[論文レビュー] Multiplexing Analysis of Millimeter-Wave Massive MIMO Systems

Dian‐Wu Yue, Ha H. Nguyen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、分散型アンテナサブアレイアーキテクチャを用いたミリ波帯域のマッシブMIMOシステムにおける空間多重化を分析し、サブアレイのアンテナ数が大きくなる際の漸近的多重化ゲインの式を導出している。その結果、サブアレイ数が増加するに従い、$ K_rK_t\bar{L} $ のゲインを達成する。結果から、共用アレイと比較して、分散サブアレイは多重化ゲインを顕著に拡大できることを示しており、得られた分岐-多重化トレードオフは、ミリ波システムの設計に有用な知見を提供する。

ABSTRACT

This paper is concerned with spatial multiplexing analysis for millimeter-wave (mmWave) massive MIMO systems. For a single-user mmWave system employing distributed antenna subarray architecture in which the transmitter and receiver consist of Kt and Kr subarrays, respectively, an asymptotic multiplexing gain formula is firstly derived when the numbers of antennas at subarrays go to infinity. Specifically, assuming that all subchannels have the same average number of propagation paths L, the formula implies that by employing such a distributed antenna-subarray architecture, an exact average maximum multiplexing gain of KrKtL can be achieved. This result means that compared to the co-located antenna architecture, using the distributed antenna-subarray architecture can scale up the maximum multiplexing gain proportionally to KrKt. In order to further reveal the relation between diversity gain and multiplexing gain, a simple characterization of the diversity-multiplexing tradeoff is also given. The multiplexing gain analysis is then extended to the multiuser scenario. Moreover, simulation results obtained with the hybrid analog/digital processing corroborate the analysis results.

研究の動機と目的

• 分散型アンテナサブアレイアーキテクチャを用いたミリ波帯域のマッシブMIMOシステムにおける空間多重化性能を分析すること。
• サブアレイアンテナ数が無限大に近づく場合の単一ユーザーおよびマルチユーザー状況における漸近的多重化ゲインの式を導出すること。
• 提案されたアーキテクチャ下でのミリ波システムにおける分岐-多重化トレードオフ（DMT）を特徴づけること。
• 従来の部分的に接続されたRF構造への分析の拡張を行い、シミュレーションによる結果の妥当性を検証すること。
• 共用アンテナアレイと比較して、分散サブアレイが多重化ゲインおよび分岐ゲインの観点からどれほど性能向上を達成できるかを定量すること。

提案手法

• $ K_t $ 送信および $ K_r $ 受信サブアレイを有する単一ユーザーのミリ波システムに対して、漸近的多重化ゲインの式を導出。各サブチャネルはi.i.d.であり、平均 $ \bar{L} $ パスを持つものとする。
• 大規模アレイの漸近的解析を用いて、最大多重化ゲインがアレイの幾何形状に依存せずに $ K_rK_t\bar{L} $ に比例してスケーリングすることを示す。
• 分岐-多重化トレードオフ（DMT）フレームワークを適用し、分岐ゲインと多重化ゲインの両者の共同トレードオフを特徴づける。
• ハイブリッドアナログ/デジタルビームフォーミングを用いたマルチユーザー下行リンクおよび上行リンクシステムに分析を拡張。有効チャネル行列をRFおよびベースバンドのプレコーディング/結合行列の積としてモデル化する。
• 幅帯域が狭く、平坦フェージングのモデルを採用。一様線形アレイ（ULAs）を仮定し、各ユーザーに対して最適なRFおよびベースバンドビームフォーマーを仮定する。
• 与えられた分岐ゲイン制約下での多重化ゲインの閉形式式を導出。各ユーザーに対して、式 $ G_m^{(i)} = \sum_{l=1}^{L_s^{(i)}} \left(1 - \frac{d^{(i)}}{L_s^{(i)} - l + 1}\right)^+ $ を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブアレイサイズが増加する際、分散型アンテナサブアレイアーキテクチャを用いたミリ波帯域のマッシブMIMOシステムの漸近的空間多重化ゲインは何か？
• RQ2 共用アンテナアレイと比較して、分散サブアレイアーキテクチャは多重化ゲインのスケーリングにおいてどのように異なるか？
• RQ3 分散サブアレイアーキテクチャ下でのミリ波帯域のマッシブMIMOシステムにおける分岐-多重化トレードオフ（DMT）は何か？
• RQ4 導出された多重化ゲイン式は、ハイブリッドプレコーディングを用いたマルチユーザー下行リンクおよび上行リンク状況に拡張可能か？
• RQ5 マルチユーザーのミリ波システムにおいて、与えられた分岐ゲイン制約下で達成可能な多重化ゲインは何か？

主な発見

• 送信サブアレイが $ K_t $ 個、受信サブアレイが $ K_r $ 個である単一ユーザー系の漸近的最大空間多重化ゲインは $ K_rK_t\bar{L} $ であり、ここで $ \bar{L} $ は各サブチャネルあたりの平均伝搬パス数を表す。
• この結果は、分散サブアレイが $ K_rK_t $ に比例して最大多重化ゲインを統計的にスケーリング可能であり、共用アレイと比較して顕著な利点を有することを示唆している。
• マルチユーザー下り行リンクにおいて、分岐ゲイン $ d $ の下での総多重化ゲインは $ G_m = K_u \sum_{l=1}^{K_bL} \left(1 - \frac{d}{K_bL - l + 1}\right)^+ $ で与えられ、ここで $ K_b $ はRFチェーン数を表す。
• 上り行リンクシステムは、同じ条件下で下り行リンクと同一の多重化ゲイン式を達成しており、対称的な性能を示していることが示された。
• 導出されたDMT特徴づけは、分岐ゲインと多重化ゲインの直接的なトレードオフを明らかにし、QoS要件に基づくシステム設計のトレードオフを可能にする。
• ハイブリッドアナログ/デジタル処理を用いたシミュレーション結果は、解析的予測を確認しており、導出された多重化ゲイン式の妥当性が裏付けられた。