[논문 리뷰] Multi-User Millimeter Wave MIMO with Full-Dimensional Lens Antenna Array

Yong Zeng, Lu Yang외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 18.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 기지국(BS)에서 전방향 렌즈 안테나 어레이를 사용하고 이동국(MS)에서 일반적인 균일 평면 어레이(UPA)를 사용하는 저복잡도 다중 사용자 mmWave MIMO 시스템을 제안한다. 렌즈의 각도에 따라 에너지를 집중시키는 특성과 새로운 경로 지연 보정 기법을 활용하여 주파수 선택성 채널을 병렬 주파수 평탄 MIMO 채널로 변환함으로써 단일 대역 전송을 가능하게 하고, 도착각(AoA) 간격이 충분히 분리되어 있을 경우 거의 간섭 없는 통신을 실현한다. 이로 인해 하드웨어 및 처리 비용을 크게 줄이며 기준 대비 높은 총 데이터율 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) communication by utilizing lens antenna arrays is a promising technique for realizing cost-effective 5G wireless systems with large MIMO (multiple-input multiple-output) but only limited radio frequency (RF) chains. This paper studies an uplink multi-user mmWave single-sided lens MIMO system, where only the base station (BS) is equipped with a full-dimensional (FD) lens antenna array with both elevation and azimuth angle resolution capabilities, and each mobile station (MS) employs the conventional uniform planar array (UPA) without the lens. By exploiting the angle-dependent energy focusing property of the lens antenna array at the BS as well as the multi-path sparsity of mmWave channels, we propose a low-complexity path division multiple access (PDMA) scheme, which enables virtually interference-free multi-user communications when the angle of arrivals (AoAs) of all MS multi-path signals are sufficiently separable at the BS. To this end, a new technique called path delay compensation is proposed at the BS to effectively transform the multi-user frequency-selective MIMO channels to parallel frequency-flat small-size MIMO channels for different MSs, for each of which the low-complexity single-carrier(SC) transmission is applied. For general scenarios with insufficient AoA separations, analog beamforming at the MSs and digital combining at the BS are jointly designed to maximize the achievable sum-rate of the MSs based on their effective MIMO channels resulting from path delay compensation. In addition, we propose a new and efficient channel estimation scheme tailored for PDMA, which requires negligible training overhead in practical mmWave systems and yet leads to comparable performance as that based on perfect channel state information (CSI).

연구 동기 및 목표

• 큰 어레이와 제한된 RF 체인을 갖는 전통적인 mmWave MIMO 시스템의 높은 하드웨어 및 신호 처리 비용을 해결하기 위해.
• 낮은 복잡도와 낮은 학습 오버헤드로 주파수 선택성 채널에서 효율적인 다중 사용자 mmWave 통신을 가능하게 하기 위해.
• 전방향(FD) 렌즈 안테나 어레이의 도착각(AoA) 기반 신호 집중 능력을 활용해 사용자 간 공간 분리 가능성을 극대화하기 위해.
• AoA 간격이 충분히 분리되어 있을 경우 거의 간섭 없는 통신을 가능하게 하는 경로 분할 다중접속(PDMA) 기법을 설계하기 위해.
• 완벽한 CSI를 갖는 경우와 유사한 성능을 달성하면서도 극히 낮은 학습 오버헤드를 요구하는 효율적인 채널 추정 방법 개발하기 위해.

제안 방법

• 기지국(BS)에서 전방위 렌즈 안테나 어레이를 사용하여 수평 및 수직 방향에서 각도에 따라 에너지를 집중시켜 도착각(AoA) 기반의 사용자 간 공간 multiplexing를 가능하게 한다.
• 기지국에서 경로 지연 보정을 도입하여 주파수 선택성 MIMO 채널을 각 사용자별로 병렬 주파수 평탄 MIMO 채널로 변환함으로써 저복잡도 단일 대역(SC) 전송을 실현한다.
• 이동국(MS)에서는 아날로그 beamforming을 적용하고 기지국에서는 디지털 복합을 통해 AoA 간격이 충분히 분리되지 않은 경우 총 데이터율을 최대화하며, MRC 및 MMSE 복합 기법을 사용한다.
• PDMA에 특화된 새로운 채널 추정 기법을 제안하여 학습 오버헤드를 최소화하면서도 완벽한 CSI를 갖는 경우와 유사한 성능을 달성한다.
• 1차 테일러 근사법을 사용해 렌즈의 위상 이동 프로파일을 모델링하고 어레이 응답을 유도함으로써 비용 효율적인 beamforming 응답의 분석적 특성화를 가능하게 한다.
• 물리광학 원리와 정적 위상 방법을 사용해 렌즈 어레이의 어레이 응답을 유도하며, 특정 도착각(AoA) 방향으로 beamforming 이득을 제공함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기지국에 전방위 렌즈 안테나 어레이를 도입함으로써 도착각 기반 공간 multiplexing를 통해 간섭 없는 다중 사용자 mmWave MIMO 통신이 가능할 수 있는가?
• RQ2 경로 지연 보정 기법이 주파수 선택성 MIMO 채널을 각 사용자별로 병렬 주파수 평탄 채널로 효과적으로 변환할 수 있는가?
• RQ3 제안된 PDMA 기법의 실현 가능한 총 데이터율 성능은 기존의 MIMO-OFDM 및 하이브리드 아날로그/디지털 beamforming 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 제안된 시스템에서 최소한의 학습 오버헤드로 높은 정확도를 유지하면서 채널 추정을 어떻게 수행할 수 있는가?
• RQ5 제안된 렌즈 기반 mmWave MIMO 아키텍처에서 하드웨어 비용, 신호 처리 복잡도, 스펙트럼 효율성 간의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 PDMA 기법은 사용자 간 도착각(AoA) 간격이 충분히 크면 거의 간섭 없는 통신을 실현하며, 이로 인해 효율적인 단일 대역 전송이 가능하다.
• 경로 지연 보정 기법은 주파수 선택성 MIMO 채널을 병렬 주파수 평탄 MIMO 채널로 성공적으로 변환하여 신호 처리 복잡도를 감소시킨다.
• 기준 대비 MIMO-OFDM 및 하이브리드 아날로그/디지털 beamforming 시스템에 비해 뚜렷한 총 데이터율 향상을 달성하며, 특히 고속 이동성 또는 풍부한 산란 환경에서 유리하다.
• 제안된 채널 추정 기법은 극히 낮은 학습 오버헤드를 유발하며, 완벽한 채널 상태 정보(CSI)를 갖는 경우와 유사한 성능을 달성한다.
• 렌즈 기반 시스템은 기존의 대규모 MIMO 시스템에 비해 상당히 낮은 하드웨어 비용과 신호 처리 복잡도로 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 수치 결과는 제안된 설계가 총 데이터율 면에서 최신 기술 대비 뛰어난 성능을 보이며, 낮은 RF 체인 수와 전력 소모를 유지함을 확인한다.