[논문 리뷰] A New Millimeter Wave MIMO System for 5G Networks

Mojtaba Ahmadi Almasi, Roohollah Amiri외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 12.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 6G mmWave 네트워크를 위한 렌즈 기반 재구성 가능 안테나 MIMO 시스템을 제안한다. 이 시스템은 기지국에 완전한 렌즈를, 사용자 장치에 불완전한 렌즈를 사용하여 하드웨어 프로파일을 줄인다. 알라무티 공간-시간 블록 코드와 최적의 빔 선택을 통합함으로써, 전체 다중성 이득을 달성하고 평균 신호 대 잡음비(SNR)를 크게 향상시켜 무작위 빔 선택보다 신호 대 잡음비(SNR) 및 비트 오류율(BER) 성능에서 뛰어나다.

ABSTRACT

Millimeter Wave (mmWave) band provides a large spectrum to meet the high-demand capacity by the 5th generation (5G) wireless networks. However, to fully exploit the available spectrum, obstacles such as high path loss, channel sparsity, and hardware complexity should be overcome. To this end, the present paper aims to design a new multiple-input multiple-output (MIMO) system using lens-based multi-beam reconfigurable antennas. The proposed MIMO system uses complete lens at the transmitter and incomplete lens at the receiver. To reduce hardware complexity, we utilize an optimal beam selection technique. Our analysis demonstrates that the proposed MIMO system along with the optimal beam selection technique increases the average signal-to-noise ratio (SNR). Also, simulations show that the system achieves full-diversity gain.

연구 동기 및 목표

• 사용자 장치에서 재구성 가능 안테나의 물리적 프로파일을 줄임으로써 mmWave MIMO 시스템의 높은 경로 손실과 하드웨어 복잡성을 해결하고자 한다.
• 새로운 렌즈 기반 다중 빔 beamforming 아키텍처를 통해 mmWave 대역의 채널 희소성과 낮은 랭크 특성을 극복하고자 한다.
• 최소한의 RF 체인 수를 유지하면서 mmWave MIMO 시스템에서 전체 다중성 이득과 향상된 스펙트럼 효율을 달성하고자 한다.
• 기존의 하이브리드 빔포밍을 렌즈 기반 빔 선택 방식으로 대체함으로써 필요한 위상 이동기 수와 RF 체인 수를 줄이고자 한다.
• 최적의 빔 선택과 알라무티 STBC를 통한 전체 다중성 이득 달성과 무작위 빔 선택 대비 뛰어난 BER 성능을 입증하고자 한다.

제안 방법

• 시스템은 기지국에 완전한 구형 렌즈를, 사용자 장치에 불완전한 구형 렌즈를 사용하여 이동 장치 내 공간 요구를 줄인다.
• 각 송신 재구성 가능 안테나는 렌즈를 통해 빔 선택 네트워크(BSN)와 다수의 타퍼드 슬롯 안테나(TSA)에 연결된 하나의 RF 체인을 사용한다.
• 수신기는 TSA에 연결된 다수의 RF 체인을 지원하여 공간 multiplexing와 다중성 이득을 가능하게 한다.
• 최적의 빔 선택 알고리즘은 각 RF 체인에 대해 채널 이득이 가장 높은 빔을 선택하여순간 SNR를 최대화한다.
• 시스템은 알라무티 STBC와 빔 선택을 통합하여 레일라이트 fading 채널에서 전체 다중성 이득을 달성한다.
• 이론적 분석을 통해 카이제곱 분포를 따르는 채널 이득의 순서 통계를 이용하여 기대 SNR 이득을 유도하며, 다수의 빔 중 최대 이득의 기대값에 대한 닫힌 형태 식을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렌즈 기반 재구성 가능 안테나 MIMO 시스템은 mmWave 대역에서 높은 스펙트럼 효율을 유지하면서도 사용자 장치의 물리적 크기를 줄일 수 있는가?
• RQ2 렌즈 기반 MIMO 시스템에서 최적의 빔 선택은 무작위 빔 선택 대비 전체 다중성 이득을 달성하는가?
• RQ3 제안된 시스템은 mmWave 채널에서 평균 SNR를 얼마나 향상시키고 BER을 얼마나 감소시키는가?
• RQ4 송신기 및 수신기에서의 빔 수가 제안된 시스템의 가용 SNR 이득에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 큰 수의 위상 이동기나 RF 체인에 의존하지 않고도 제안된 시스템이 mmWave 채널의 희소성과 높은 경로 손실을 극복할 수 있는가?

주요 결과

• 최적의 빔 선택을 통한 제안된 RA-MIMO 시스템은 BER 시뮬레이션을 통해 M_B = 1, 2, 3일 때 각각 다중성 순서 2, 4, 6를 보이며 전체 다중성 이득을 달성함을 확인하였다.
• 최적의 빔 선택 기법은 B_n,m > 1인 경우 평균 SNR 이득이 1을 초과하며, RF 체인당 빔 수가 증가할수록 이득이 증가한다.
• M_B = 2 및 N_B = 1일 때 시스템은 다중성 순서 4를 달성하여 전송 빔 수에 따라 다중성 이득이 증가함을 보여준다.
• 분석된 SNR 이득 식은 송신기 또는 수신기에서의 빔 수를 늘일수록 기대 SNR가 향상됨을 보여주며, 이 이득은 빔 수와 그 분포에 따라 달라진다.
• 시뮬레이션 결과 최적의 빔 선택 알고리즘이 무작위 빔 선택 대비 BER 및 SNR 성능에서 뛰어나며, 특히 고 SNR 영역에서 두드러진 성능 향상을 보였다.
• 사용자 장치에 불완전한 렌즈를 사용함으로써 필요한 공간이 크게 줄어들어 이 시스템이 이동 장치 통합에 더 실현 가능해졌다.