[論文レビュー] Multi-User Millimeter Wave MIMO with Full-Dimensional Lens Antenna Array

Yong Zeng, Lu Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、基地局（BS）にフルディメンショナルレンズアレイを、移動局（MS）に従来の均一平面アレイ（UPA）を用いた低複雑性のマルチユーザ mmWave MIMO システムを提案する。レンズの角度依存エネルギー集束と、新規のパス遅延補償技術を活用することで、周波数選択性チャネルを並列な周波数平坦 MIMO チャネルに変換し、シングルキャリア伝送を可能にするとともに、受信角（AoA）の分離が十分に確保される場合には、ほぼ干渉のない通信を実現する。この手法により、ハードウェアおよび処理コストを大幅に低減しつつ、ベンチマーク比で顕著なスルーレート向上を達成する。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) communication by utilizing lens antenna arrays is a promising technique for realizing cost-effective 5G wireless systems with large MIMO (multiple-input multiple-output) but only limited radio frequency (RF) chains. This paper studies an uplink multi-user mmWave single-sided lens MIMO system, where only the base station (BS) is equipped with a full-dimensional (FD) lens antenna array with both elevation and azimuth angle resolution capabilities, and each mobile station (MS) employs the conventional uniform planar array (UPA) without the lens. By exploiting the angle-dependent energy focusing property of the lens antenna array at the BS as well as the multi-path sparsity of mmWave channels, we propose a low-complexity path division multiple access (PDMA) scheme, which enables virtually interference-free multi-user communications when the angle of arrivals (AoAs) of all MS multi-path signals are sufficiently separable at the BS. To this end, a new technique called path delay compensation is proposed at the BS to effectively transform the multi-user frequency-selective MIMO channels to parallel frequency-flat small-size MIMO channels for different MSs, for each of which the low-complexity single-carrier(SC) transmission is applied. For general scenarios with insufficient AoA separations, analog beamforming at the MSs and digital combining at the BS are jointly designed to maximize the achievable sum-rate of the MSs based on their effective MIMO channels resulting from path delay compensation. In addition, we propose a new and efficient channel estimation scheme tailored for PDMA, which requires negligible training overhead in practical mmWave systems and yet leads to comparable performance as that based on perfect channel state information (CSI).

研究の動機と目的

• 大規模アレイと限界的なRFチェーンを備えた従来の mmWave MIMO システムにおける高いハードウェアおよび信号処理コストを低減すること。
• 周波数選択性チャネルにおいて、低複雑性かつ低訓練オーバーヘッドで効率的なマルチユーザ mmWave 通信を実現すること。
• フルディメンショナル（FD）レンズアレイアンテナアレイが受信角（AoA）に基づいて信号を焦点化できる特性を活用し、ユーザーの空間多重化を実現すること。
• 受信角（AoA）が十分に分離可能な場合に、ほぼ干渉のない通信を可能にするパス分割多重アクセス（PDMA）方式を設計すること。
• 完全なCSIに近い性能を達成しつつ、訓練オーバーヘッドを最小限に抑えた効率的なチャネル推定手法を開発すること。

提案手法

• 基地局（BS）にフルディメンショナルレンズアレイを用い、水平方向および垂直方向の両方で受信角（AoA）に依存したエネルギー集束を実現し、AoAに基づくユーザーの空間多重化を可能にする。
• BSでパス遅延補償を導入することで、周波数選択性 MIMO チャネルを各ユーザーごとに並列な周波数平坦 MIMO チャネルに変換し、低複雑性のシングルキャリア（SC）伝送を実現する。
• MSではアナログビームフォーミング、BSではデジタル結合を適用し、AoAが十分に分離できない場合のスルーレートを最大化する。MRCおよびMMSE結合を用いる。
• PDMAに特化した新規なチャネル推定手法を提案し、訓練オーバーヘッドを最小限に抑えつつ、完全なCSIに近い性能を維持する。
• 1次近似のテイラー展開を用いてレンズの位相シフトプロファイルをモデル化し、ビームフォーミング応答の解析的特徴付けを可能にする。
• 物理光学の原則と定常位相法を用いてレンズアレイのアレイ応答を導出し、特定のAoA方向にビームフォーミングゲインが得られることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基地局にフルディメンショナルレンズアレイを設置することで、角度に基づく空間多重化により、干渉のないマルチユーザ mmWave MIMO 通信が可能になるか？
• RQ2 パス遅延補償技術は、各ユーザーに対して周波数選択性 MIMO チャネルを並列な周波数平坦チャネルに効果的に変換できるか？
• RQ3 提案された PDMA 方式の実現可能なスルーレート性能は、従来の MIMO-OFDM やハイブリッドアナログ/デジタルビームフォーミングシステムと比較してどの程度か？
• RQ4 提案されたシステムにおいて、最小限の訓練オーバーヘッドで高精度なチャネル推定を実現できるか？
• RQ5 提案されたレンズベースの mmWave MIMO アーキテクチャにおいて、ハードウェアコスト、信号処理複雑性、スペクトル効率の間のトレードオフはいかなるものか？

主な発見

• 提案された PDMA 方式は、ユーザー間の受信角（AoA）の分離が十分に確保される場合、ほぼ干渉のない通信を実現し、効率的なシングルキャリア伝送を可能にする。
• パス遅延補償技術により、周波数選択性 MIMO チャネルが並列な周波数平坦 MIMO チャネルに効果的に変換され、信号処理の複雑性が低減される。
• 本システムは、ベンチマークの MIMO-OFDM やハイブリッドアナログ/デジタルビームフォーミングシステムと比較して顕著なスルーレート向上を達成するが、特に高動的または散乱が豊富な環境下で顕著である。
• 提案されたチャネル推定手法は、訓練オーバーヘッドを無視できるほど小さく、完全なチャネル状態情報（CSI）を仮定した場合と同等の性能を達成する。
• レンズベースのシステムは、従来の大規模 MIMO システムと比較して、顕著に低いハードウェアコストと信号処理複雑性で高いスペクトル効率を実現する。
• 数値結果により、提案された設計がスルーレート面で最先端のシステムを上回りつつ、RFチェーン数と消費電力も低く抑えられていることが確認された。