[논문 리뷰] Design and Implementation of a TDD-Based 128-Antenna Massive MIMO Prototyping System

Xi Yang, Wen‐Jun Lu외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 26.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 17인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 20 MHz 대역폭을 위한 TDD 기반 128안테나 대량 MIMO 프로토타이핑 시스템을 제안하며, 동시에 최대 12명의 단일 안테나 사용자를 지원한다. 소프트웨어 정의 무선과 시간분할 이중성을 활용하여, 256-QAM 및 12명의 사용자 조건에서 최대 스펙트럼 효율 80.64 bit/s/Hz를 달성하며, QPSK 변조를 사용해 8명의 사용자에게 268.8 Mbps의 스루풋을 제공하는 실시간 업링크 영상 스트리밍과 다운링크 beamforming을 구현한다.

ABSTRACT

Spurred by the dramatic mobile IP growth and the emerging Internet of Things (IoT) and cloud-based applications, wireless networking is witnessing a paradigm shift. By fully exploiting the spatial degrees of freedom, the massive multipleinput- multiple-output (MIMO) technology promises significant gains in both data rates and link reliability. This paper presents a time-division duplex (TDD)-based 128-antenna massive MIMO prototyping system designed to operate on a 20 MHz bandwidth. Up to twelve single-antenna users can be served by the designed system at the same time. System model is provided and link-level simulation corresponding to our practical TDDbased massive MIMO prototyping system is conducted to validate our design and performance of the algorithms. Based on the system hardware design demonstrated in this paper, both uplink real-time video and downlink data transmissions are realized, and the experiment results show that 268.8 Mbps rate was achieved for eight single-antenna users using QPSK modulation. The maximum spectral efficiency of the designed system will be 80.64 bit/s/Hz by twelve single-antenna users with 256-QAM modulation.

연구 동기 및 목표

• TDD를 활용한 128안테나 기지국 운영을 위한 확장 가능하고 실시간 동작이 가능한 대량 MIMO 프로토타이핑 시스템을 설계하고 구현하는 것.
• 동시 다중 사용자 업링크 영상 스트리밍과 다운링크 beamforming을 가능하게 함으로써 실세계 하드웨어에서 대규모 MIMO의 실현 가능성을 검증하는 것.
• 하드웨어 불완전성과 채널 상호성의 영향을 분석하여, 보정 과정 중 간섭이 존재할 경우 시스템 성능에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 실세계 테스트베드에서 유연한 변조 및 사용자 멀티plexing를 통해 높은 스펙트럼 효율을 구현하는 것.

제안 방법

• 채널 상호성을 활용하기 위해 시간분할 이중성(TDD) 프레임 구조를 사용하여 다운링크 beamforming을 업링크 피LOT 기반 채널 상태 정보(CSI)를 통해 실현한다.
• 기지국 처리 및 RF 신호 생성을 위해 소프트웨어 정의 무선(SDR) 플랫폼을 사용하며, 확장성과 실시간 처리를 지원하기 위해 모듈화되고 계층적인 아키텍처를 채택한다.
• 업링크 피LOT로부터 추정한 CSI를 바탕으로 다중 사용자 간섭을 억제하기 위해 선형 프리코딩 기법—최대비율 전송(MRT)과 제로포싱(ZF)—을 구현한다.
• 하드웨어에 기인한 채널 상호성 훼손을 보정하기 위해 상호성 보정 방법을 적용하며, 20 MHz 대역폭 내 1200개의 서브신호에서 보정 계수를 추정한다.
• 하드웨어 설계는 기지국에 128개의 등간격 선형 어레이(ULA)를 포함하며, 동일한 시간-주파수 자원 블록 내 최대 12명의 단일 안테나 사용자를 지원한다.
• 물리 계층(PHY) 및 미디어 애크세스 제어(MAC) 기능을 위한 실시간 신호 처리를 수행하며, 대량의 데이터 스루풋을 관리하기 위해 고속도 데이터 버스를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실시간 TDD 기반 SDR 플랫폼에서 128안테나 대량 MIMO 시스템을 완전히 구현할 수 있는가?
• RQ2 다수의 단일 안테나 사용자가 존재하는 실세계 대량 MIMO 환경에서 도달 가능한 스펙트럼 효율과 최대 데이터 전송 속도는 얼마인가?
• RQ3 보정 과정 중 하드웨어 불일치 및 간섭이 채널 상호성과 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 대규모 MIMO 테스트베드에서 실시간 업링크 영상 스트리밍과 다운링크 beamforming을 얼마나 잘 성취할 수 있는가?

주요 결과

• 20 MHz 대역폭에서 QPSK 변조를 사용해 8명의 단일 안테나 사용자에게 268.8 Mbps의 최대 데이터 전송 속도를 달성하였다.
• 12명의 단일 안테나 사용자와 256-QAM 변조 조건에서 최대 스펙트럼 효율 80.64 bit/s/Hz를 달성하였다.
• QPSK로 4명, 16-QAM로 1명의 사용자에게 성공적으로 다운링크 전송을 수행하여 스펙트럼 효율 16.8 bit/s/Hz를 달성하였다.
• 간섭 또는 최적의 기준 안테나 선택이 불량한 경우 상호성 보정에 실패하여 다운링크에서 높은 사용자 간섭이 발생하고 데이터 복구가 실패하였다.
• 정확한 상호성 보정 계수는 1200개의 서브신호에서 안정적으로 유지되어 보정 과정에서 웨이브폼 최적화의 잠재력을 보여주었다.
• 안테나 어레이의 기하학적 구조는 보정 정확도에 큰 영향을 미치며, 특히 기준 안테나가 어레이 가장자리에 가까울 경우 더욱 두드러진다.