[논문 리뷰] LuMaMi28: Real-Time Millimeter-Wave Massive MIMO Systems with Antenna Selection

MinKeun Chung, Liang Liu외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 07.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실시간 28 GHz 마이크로파 대량 다중 입력 다중 출력(MIMO) 테스트베드인 LuMaMi28를 제시한다. 이 테스트베드는 16체인의 완전 디지털 기지국과 실시간 안테나 선택이 가능한 빔 스위치 가능한 안테나를 장착한 사용자 단말(UE)을 포함한다. 시스템은 MRC 처리를 통해 UE 측 안테나 선택이 고이득 패치 안테나를 특별히 유리하게 하여 중앙값 처리량을 최대 3.32배 향상시킴을 입증한다. 이는 이동 환경에서 특히 유리하다.

ABSTRACT

This paper presents LuMaMi28, a real-time 28 GHz massive multiple-input multiple-output (MIMO) testbed. In this testbed, the base station has 16 transceiver chains with a fully-digital beamforming architecture (with different pre-coding algorithms) and simultaneously supports multiple user equipments (UEs) with spatial multiplexing. The UEs are equipped with a beam-switchable antenna array for real-time antenna selection where the one with the highest channel magnitude, out of four pre-defined beams, is selected. For the beam-switchable antenna array, we consider two kinds of UE antennas, with different beam-width and different peak-gain. Based on this testbed, we provide measurement results for millimeter-wave (mmWave) massive MIMO performance in different real-life scenarios with static and mobile UEs. We explore the potential benefit of the mmWave massive MIMO systems with antenna selection based on measured channel data, and discuss the performance results through real-time measurements.

연구 동기 및 목표

• 실생활 전파 조건에서 실용적 시스템 성능을 평가하기 위한 유연하고 실시간 동작하는 마이크로파 대량 MIMO 테스트베드 개발.
• 정적 및 이동 환경에서 사용자 단말(UE) 빔 스위칭 및 안테나 선택이 마이크로파 시스템 성능에 미치는 영향 조사.
• 다양한 빔포밍 및 프리코딩 기법 하에서 다양한 UE 안테나 유형—야기(넓은 빔폭, 낮은 이득) 및 패치(좁은 빔폭, 높은 이득)—의 성능 이득 비교.
• 실제 하드웨어 손상 요소를 반영한 이동 환경에서 경로 손실 감소 및 처리량 향상에 대한 안테나 선택의 효과 평가.

제안 방법

• 기지국은 16개의 송수신 체인을 갖춘 완전 디지털 빔포밍 아키텍처를 사용하며, 다수의 UE에 대한 공간 multiplexing를 지원한다.
• 사용자 단말(UE) 단위는 실시간으로 사전 정의된 네 개의 빔 중 채널 크기가 가장 큰 빔을 선택할 수 있는 빔 스위치 가능한 안테나 어레이를 탑재한다.
• 두 가지 유형의 UE 안테나를 평가: 넓은 빔폭과 낮은 피크 이득을 가진 야기 어레이와 좁은 빔폭과 높은 이득을 가진 패치 어레이.
• 정적(회전), 수평 이동, 수직 이동, 원형 이동의 세 가지 시나리오에서 실시간 측정을 수행하며, 기지국에서 MRC 및 ZF 프리코딩을 사용한다.
• 실시간으로 채널 상태 정보를 수집하고, 상향링크 데이터 속도의 누적분포함수(CDF)를 통해 처리량 성능을 평가한다.
• 실제 마이크로파 시스템 제약 조건을 반영하기 위해 테스트베드 설계 시 위상 노이즈 및 전력 증폭기 비선형성 등의 하드웨어 손상 요소를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 및 이동 조건에서 실시간 UE 안테나 선택이 마이크로파 대량 MIMO 시스템의 상향링크 처리량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 야기 및 패치 어레이 안테나의 빔 선택 이득 및 처리량 향상 측면에서의 성능 차이는 무엇인가?
• RQ3 MRC 및 ZF 프리코딩 기법이 마이크로파 시스템에서 안테나 선택의 효과성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이동성은 시스템 성능을 얼마나 떨어뜨리며, 안테나 선택은 이러한 성능 저하를 완화할 수 있는가?
• RQ5 노이즈 제한 조건와 간섭 제한 조건에서 안테나 선택으로부터 기대할 수 있는 처리량 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 기지국과 UE 사이의 거리가 3–11m 범위일 때, 야기 어레이는 10.0 dB, 패치 어레이는 12.8 dB의 실현 가능한 빔 선택 이득을 기록한다.
• 이동 환경에서 MRC 프리코딩을 사용할 경우, 야기 어레이는 3.32배, 패치 어레이는 1.97배의 중앙값 상향링크 처리량 향상을 기록한다.
• ZF 프리코딩을 사용할 경우, 둘 다 유사한 처리량 향상을 기록한다(야기: 1.13배, 패치: 1.15배), 간섭 제한 조건에서는 선택의 이점이 미미함을 시사한다.
• 안테나 선택이 적용되지 않은 경우, 패치 안테나를 장착한 UE는 야기 안테나를 장착한 UE보다 중앙값 처리량이 4배 높다. 이는 고이득, 좁은 빔폭 안테나의 우수성을 보여준다.
• 수직 이동 경로에서 ZF 조건 하에서 안테나 선택은 최저 처리량을 야기 기준 1.63배, 패치 기준 1.83배 향상시키며, 이는 노이즈 제한 조건에서의 유용성을 시사한다.
• 피크 처리량에서 안테나 선택과 선택 없음 간의 차이가 가장 두드러진 경우는 패치 안테나(6.4 vs. 4.43 Mbit/s)이며, 이는 근접한 라인오브사이트 조건에서 빔폭과 이득의 상충 관계가 중요한 영향을 미침을 시사한다.