[論文レビュー] Relationship between Cross-Polarization Discrimination (XPD) and Spatial Correlation in Indoor Small-Cell MIMO Systems

Yeon-Geun Lim, Yae Jee Cho+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、室内小セルシステムにおける双極性化アンテナを用いた、クロスポーラリティ分離度（XPD）と空間相関の関連を有する相関MIMOチャネルモデルを提案する。3次元レイトレーシングシミュレーションを活用し、XPDが高いほど空間相関が低下し、同等のアンテナ間隔の推定が可能であることを示した。特に、XPDが20 dBおよび30 dBの場合はスループット差が著しくないため、コンact MIMOアレイのコスト効率の良い設計トレードオフが可能であることが示唆された。

ABSTRACT

In this letter, we present a correlated channel model for a dual-polarization antenna to omnidirectional antennas in indoor small-cell multiple-input multiple-output (MIMO) systems. In an indoor environment, we confirm that the cross-polarization discrimination (XPD) in the direction of angle-of-departure can be represented as the spatial correlation of the MIMO channel. We also evaluate a dual-polarization antenna-based MIMO channel model and a spatially correlated channel model using a three-dimensional (3D) ray-tracing simulator. Furthermore, we provide the equivalent distance between adjacent antennas according to the XPD, providing insights into designing a dual-polarization antenna and its arrays.

研究の動機と目的

• 室内小セルにおける双極性化MIMOシステムのXPDと空間相関の関係をモデル化すること。
• 3次元レイトレーシングシミュレータを用いて、XPDがMIMOチャネル容量に与える影響を評価すること。
• XPDに基づいた等価アンテナ間隔を導出することで、コンact双極性化アンテナアレイの設計を支援すること。
• 小セルベースステーションにおける性能、コスト、複雑性のバランスをとる設計インサイトを提供すること。

提案手法

• 同ポーラリティおよびクロスポーラリティ伝搬利得を有する偏光伝送行列を用いて、有効なチャネルモデルを構築する。
• 3次元レイトレーシングを用いて、多径および偏光効果を含む現実的な室内チャネル行動をシミュレートする。
• 空間相関を有効チャネル行列でモデル化するために、等方的およびラプラス分布の送信角度（AoD）分布を適用する。
• ランダムな位相およびAoD分布の期待値を用いて、空間相関係数を導出する。
• 双極性化チャネルの空間相関と無指向性アレイを一致させるために、等価アンテナ間隔を計算する。
• シミュレーション結果の累積分布関数（CDF）を用いたエゴドススループット比較により、妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信角度方向におけるXPDが、双極性化MIMOチャネルの空間相関にどのように影響するか？
• RQ2 与えられたXPDに対して、双極性化アンテナの空間相関と一致する無指向性アンテナ間の等価アンテナ間隔は何か？
• RQ3 XPDは、室内小セル環境におけるMIMOシステムスループットにどのように影響するか？
• RQ4 コンact MIMOアレイにおいて、高XPDとシステム複雑性の間の性能トレードオフは何か？
• RQ5 3次元レイトレーシングベースのモデルは、XPDと空間相関の関係を正確に反映できるか？

主な発見

• XPDは空間相関と強く逆相関関係にあり、XPDが高くなるほど空間相関が顕著に低下する。
• XPD = 20 dBでは空間相関係数が0.1980に低下し、XPD = 30 dBではさらに0.0632に減少する。
• ラプラス分布AoDの場合、等価アンテナ間隔はXPD 3 dBで0.100λからXPD 30 dBで0.850λに増加する。
• XPD = 20 dBと30 dBの間でスループット差は無視できるほど小さく、20 dBを超えると利得の減少が顕著になる。
• 等方的AoD分布の等価間隔は、XPD 3 dBから30 dBの範囲で0.076λから0.364λに増加する。
• 提案された有効相関行列は、最小限の性能劣化でコンact双極性化アンテナアレイの正確なモデリングと設計を可能にする。