[논문 리뷰] Low RF-Complexity Technologies to Enable Millimeter-Wave MIMO with Large Antenna Array for 5G Wireless Communications

Xinyu Gao, Linglong Dai외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 15.

Microwave Engineering and Waveguides인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 대규모 안테나 어레이를 갖춘 에너지 효율적인 mmWave MIMO를 실현하기 위해 저 RF 복잡도 하이브리드 프리코딩 아키텍처인 배열 기반 하이브리드 프리코딩(PAHP)과 렌즈 어레이 기반 하이브리드 프리코딩(LAHP)을 제안한다. LAHP는 고비용의 위상 시프터 대신 저전력 스위치와 렌즈를 사용함으로써 전력 효율성을 높이며, 비스듬한 신호 복구를 통한 빔스페이스 채널 추정에서 피лот 오버헤드를 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) MIMO with large antenna array has attracted considerable interests from academic and industry communities, as it can provide larger bandwidth and higher spectrum efficiency. However, with hundreds of antennas, the number of radio frequency (RF) chains required by mmWave MIMO is also huge, leading to unaffordable hardware cost and power consumption in practice. In this paper, we investigate low RF-complexity technologies to solve this bottleneck. We first review the evolution of low RF-complexity technologies from microwave frequencies to mmWave frequencies. Then, we discuss two promising low RF-complexity technologies for mmWave MIMO systems in detail, i.e., phased array based hybrid precoding (PAHP) and lens array based hybrid precoding (LAHP), including their principles, advantages, challenges, and recent results. We compare the performance of these two technologies to draw some insights about how they can be deployed in practice. Finally, we conclude this paper and point out some future research directions in this area.

연구 동기 및 목표

• 수백 개의 안테나를 위해 필요한 많은 수의 RF 체인으로 인해 mmWave MIMO 시스템의 하드웨어 비용과 전력 소모가 높아지는 문제를 해결한다.
• 대규모 mmWave MIMO를 5G 무선 통신에 실용적으로 구현하기 위해 저 RF 복잡도 기술을 조사한다.
• 합성 신호 대역폭, 채널 추정 오차에 대한 내성, 전력 효율성 측면에서 진동자기 기반 하이브리드 프리코딩(PAHP)과 렌즈 어레이 기반 하이브리드 프리코딩(LAHP)의 성능을 비교한다.
• LAHP의 빔스페이스 채널 추정 동안 피롯 오버헤드를 줄이기 위해 적응형 선택 네트워크를 제안한다.
• 실제 조건인 이웃셀 간 간섭과 시간에 따라 변화하는 채널을 고려하여, 실외 mmWave MIMO 시스템에서 PAHP와 LAHP의 실용적 구현에 대한 통찰을 제공한다.

제안 방법

• RF 체인 수를 줄이기 위해 디지털 프리코딩과 위상 시프터 네트워크를 통한 아날로그 빔포밍을 조합한 진동자기 기반 하이브리드 프리코딩(PAHP)을 채택한다.
• 위상 시프터를 저손실 렌즈 어레이와 스위치로 대체하여 전력 소모를 최소화하는 렌즈 어레이 기반 하이브리드 프리코딩(LAHP)을 도입한다.
• LAHP의 적응형 선택 네트워크를 설계하여 빔스페이스 채널 추정 문제를 희박한 신호 복구 문제로 수식화함으로써 피롯 오버헤드를 감소시킨다.
• 증폭기, 위상 시프터, 스위치, 파워 스플리터, 커비너, RF 체인의 전력 소비를 고려하여 총 시스템 전력 소비를 함수로 모델링함으로써 전력 효율성 비교를 가능하게 한다.
• 불완전한 채널 상태 정보와 이웃셀 간 간섭을 고려한 현실적인 조건에서 PAHP와 LAHP 간의 합성 신호 대역폭 및 전력 효율성 비교를 수행한다.
• 256안테나 기지국과 셀당 16명의 사용자를 가진 단일 및 다중 셀 환경에서 수치 시뮬레이션을 통해 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완벽한 및 불완전한 채널 상태 정보 하에서 PAHP와 LAHP의 도달 가능한 합성 신호 대역폭는 어떻게 비교되는가?
• RQ2 채널 추정 오차가 mmWave MIMO 시스템에서 PAHP와 LAHP의 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 사용자 수가 증가함에 따라 LAHP의 전력 효율성은 PAHP 및 완전 디지털 프리코딩에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ4 LAHP의 적응형 선택 네트워크는 빔스페이스 채널 추정에서 피롯 오버헤드를 크게 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 광대역, 시간에 따라 변화하는 mmWave 채널에서 PAHP와 LAHP의 성능 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 사용자 수가 12명을 초과할 경우, 고전압 위상 시프터를 저전력 스위치와 렌즈로 대체함으로써 LAHP는 PAHP 및 완전 디지털 프리코딩보다 높은 전력 효율성을 달성한다.
• 고밀도 사용자 환경에서 PAHP는 완전 디지털 프리코딩보다 성능이 열 劣하는 데, 이는 데이터 스트림 수가 증가함에 따라 위상 시프터의 수가 급격히 증가하여 RF 체인의 전력 소비를 초과하기 때문이다.
• LAHP는 PAHP보다 채널 추정 오차에 더 강건하여, 불완전한 CSI를 가진 실용적 시스템에 더 적합하다.
• LAHP의 적응형 선택 네트워크는 빔스페이스 채널 추정 문제를 희박한 신호 복구 문제로 수식화함으로써 피롯 오버헤드를 감소시킨다.
• 이웃셀 간 간섭이 존재하는 다중 셀 환경에서 PAHP와 LAHP는 근사적으로 최적의 합성 신호 대역폭를 달성하여 간섭 조건에서도 뛰어난 성능을 보인다.
• 고 SNR에서 두 시스템의 성능은 이웃셀 간 간섭으로 인해 포화 상태에 도달하며, 이는 밀집된 mmWave 배포 환경에서 간섭 조율의 필요성을 강조한다.