[논문 리뷰] Antenna Count for Massive MIMO: 1.9 GHz versus 60 GHz

Erik G. Larsson, Thomas L. Marzetta외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 20.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 선로 간섭 없는 전파 조건과 완벽한 채널 상태 정보를 가정할 때 1.9 GHz(PCS)와 60 GHz(mmWave) 대량 다중 안테나(Massive MIMO) 성능을 비교한다. 노이즈가 지배하는 단일 세포 환경에서는 128개 안테나를 가진 PCS 성능을 따라잡기 위해 128,000개의 mmWave 안테나가 필요하지만, 간섭이 지배하는 다중 세포 환경에서는 경로 손실 차이의 영향이 감소하고 채널 직교성이 향상되어 215개의 mmWave 안테나로도 충분하다.

ABSTRACT

If we assume line-of-sight propagation and perfect channel state information at the base station -- consistent with slow moving terminals -- then a direct performance comparison between single-cell Massive MIMO at PCS and mmWave frequency bands is straightforward and highly illuminating. Line-of-sight propagation is considered favorable for mmWave because of minimal attenuation, and its facilitation of hybrid beamforming to reduce the required number of active transceivers. We quantify the number of mmWave (60 GHz) service antennas that are needed to duplicate the performance of a specified number of PCS (1.9 GHz) service antennas. As a baseline we consider a modest PCS deployment of 128 antennas serving 18 terminals. We find that, to achieve the same per-terminal max-min 95%-likely downlink throughput, 10000 mmWave antennas are needed. To match the total antenna area of the PCS array would require 128000 half-wavelength mmWave antennas, but a much reduced number is adequate because the large number of antennas also confers greater channel orthogonality. The principal alleged benefit of mmWave technology--vast amounts of inexpensive spectrum--is at least partially offset by the complexity of possibly unwieldy amounts of hardware.

연구 동기 및 목표

• 128개 안테나를 가진 PCS(1.9 GHz) 시스템의 성능을 따라잡기 위해 필요한 mmWave(60 GHz) 안테나 수를 정량화하는 것.
• mmWave 대비 5GHz 이하 대역에서의 경로 손실, 어레이 이득, 채널 직교성 간의 상호 상충 관계를 분석하는 것.
• 다중 세포 환경에서의 간섭 제한 조건이 단일 세포 노이즈 제한 환경 대비 필요한 mmWave 안테나 수를 어떻게 줄이는지 평가하는 것.
• 채널 상태 정보의 품질과 어레이 기하구조가 스펙트럼 효율성 및 SINR 성능에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 이상적이나 현실적인 전파 조건 하에서 엄밀한 성능 비교를 통해 mmWave 대량 다중 안테나의 확장성에 대한 오해를 해소하는 것.

제안 방법

• 기지국에서 완벽한 채널 상태 정보를 가정하고, 느리게 움직이는 단말기를 가정하여 선로 간섭(LoS) 전파 모델을 적용한다.
• 스펙트럼 효율성을 모델링하기 위해 샤논-하르티리 용량 공식을 적용하며, 용량은 B log₂(1 + P/(BN₀))로 스케일링되며, 여기서 B는 대역폭이고 P는 수신 전력이다.
• 업링크 및 다운링크에서 최소 최대 공정성(max-min fairness)을 적용하고, 간섭 지배 환경을 모의하기 위해 시스템 전체 전력 제어를 시행한다.
• 128개 요소로 구성된 선형, 원형, 8×16 직사각형 어레이 구성을 1.9 GHz에서 평가하고, 이와 동일한 mmWave 어레이를 60 GHz에서 평가한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 다양한 어레이 기하구조와 전파 조건 하에서 SINR 분포를 분석한다.
• 노이즈 지배 단일 세포와 간섭 지배 다중 세포 배치 간의 비교 분석을 수행하여 간섭의 영향을 고립적으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노이즈 지배 단일 세포 환경에서, 128개 안테나를 가진 1.9 GHz 대량 다중 안테나 시스템의 단말기별 최소 최대 95% 확률 다운링크 전송률을 동일하게 달성하기 위해 60 GHz mmWave 안테나는 몇 개가 필요한가?
• RQ2 5GHz 이하 대역 대비 더 높은 경로 손실을 상쇄하기 위해 mmWave 안테나 수에 영향을 미치는 채널 직교성의 영향은 무엇인가?
• RQ3 다중 세포 환경에서의 이웃 세포 간섭은 단일 세포 설정 대비 필요한 mmWave 안테나 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 간섭 지배 mmWave 배치 환경에서 1.9 GHz 시스템의 전력 이점은 어느 정도 의미가 없어지는가?
• RQ5 주파수에 따라 효과적 영향 면적의 스케일링(1/f²)이 링크 예산 유지를 위해 필요한 안테나 수에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 노이즈 지배 단일 세포 환경에서, 128개 안테나를 가진 1.9 GHz 대량 다중 안테나 시스템의 단말기별 최소 최대 95% 확률 다운링크 전송률을 따라잡기 위해 약 20,000개의 mmWave(60 GHz) 안테나가 필요하다.
• 이론적 링크 예산 예측치인 약 128,000개의 mmWave 안테나((f₂/f₁)² 스케일링 기반)는 대규모 어레이로 인한 채널 직교성 향상으로 인해 약 6.4배 감소한다.
• 시스템 전체 최소 최대 공정성 전력 제어를 적용한 간섭 지배 다중 세포 환경에서는 단지 215개의 mmWave 안테나로 128개 안테나를 가진 1.9 GHz 시스템의 성능을 따라잡을 수 있다.
• 간섭 지배 영역에서는 간섭이 지배적이므로 성능은 캐리어 주파수와 무관해지며, 경로 손실과 어레이 이득의 차이가 무시 가능해진다.
• 대규모 어레이로 인한 채널 직교성 향상은 링크 예산 분석만으로 예측할 수 있는 것보다 필요한 mmWave 안테나 수를 줄이는 핵심 요인이다.
• 선로 간섭 조건에서 어레이 기하구조(선형, 원형, 직사각형)는 SINR 성능에 미미한 영향을 미치며, PCS 및 mmWave 대역 모두에서 동일한 추세를 보인다.