[논문 리뷰] Reflect- and Transmit-Array Antennas for Scalable and Energy-Efficient mmWave Massive MIMO.

Vahid Jamali, Antonia M. Tulino외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 20.

Antenna Design and Analysis인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 기존의 하이브리드 및 풀 디지털 mmWave 매크로 MIMO 아키텍처에 비해 확장 가능하고 에너지 효율적인 대안으로 반사 어레이(Reflect-Array, RA) 및 전송 어레이(Transmit-Array, TA) 안테나를 제안한다. 수동 재구성 가능한 안테나를 활용하고 mmWave 채널의 흐려짐 특성을 고려함으로써, 상호정보량을 최대화하고 오рhogonal matching pursuit를 통해 디지털 조절을 근사하는 특화된 프리코더를 설계하여, 기존 방법에 비해 뛰어난 확장성과 에너지 효율성을 입증한다.

ABSTRACT

Hybrid analog-digital architectures are promising candidates for implementing millimeter wave (mmWave) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems since they enable a considerable reduction of the required number of costly radio frequency (RF) chains by moving some of the signal processing operations into the analog domain. Nevertheless, the analog feed network, comprising RF dividers, combiners, phase shifters, and line connections, of hybrid MIMO architectures is not scalable due to its prohibitively high power consumption for large numbers of transmit antennas. In this paper, we study novel massive MIMO architectures, namely reflect-array (RA) and transmit-array (TA) antennas, which consist of few active antennas (i.e., RF chains) and large numbers of passive antennas. We show that the constraints that the precoders for RA and TA antennas have to meet, differ from those of conventional MIMO architectures. Taking these constraints into account and exploiting the sparsity of mmWave channels, we design two efficient precoders for RA and TA antennas; one based on maximizing the mutual information and one based on approximating the optimal unconstrained digital precoder via the orthogonal matching pursuit algorithm. Furthermore, in order to fairly compare the performance of RA and TA antennas against conventional fully-digital and hybrid MIMO architectures, we develop a unified power consumption model. Our simulation results show that unlike conventional MIMO architectures, RA and TA antennas are highly energy efficient and fully scalable in terms of the number of transmit antennas. Therefore, RA and TA antennas are candidates for realizing the potential of extit{massive} MIMO in practice.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 아날로그 피드 네트워크로 인해 기존 하이브리드 아날로그-디지털 mmWave MIMO 아키텍처의 확장성과 고전력 소비 문제를 해결하기 위해.
• 대규모 mmWave 시스템에서 아날로그 빔포밍 네트워크의 비효율성을 해결하기 위해 활성 구성 요소가 최소한인 수동 어레이 아키텍처를 도입하기 위해.
• RA 및 TA 안테나의 고유한 위상 및 진폭 제약 조건에 맞는 효율적인 프리코딩 전략을 개발하기 위해.
• 풀 디지털 및 하이브리드 MIMO 아키텍처와의 공정한 비교를 가능하게 하기 위해 RA 및 TA 안테나의 통합 전력 소비 모델을 수립하기 위해.
• RA 및 TA 안테나가 실용적인 mmWave 대역 구현에 적합한 확장 가능하고 저에너지 소비의 매크로 MIMO 시스템을 가능하게 함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 소수의 활성 RF 체인과 대규모의 수동 재구성 가능한 요소로 구성된 반사어레이(RA) 및 전송어레이(TA) 아키텍처를 제안한다.
• RA 및 TA 구조의 물리적 제약 조건, 즉 위상만 또는 진폭-위상 제어 및 고정된 어레이 패턴을 고려한 프리코더 설계 문제를 수립한다.
• 수동 어레이의 제한된 자유도와 신호 전파 특성을 고려하여 상호정보량을 최대화하는 프리코더를 설계한다.
• RA 및 TA 시스템의 제한된 자유도를 활용하여 제약 조건이 있는 디지털 프리코더의 최적 해를 근사하는 오рhogonal matching pursuit(OMP) 기반 알고리즘을 개발한다.
• RF 체인, 위상 이동기, 수동 요소 손실을 모두 고려한 통합 전력 소비 모델을 도입하여 다양한 아키텍처 간의 공정한 성능 비교를 가능하게 한다.
• mmWave 채널의 흐려짐 특성을 활용하여 제안된 프리코딩 방식의 계산 복잡도를 감소시키고 스펙트럼 효율을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반사어레이 및 전송어레이 안테나는 기존 하이브리드 및 풀 디지털 아키텍처에 비해 매크로 MIMO mmWave 시스템에서 확장 가능하고 에너지 효율적인 운영을 달성할 수 있는가?
• RQ2 RA 및 TA 안테나의 고유한 하드웨어 제약 조건이 mmWave 매크로 MIMO에서 효과적인 프리코더 설계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 상호정보량 최대화와 OMP 기반 근사가 RA 및 TA 시스템에서 디지털 프리코딩 성능에 얼마나 가까이 도달할 수 있는가?
• RQ4 RA 및 TA 아키텍처의 상대적 에너지 효율성은 안테나 수가 변화함에 따라 어떻게 달라지며, 하이브리드 및 디지털 MIMO와의 비교에서 어떻게 확장되는가?
• RQ5 통합 전력 소비 모델을 통해 RA, TA, 하이브리드, 풀 디지털 MIMO 아키텍처 간의 에너지 효율성을 공정하게 비교할 수 있는가?

주요 결과

• RA 및 TA 안테나는 활성 구성 요소가 최소화되고 수동 재구성 가능성이 있기 때문에 기존 하이브리드 및 풀 디지털 MIMO 아키텍처보다 뚜렷이 높은 에너지 효율성을 달성한다.
• 제안된 상호정보량 최대화 프리코더는 mmWave 채널의 흐려짐 특성을 효과적으로 활용하여 RA 및 TA 제약 조건 하에서도 높은 스펙트럼 효율을 달성한다.
• OMP 기반 프리코더는 수동 어레이의 위상 및 진폭 제약 조건을 준수하면서도 제약 없는 디지털 프리코딩 성능을 성공적으로 근사한다.
• 시뮬레이션 결과는 RA 및 TA 아키텍처가 안테나 수에 따라 효율적으로 확장되며, 대규모 어레이에서도 낮은 전력 소비를 유지함을 확인한다.
• 통합 전력 모델은 RA 및 TA 안테나가 안테나 수가 증가함에 따라 하이브리드 아키텍처보다 에너지 효율성이 뛰어나다는 것을 입증한다.
• RA 및 TA 안테나는 확장 가능성과 저전력 소비로 인해 실용적인 mmWave 매크로 MIMO 시스템의 구현 후보로 유력하다.