[論文レビュー] Optimizing the LO Distribution Architecture of mm-Wave Massive MIMO Receivers

Greg LaCaille, Antonio Puglielli+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2019

Microwave Engineering and Waveguides被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、ミリ波帯の巨大MIMO受信機における局所発信器（LO）分配構造を最適化するために、集中型と分散型のLO生成、相関・非相関の位相ノイズ、およびPLL／キャリア復帰ループ帯域幅のトレードオフを分析している。単一の中間周波数参照を複数のサブアレイにロックするハイブリッド構造を提案し、75 GHzで2 GHz帯域幅において64-QAMを用いて16スルーレイの空間多重を実現した。これにより、高いスペクトル効率とエネルギー効率を達成した。

ABSTRACT

Wireless networks at millimeter wavelengths have significant implementation difficulties. The path loss at these frequencies naturally leads us to consider antenna arrays with many elements. In these arrays, local oscillator (LO) generation is particularly challenging since the LO specifications affect the system architecture, signal processing design, and circuit implementation. We thoroughly analyze the effect of LO architecture design choices on the performance of a mm-wave massive MIMO uplink. This investigation focuses on the tradeoffs involved in centralized and distributed LO generation, correlated and uncorrelated phase noise sources, and the bandwidths of PLLs and carrier recovery loops. We show that, from both a performance and implementation complexity standpoint, the optimal LO architecture uses several distributed subarrays locked to a single intermediate-frequency reference in the low GHz range. Additionally, we show that the choice of PLL and carrier recovery loop bandwidths strongly affects the performance; for typical system parameters, loop bandwidths on the order of tens of MHz achieve SINRs suitable for high-order constellations. Finally, we present system simulations incorporating a complete model of the LO generation system and consider the case of a 128-element array with 16x-spatial multiplexing and a 2 GHz channel bandwidth at 75 GHz carrier. Using our optimization procedure we show that the system can support 16-way spatial multiplexing with 64-QAM modulation.

研究の動機と目的

• ミリ波帯の巨大MIMOシステムにおけるLO分配という、ビームフォーミング、キャリア復帰、システム性能に直接影響を与える重要な課題に取り組む。
• 大規模なミリ波アレイにおいて、LOアーキテクチャの複雑さ、位相ノイズの相関、消費電力の間の最適なトレードオフを同定する。
• システムアーキテクチャ、信号処理、回路レベルのLO生成を共同設計することで、高いスペクトル効率とマルチユーザー空間多重を実現する。
• 64-QAMや256-QAMのような高次調制をサポートするためのPLL帯域幅およびキャリア復帰ループパラメータの設計指針を提供する。

提案手法

• 集中型対分散型のLO生成が、巨大MIMO上行リンク環境における位相ノイズ相関とシステム性能に与える影響を分析する。
• VCOの位相ノイズ、PLLのダイナミクス、電力分配損失、ドライバ効率を含む、完全なLO生成システムをモデル化する。
• Hツリー型トポロジにおけるルーティング損失とスプリッタ損失を考慮したLO分配のための電力モデルを導出する。このモデルは、1つのPLLあたりの無線機器数をパrameterとして定義される。
• 128要素アレイ、2 GHz帯域幅、75 GHzキャリアを用いたシステムレベルのシミュレーションにより、さまざまなLOアーキテクチャ下でのSINRおよびスペクトル効率を評価する。
• 位相ノイズの影響を最小限に抑えるために、PLLおよびキャリア復帰ループ帯域幅を最適化し、数十MHz帯域幅が64-QAMに適したSINRを達成するのに最適であることを示した。
• 非相関位相ノイズによるインターフェンス、特に単一ユーザーでの自己干渉およびマルチユーザー環境でのゼロフォース誤差を評価し、サブアレイ間でPLLを共有することでこれを緩和する手法を提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ波帯巨大MIMOシステムにおいて、性能と電力効率の観点から、集中型と分散型のLO分配アーキテクチャのどちらが最適か？
• RQ2 PLLおよびキャリア復帰ループ帯域幅は、特に64-QAMのような高次変調を達成する上で、システム性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 非相関位相ノイズはマルチユーザー巨大MIMOにおいて、どの程度システム性能を劣化させるか？ また、その緩和策は何か？
• RQ4 LO分配ネットワークにおけるルーティング損失およびスプリッタ損失は、アレイサイズや1つのPLLあたりの無線機器数に伴いどのようにスケーリングされるか？
• RQ5 中央のIF-PLLとサブアレイベースの周波数倍頻を組み合わせたハイブリッドLOアーキテクチャは、高いスペクトル効率と低い消費電力の両方を達成できるか？

主な発見

• 最適なLOアーキテクチャは、単一の中間周波数参照を複数の分散型サブアレイにロックする構造であり、位相ノイズ相関と消費電力を最小限に抑える。
• SINRが64-QAMに適した水準に達するためには、PLLおよびキャリア復帰ループ帯域幅が数十MHz程度が最適である。
• システムシミュレーションにより、75 GHzで2 GHz帯域幅において16スルーレイの空間多重が64-QAMを用いて実現可能であり、高いスペクトル効率を達成できることが確認された。
• サブアレイ要素間でPLLを共有することで、マルチユーザー環境下での非相関位相ノイズに起因するゼロフォース誤差が効果的に抑制された。
• 256-QAMのBERが5×10⁻⁴未満に達成可能であるが、現在の最先端技術を超えて、PAの非線形性やIQインバランスなどの非理想要因の低減がさらに必要である。
• LO分配の電力モデルは、ルーティング損失およびスプリッタ損失が消費電力の主因であることを示しており、総合的オーバーヘッドを最小化するには、N（1つのPLLあたりの無線機器数）のバランスが最適である。