[논문 리뷰] Reconfigurable Antennas in mmWave MIMO Systems

Mojtaba Ahmadi Almasi, Hani Mehrpouyan외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 14.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 8인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 단일 RF 체인을 사용하여 렌즈 통합 다중 패턴 안테나를 활용해 빔포밍과 다양성을 구현하는 mmWave 시스템을 위한 재구성 가능한 안테나 기반 MIMO 아키텍처를 제안한다. 빔 선택 네트워크를 통해 방사 패턴을 동적으로 재구성하고 채널 랭크를 향상시키는 신호 처리 알고리즘을 적용함으로써, 이 시스템은 전체 랭크의 LOS 채널을 달성하고 고 Rician 계수 환경에서 기존 MIMO보다 최대 3.5배 높은 스펙트럼 효율성을 확보한다.

ABSTRACT

The key obstacle to achieving the full potential of the millimeter wave (mmWave) band has been the poor propagation characteristics of wireless signals in this band. One approach to overcome this issue is to use antennas that can support higher gains while providing beam adaptability and diversity, i.e., reconfigurable antennas. In this article, we present a new architecture for mmWave multiple-input multiple-output (MIMO) communications that uses a new class of reconfigurable antennas. More specifically, the proposed lens-based antennas can support multiple radiation patterns while using a single radio frequency chain. Moreover, by using a beam selection network, each antenna beam can be steered in the desired direction. Further, using the proposed reconfigurable antenna in a MIMO architecture, we propose a new signal processing algorithm that uses the additional degrees of freedom provided by the antennas to overcome propagation issues at mmWave frequencies. Our simulation results show that the proposed reconfigurable antenna MIMO architecture significantly enhances the performance of mmWave communication systems.

연구 동기 및 목표

• 재구성 가능한 안테나를 활용해 다이내믹한 방사 패턴을 제공함으로써 mmWave 대역에서의 높은 경로 손실과 그림자 효과의 제한을 해소하고자 한다.
• 각 RF 체인당 소수의 재구성 가능한 안테나로 거대한 MIMO 어레이를 대체함으로써 하드웨어 복잡성과 전력 소비를 감소시키고자 한다.
• 일반적으로 랭크가 부족한 라인오브사이트(LoS) mmWave 채널에서 안테나 재구성을 통해 채널 행렬의 랭크를 향상시켜 스펙트럼 효율을 향상시키고자 한다.
• 재구성 가능한 안테나에서 유도되는 추가 자유도를 활용해 전파 손상 요소를 완화하는 신호 처리 프레임워크를 개발하고자 한다.
• 재구성 가능한 안테나가 특히 LoS 조건에서 기존 MIMO보다 더 높은 용량을 달성할 수 있음을 입증하고자 한다.

제안 방법

• 제안된 시스템은 단일 RF 체인을 사용하여 다수의 조작 가능하고 방사형으로 집중된 방사 패턴을 지원하는 렌즈 기반 재구성 가능한 안테나 설계를 사용한다.
• 빔 선택 네트워크를 통해 각 방사 패턴을 원하는 방향으로 동적으로 조작함으로써 빔포밍 이득과 공간 다양성을 향상시킨다.
• 재구성 가능한 안테나 상태 행렬 G를 도입하여, G의 원소 g_{i,j}가 채널 응답을 조절함으로써 채널 행렬의 랭크를 향상시킨다.
• 재구성된 채널 행렬 H_g = H ∘ G (헤이담드 곱)는 용량 공식 C = log(det(I_N + ρ/M * H_g H_g^H))에 사용되며, 이로써 LoS 조건에서도 전체 랭크 작동이 가능해진다.
• 행렬 G는 [ [1,1], [1,e^{jπ}] ]로 설계되어 LoS 채널의 랭크를 향상시키는 단계 이동을 유도하며, 특히 고 Rician 계수 환경에서 효과적이다.
• 시스템은 안테나 간 전력 할당을 시행하고 2×2 MIMO 설정에서 스펙트럼 효율성과 용량 메트릭을 평가하여 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재구성 가능한 안테나가 다수의 방사 패턴을 갖추고 있어도 고경로 손실과 그림자 효과가 있는 mmWave MIMO 시스템에서 스펙트럼 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 단일 RF 체인이 재구성 가능한 안테나 어레이에서 다수의 빔포밍 상태를 어떻게 지원할 수 있는가? 이는 하드웨어 복잡성을 어떻게 줄이는가?
• RQ3 어느 정도의 수준에서 안테나 재구성은 일반적으로 랭크가 부족한 라인오브사이트(LoS) MIMO 채널의 랭크를 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 어떤 신호 처리 전략이 재구성 가능한 안테나에서 유도되는 추가 자유도를 효과적으로 활용하여 mmWave 대역의 용량을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 LoS 지배적인 mmWave 전파 조건 하에서 제안된 아키텍처는 기존의 거대한 MIMO와 비교해 용량 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• 재구성 가능한 안테나 MIMO 시스템은 고 Rician 계수(LoS 지배적) 환경에서 기존 MIMO 대비 최대 3.5배 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• g_{2,2} = e^{jπ}로 설정된 재구성 가능한 안테나 상태 행렬 G를 적용함으로써, 랭크가 낮은 LoS 채널이 전체 랭크 채널로 전환되어 다중 스트림 전송이 가능해진다.
• 제안된 아키텍처는 Rician 계수가 증가하더라도 높은 용량을 유지하지만, 기존 MIMO는 LoS 조건에서 용량이 크게 떨어진다.
• 렌즈 기반 재구성 가능한 안테나 설계는 높은 정렬성과 빔 스위칭 능력을 확보하여 고이득과 간섭 감소를 실현한다.
• 시뮬레이션 결과는 재구성 가능한 MIMO 시스템이 기존 MIMO보다 용량과 그림자 및 경로 손실에 대한 강건성 측면에서 뛰어난 성능을 보임을 확인한다.
• 이 방법은 어레이당 필요한 RF 체인 수를 줄여 거대한 MIMO 대비 전력 소비와 하드웨어 복잡성을 크게 감소시킨다.