響を及えるか？

主な発見

• ALSビームフォーミングアルゴリズムは、60-GHz MIMO Wi-Fiシステムにおいてマルチビーム送受信を成功裏に実現した。
• 本アルゴリズムは、複数のデータストリームにわたる空間多重性をサポートすることで、高いスペクトル効率を達成した。
• スプリットMIMOアーキテクチャでは、ビームフォーマードMIMOチャネルの容量がほぼ最大化された。
• 本手法は、周波数平坦および周波数選択的 fading 環境の両方で頑健である。
• 限られたフィードバックおよびハードウェア制限のもとでも、本アルゴリズムは性能を維持した。
• シミュレーション結果は、単一ストリームビームフォーミング手法と比較して、スペクトル効率が向上していることを示した。