[논문 리뷰] Millimeter Wave MIMO Prototype: Measurements and Experimental Results

Vasanthan Raghavan, Andrzej Partyka외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 25.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 28 GHz 밀리미터파 MIMO 프로토타입을 제시하며, 방향성 빔형성과 원활한 빔 스위칭을 통해 시야 내 및 비시야 환경에서 강력한 고속 통신을 실현한다. 2.9, 29, 61 GHz에서 광범위한 밀리미터파 채널 측정을 통해 시스템의 실현 가능성을 검증하였으며, 빔형성이 블로킹 및 투과 손실을 효과적으로 완화함을 보여준다.

ABSTRACT

Millimeter-wave multi-input multi-output (mm-Wave MIMO) systems are one of the candidate schemes for 5G wireless standardization efforts. In this context, the main contributions of this article are three-fold. 1) We describe parallel sets of measurements at identical transmit-receive location pairs with 2.9, 29 and 61 GHz carrier frequencies in indoor office, shopping mall, and outdoor settings. These measurements provide insights on propagation, blockage and material penetration losses, and the key elements necessary in system design to make mm-Wave systems viable in practice. 2) One of these elements is hybrid beamforming necessary for better link margins by reaping the array gain with large antenna dimensions. From the class of fully-flexible hybrid beamformers, we describe a robust class of directional beamformers towards meeting the high data-rate requirements of mm-Wave systems. 3) Leveraging these design insights, we then describe an experimental prototype system at 28 GHz that realizes high data-rates on both the downlink and uplink and robustly maintains these rates in outdoor and indoor mobility scenarios. In addition to maintaining large signal constellation sizes in spite of radio frequency challenges, this prototype leverages the directional nature of the mm-Wave channel to perform seamless beam switching and handover across mm-Wave base-stations thereby overcoming the path losses in non-line-of-sight links and blockages encountered at mm-Wave frequencies.

연구 동기 및 목표

• 실제 실내 및 실외 환경에서 2.9, 29, 61 GHz에서 밀리미터파 전파 특성을 평가하기 위해.
• 제한된 RF 체인을 가진 강력하고 저복잡도의 하이브리드 빔형성을 통해 밀리미터파 시스템의 높은 경로 손실과 블로킹 문제를 해결하기 위해.
• 실세계 시나리오에서 고속 데이터 전송과 원활한 이동성 지원 기능을 갖춘 실용적인 밀리미터파 MIMO 프로토타입을 구현하기 위해.
• 블로킹 및 이동성 상황에서 링크 신뢰성을 유지하기 위해 빔 스위칭과 이중 기지국 간 핸드오버를 검증하기 위해.

제안 방법

• 오피스, 몰, 실외 환경에서 3개의 캐리어 주파수(2.9, 29, 61 GHz)에 대해 동일한 송신-수신 위치 쌍에서 동시 채널 측정을 수행하였다.
• 수평 및 구형 스캔을 위해 각각 10 dBi 및 20 dBi 이득을 가진 방향성 호른 안테나를 사용하여, 각각 39개 및 331개의 방향성 슬라이스를 생성하였다.
• 채널 소운을 위해 100 Mc/s의 칩 속도를 가진 가짜 노이즈(PN) 시퀀스를 사용하였으며, 정확한 전파 특성 분석을 위해 5 ns의 시간 해상도를 확보하였다.
• 제한된 RF 체인을 통해 고 어레이 이득을 달성하기 위해 방향성 빔형성기반 하이브리드 빔형성 아키텍처를 설계하였다.
• 이동성 중 기지국 간 원활한 핸드오버를 가능하게 하기 위해 빔 스캔 및 빔 스위칭 프로토콜을 구현하였다.
• 실세계 환경에서 실내 및 실외 실험을 수행하여 링크의 견고성, 핸드오버 성능 및 간섭 관리 능력을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 실내 및 실외 환경에서 2.9, 29, 61 GHz에서 경로 손실, 블로킹, 재료 투과 손실은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 제한된 RF 체인을 가진 방향성 빔형성이 밀리미터파 전파 장애를 극복하기에 충분한 링크 마진을 제공할 수 있는가?
• RQ3 이동성 및 블로킹 사건 동안 고속 데이터 전송을 유지하기 위해 빔 스위칭과 이중 기지국 간 핸드오버는 얼마나 효과적인가?
• RQ4 빔형성 복잡도, RF 체인 수, 하드웨어 장애 등과 관련된 밀리미터파 시스템 설계에서의 실용적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 공간-시간 채널 변동성과 인간에 의한 블로킹은 실배치 환경에서 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 밀리미터파 주파수에서의 경로 손실은 sub-6 GHz보다 현저히 높지만, 블로킹 및 투과 손실과 결합될 경우 금기할 만큼 악화되지는 않는다.
• 사람 및 재료 블로킹(예: 콘크리트, 금속)은 링크 품질을 심각하게 악화시키며, 링크 변동성과 단절의 주요 원인이 된다.
• 비시야 조건에서도 빔 스위칭을 통해 28 GHz에서 다운링크 및 업링크 양측 모두 고속 데이터 전송을 달성하였다.
• 실내 환경에서 기지국 간 원활한 핸드오버가 성공적으로 구현되었으며, 블로킹 발생 시 eNB 1에서 eNB 2로의 전환을 확인하였다.
• 기둥에 의한 시야 경로 차단 시 속도 장애가 발생했지만, 반사에 의해 주도적인 비시야 경로를 통해 연결이 복구되었다.
• 방향성 빔형성 솔루션은 위상 변동에 강건하며 신뢰할 수 있는 빔 추적 및 핸드오버를 가능하게 하여 실용적 밀리미터파 배포에 적합함을 입증하였다.