[논문 리뷰] Optimizing the LO Distribution Architecture of mm-Wave Massive MIMO Receivers

Greg LaCaille, Antonio Puglielli외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 04.

Microwave Engineering and Waveguides인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 중앙집중형과 분산형 LO 생성, 상관된 및 상관되지 않은 위상 노이즈, PLL/캐리어 복구 루프 대역폭 간의 상충 관계를 분석함으로써 mm-wave 대규모 MIMO 수신기의 로컬 오실레이터(LO) 분배 아키텍처를 최적화한다. 단일 중간주파수 기준을 여러 서브어레이에 고정하는 하이브리드 아키텍처를 제안하여 75 GHz에서 2 GHz 대역폭에서 64-QAM을 사용해 16단계 공간 multiplexing을 달성하며, 높은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 실현한다.

ABSTRACT

Wireless networks at millimeter wavelengths have significant implementation difficulties. The path loss at these frequencies naturally leads us to consider antenna arrays with many elements. In these arrays, local oscillator (LO) generation is particularly challenging since the LO specifications affect the system architecture, signal processing design, and circuit implementation. We thoroughly analyze the effect of LO architecture design choices on the performance of a mm-wave massive MIMO uplink. This investigation focuses on the tradeoffs involved in centralized and distributed LO generation, correlated and uncorrelated phase noise sources, and the bandwidths of PLLs and carrier recovery loops. We show that, from both a performance and implementation complexity standpoint, the optimal LO architecture uses several distributed subarrays locked to a single intermediate-frequency reference in the low GHz range. Additionally, we show that the choice of PLL and carrier recovery loop bandwidths strongly affects the performance; for typical system parameters, loop bandwidths on the order of tens of MHz achieve SINRs suitable for high-order constellations. Finally, we present system simulations incorporating a complete model of the LO generation system and consider the case of a 128-element array with 16x-spatial multiplexing and a 2 GHz channel bandwidth at 75 GHz carrier. Using our optimization procedure we show that the system can support 16-way spatial multiplexing with 64-QAM modulation.

연구 동기 및 목표

• mm-wave 대규모 MIMO 시스템에서 LO 품질이 비례적으로 beamforming, 캐리어 복구 및 시스템 성능에 영향을 미치는 핵심 과제를 해결하기 위해.
• 대규모 mm-wave 어레이에서 LO 아키텍처 복잡도, 위상 노이즈 상관관계 및 전력 소모 간 최적의 트레이드오���을 규명하기 위해.
• 시스템 아키텍처, 신호 처리 및 회로 수준의 LO 생성을 공동 설계함으로써 높은 스펙트럼 효율성과 다중 사용자 공간 multiplexing을 가능하게 하기 위해.
• 64-QAM 및 256-QAM과 같은 고차원 변조 방식을 지원할 수 있도록 PLL 대역폭 및 캐리어 복구 루프 파rameter의 설계 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 중앙집중형 대비 분산형 LO 생성이 대규모 MIMO 업링크 시나리오에서 위상 노이즈 상관관계 및 시스템 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• VCO 위상 노이즈, PLL 동역학, 전력 분배 손실, 드라이버 효율성을 포함한 전체 LO 생성 시스템을 모델링한다.
• 루팅 손실이 H-트리 토폴로지에 의해 발생하고, 각 PLL당 라디오 수에 따라 매개변수화된 LO 분배 전력 모델을 유도한다.
• 128개의 요소를 가진 어레이, 2 GHz 대역폭, 75 GHz 캐리어를 사용한 시스템 수준 시뮬레이션을 통해 다양한 LO 아키텍처 하에서 SINR 및 스펙트럼 효율성을 평가한다.
• 위상 노이즈 영향을 최소화하기 위해 PLL 및 캐리어 복구 루프 대역폭을 최적화하며, 수십 MHz 대역폭이 64-QAM에 적합한 것으로 나타난다.
• 상관되지 않은 위상 노이즈에 의한 간섭, 특히 단일 사용자 시나리오에서의 자기 간섭과 다중 사용자 시나리오에서의 제로포지션 오차를 평가하고, 서브어레이 간 공유된 PLL을 통한 완화 전략을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mm-wave 대규모 MIMO 시스템에서 성능 및 전력 효율성 측면에서 최적의 LO 분배 아키텍처는 중앙집중형인지 분산형인가?
• RQ2 PLL 및 캐리어 복구 루프 대역폭은 고차원 변조 방식(예: 64-QAM)을 달성하는 데 있어 시스템 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 다중 사용자 대규모 MIMO에서 상관되지 않은 위상 노이즈는 시스템 성능을 얼마나 악화시키며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ4 LO 분배 네트워크에서 루팅 및 스플리터 손실은 어레이 크기와 각 PLL당 라디오 수에 따라 어떻게 증가하는가?
• RQ5 중앙 IF-PLL과 서브어레이 기반 주파수 증폭을 조합한 하이브리드 LO 아키텍처는 높은 스펙트럼 효율성과 낮은 전력 소모를 동시에 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 최적의 LO 아키텍처는 단일 중간주파수 기준을 여러 분산형 서브어레이에 고정하는 방식으로, 위상 노이즈 상관관계와 전력 소모를 최소화한다.
• SINR가 64-QAM 변조에 적합한 수준에 도달하기 위해 PLL 및 캐리어 복구 루프 대역폭은 수십 MHz 수준이 최적임을 확인하였다.
• 시스템 시뮬레이션을 통해 75 GHz에서 2 GHz 대역폭에서 64-QAM을 사용해 16단계 공간 multiplexing이 가능함을 확인하였으며, 이는 높은 스펙트럼 효율성을 지원한다.
• 서브어레이 요소 간 공유된 PLL을 사용함으로써 다중 사용자 시나리오에서 상관되지 않은 위상 노이즈로 인한 제로포지션 오차를 효과적으로 억제할 수 있다.
• 256-QAM에 대해 BER이 5×10⁻⁴ 이하로 달성 가능하지만, 현재 최고 수준을 초월한 비이상적 요소(예: PA 비선형성, IQ 불균형)의 감소가 추가로 필요하다.
• LO 분배 전력 모델은 루팅 및 스플리터 손실이 전력 소모를 주로 차지하며, 총 오버헤드를 최소화하기 위해 N(각 PLL당 라디오 수)의 균형이 최적 성능을 이끌어낸다.