[논문 리뷰] A Distributed Multi-RF Chain Hybrid mmWave Scheme for Small-cell Systems

Lou Zhao, Jiajia Guo외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 22.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 22인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 소형셀 기지국(SBS)과 사용자 모두에서 다수의 RF 체인을 사용하는 분산형 하이브리드 mmWave 시스템을 제안하여 지리적으로 분산된 SBS들로부터 비침습적 공간 다양성을 활용한다. 동시에 다수의 SBS가 전송하고 협동적인 아날로그 빔포밍을 수행함으로써, 산란이 제한된 희박한 mmWave 채널 환경에서 특히 성능이 향상되며, 전방향성 경로(LoS)에서 유도되는 추가적인 자유도를 활용하여 기존의 집중형 완전 디지털 시스템을 뛰어넘는다.

ABSTRACT

This paper proposes a distributed hybrid millimeter wave (mmWave) scheme to exploit the structure of a Densely Deployed Distributed (DDD) small-cell-base-stations (SBSs) system for serving multiple users in a geographic area. Both the SBSs and the users are equipped with full access hybrid architectures with multi-antenna arrays and multiple radio frequency chains. Unlike the conventional cellular networks where users receive data streams from their nearest BSs, the users in our proposed scheme simultaneously receive data streams from different SBSs. With appropriate design of analog beamformers, co-channel multi-data-stream interference can be mitigated and the extra spatial degrees of freedom induced by the geographic distributed SBSs are exploited for data multiplexing. Analytical and simulation results show that the proposed scheme can improve the system sum-rate considerably, especially when the number of scattering components in millimeter wave channels is limited.

연구 동기 및 목표

• 희박한 산란과 높은 경로 손실로 인해 기존의 집중형 mmWave 기지국에서 공간 자유도(DOF)가 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 밀집된 소형셀 환경에서 지리적으로 분산된 다수의 SBS들로부터 유도되는 공간 다양성을 활용하여 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해.
• SBS와 사용자 모두에서 제한된 RF 체인을 고려한 실용적인 하드웨어 제약 조건을 충족하는 하이브리드 아날로그/디지털 빔포밍 설계를 위해.
• 단일 사용자에게 다수의 SBS로부터 다중 스트림 전송을 가능하게 하여 단일 기지국의 데이터 멀티플렉싱 한계를 극복하기 위해.
• 완전 디지털 아키텍처보다 하드웨어 비용과 에너지 소비를 낮추면서도 높은 합성 속도 성능을 달성하기 위해.

제안 방법

• 다양한 SBS들이 공간적으로 분리되어 있는 Densely Deployed Distributed (DDD) 소형셀 아키텍처를 사용하여, 가용한 LoS 전파 경로 수를 증가시킨다.
• 각 SBS와 사용자는 다수의 RF 체인과 다중 안테나 어레이를 갖춘 완전 액세스 하이브리드 아키텍처를 탑재하여, 동시에 다중 스트림 전송 및 수신이 가능하다.
• 공동으로 설계된 아날로그 빔포머가 서로 다른 채널 간 다중 스트림 간섭을 완화하고 주요 수신각(AoA) 성분 방향으로 빔을 정렬한다.
• 분산된 SBS들의 가상 MIMO 특성을 활용하여, 산란이 제한된 희박한 mmWave 환경에서 특히 추가적인 공간 자유도를 확보한다.
• 제한된 RF 체인이라는 하드웨어 제약 조건 하에서 전체 채널 상태 정보(CSI) 공유를 피하고 백홀 오버헤드를 줄이기 위해 협동 빔포밍 전략을 개발한다.
• LoS와 NLoS 성분 간의 균형을 조절하는 데 사용되는 전력 비율 파라미터 $\varsigma$를 도입하여, 성능 향상을 위한 최적화를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SBS와 사용자 모두에서 다수의 RF 체인을 갖춘 분산형 하이브리드 mmWave 시스템이 합성 속도 측면에서 기존의 집중형 완전 디지털 시스템을 뛰어넘을 수 있는가?
• RQ2 SBS의 공간 분포가 산란 성분이 제한된 mmWave 채널에서 자유도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 LoS 대비 NLoS 성분을 제어하는 전력 비율 $\varsigma$가 희박한 mmWave 환경에서 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 산란 경로 수 $N_{\mathrm{cl}}$가 분산형 시스템과 기존 시스템 간 성능 격차에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 제안된 시스템은 완전 디지털 시스템에 비해 하드웨어 복잡도와 백홀 신호 전송을 줄이며 높은 스펙트럼 효율을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 분산형-SBS 하이브리드 mmWave 시스템은 특히 산란 성분이 제한된 희박한 mmWave 채널에서 기존의 집중형 완전 디지털 시스템보다 뚜렷이 높은 합성 속도를 달성한다.
• 낮은 및 중간 SNR 영역에서, 다수의 LoS 경로로 인한 공간 멀티plex링 이득이 향상되어 분산형-SBS 시스템이 기존 시스템을 능가한다.
• 전력 비율 $\varsigma$가 증가함에 따라(LoS 성분이 유리해짐) 분산형-SBS 시스템의 합성 속도는 증가하지만, 산란으로 인한 자유도 제한으로 인해 기존 시스템의 속도는 포화 상태에 도달한다.
• $N_{\mathrm{cl}}$(산란 경로 수)가 작을 경우, 분산형-SBS 시스템과 기존 시스템 간 성능 격차는 뚜렷하게 커지며, 이는 희박한 환경에서 공간 다양성의 우수성을 입증한다.
• 사용자 안테나 수 $P$가 증가함에 따라, 효과적인 다중-SBS 빔포밍 덕분에 분산형-SBS 시스템은 조그만 사용자 안테나 수에서도 뛰어난 합성 속도 성능 유지를 유지한다.
• 완전 디지털 아키텍처에 비해 하드웨어 비용을 낮추고 백홀 신호 전송을 줄이며 높은 스펙트럼 효율을 달성하여, 5G mmWave 구현에 실용적이다.