[논문 리뷰] High-Mobility Wideband Massive MIMO Communications: Doppler Compensation, Analysis and Scaling Law

Guo Wei, Weile Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 18.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 송신기에서 대규모 균일선형어레이(ULA)를 사용하는 고속 이동성 광대역 대량 MIMO 업링크 시스템에서 각도 도메인 도플러 보정을 제안한다. 병렬 beamforming 브랜치를 형성함으로써 각각 단일 지배적 도플러 주파수 오프셋(DFO)에 노출되도록 하여, 전송 이전에 DFO 보정을 가능하게 한다. 핵심 결과는 도플러 스프레드가 $1/\bar{M}$ 비례로 감소함을 보여주는 스케일링 법칙으로, 송신 안테너 수 $M$ 이 충분히 클 경우 채널 시간변동이 점점 억제됨을 나타낸다.

ABSTRACT

In this paper, we apply angle-domain Doppler compensation for high-mobility wideband massive multi-input multi-output (MIMO) uplink transmission. The time-varying multipath channel is considered between high-speed terminal and static base station (BS), where multiple Doppler frequency offsets (DFOs) are associated with distinct angle of departures (AoDs). With the aid of the large-scale uniform linear array (ULA) at the transmitter, we design a beamforming network to generate multiple parallel beamforming branches, each transmitting signal pointing to one particular angle. Then, the transmitted signal in each branch will experience only one dominant DFO when passing over the time-varying channel, which can be easily compensated before transmission starts. We theoretically analyze the Doppler spread of the equivalent uplink channel after angle-domain Doppler compensation, which takes into account both the mainlobe and sidelobes of the transmit beam in each branch. It is seen that the channel time-variation can be effectively suppressed if the number of transmit antennas is sufficiently large. Interestingly, the asymptotic scaling law of channel variation is obtained, which shows that the Doppler spread is proportional to the maximum DFO and decreases approximately as $1/\sqrt{M}$ ($M$ is the number of transmit antennas) when $M$ is sufficiently large. Numerical results are provided to corroborate the proposed scheme.

연구 동기 및 목표

• 다양한 도플러 주파수 오프셋(DFO)으로 인해 시간에 따라 변하는 채널 문제를 고속 이동성 광대역 대량 MIMO 업링크 환경에서 다루기.
• 한정된 공간 해상도로 인해 조밀한 다중 경로 조건에서 실패하는 전통적 방법의 한계를 극복하기.
• 대규모 균일선형어레이(ULAs)의 높은 공간 해상도를 활용하여 송신기에서 각 beam 별 DFO 보정을 가능하게 하기.
• 보정 이후 등가 업링크 채널의 잔류 도플러 스프레드를 이론적으로 분석하며, 메인로브 및 사이드로브 영향을 포함하기.
• 채널 시간변동에 대한 점점 가까워지는 스케일링 법칙을 유도하고 검증하며, $1/\\sqrt{M}$ 비례로 억제됨을 보여주기.

제안 방법

• 송신기에서 매칭 필터 beamforming을 적용하여 서로 다른 도래각(AoD)을 향해 향하는 다수의 병렬 beamforming 브랜치를 생성하기.
• 각 beamforming 브랜치는 오직 하나의 지배적 DFO만 경험하므로, 송신기에서 전송 이전에 도플러 보정이 가능하다.
• 고속 이동 단말기와 정적 기지국 사이의 시간에 따라 변하는 다중 경로 채널을 모델링하며, DFO는 각기 다른 AoD와 연결된다.
• 정적 및 사이드로브 기여를 모두 고려한 이론적 분석을 수행하며, 완전 타원적 적분을 포함하는 적분 표현식을 사용한다.
• 대규모 $M$ 근사법을 활용하여 beam 응답 함수에 대한 적분을 근사함으로써 도플러 스프레드의 점점 가까워지는 경계를 도출한다.
• 적분 근사 및 경계(예: [33]의 식 (6.153)를 활용)를 통해 $\\Lambda_{1,1}$ 이 $\frac{2}{\\pi}\ln(2M)$ 비례로 증가하고, $\\Lambda_{1,2}$ 와 $\\Lambda_{1,3}$ 이 $1/M$ 비례로 감소함을 보여, 큰 $M$ 에서는 이를 무시할 수 있음을 정당화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 송신기에서 각도 도메인 beamforming을 통해 고속 이동성 광대역 대량 MIMO 업링크에서 효과적인 도플러 보정이 가능할 수 있는가?
• RQ2 각도 도메인 도플러 보정 이후 등가 업링크 채널의 잔류 도플러 스프레드는 송신 안테너 수 $M$ 에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 메인로브 및 사이드로브 응답의 영향은 beamforming 및 DFO 보정 이후 효과적 도플러 스프레드에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 각도 도메인 도플러 보정 하에서 채널 시간변동에 대한 이론적 스케일링 법칙을 도출할 수 있는가?
• RQ5 beamforming 사이드로브 및 beam 응답 로브는 채널 변동의 점점 가까워지는 행동에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 각도 도메인 도플러 보정 이후 등가 업링크 채널의 도플러 스프레드는 $M$이 송신 안테너 수일 때 점점 가까워지게 $1/\\sqrt{M}$ 비례로 스케일링된다.
• 메인로브 기여 $\\Lambda_{1,1}$ 은 $M$ 에 대해 로그적으로 증가하며, 약 $\frac{2}{\\pi}\ln(2M)$ 비례한다. 반면 사이드로브 기여 $\\Lambda_{1,2}$ 와 $\\Lambda_{1,3}$ 은 $1/M$ 비례로 감소한다.
• 충분히 큰 $M$ 에서는 사이드로브 기여가 무시할 수 있을 정도로 작아지며, 주요 항인 $\\Lambda_{1,1}$ 이 채널 시간변동의 점점 가까워지는 행동을 지배하게 된다.
• beamforming 네트워크가 각 beam 별로 DFO를 효과적으로 분리하여 전송 이전 보정이 가능하게 하며, 부호 간 간섭(ICI)을 크게 감소시킨다.
• 이론적 분석은 $M$ 이 클 경우 채널 시간변동이 효과적으로 억제됨을 확인하며, 동적인 환경에서 고속 이동성 대량 MIMO의 실현 가능성을 검증한다.
• 수치 결과는 이론적 분석을 지지하며, $M$ 이 증가함에 따라 성능 향상이 정확히 스케일링 법칙에 의해 예측됨을 보여준다.