[논문 리뷰] RF Lens-Embedded Antenna Array for mmWave MIMO: Design and Performance

Yae Jee Cho, Gee-Yong Suk외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 22.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 28 GHz 대역에서 사용하기 위한 정적용(SULA)과 이동용(MULA) 렌즈 내장형 안테나 어레이 프로토타입 두 종류를 제안한다. 활성 위상 시프터 대신 수동 렌즈를 사용하여 저복잡도, 고이득 mmWave MIMO 빔포밍을 가능하게 한다. 렌즈는 에너지를 집중시켜 고직도와 고이득을 달성하며, 하드웨어 복잡도를 감소시키고 빔스위칭의 가능성을 높인다. 실내 환경에서는 평균 10 Gbps, 실외 환경에서는 최대 4 Gbps의 데이터 전송 속도를 달성한다.

ABSTRACT

The requirement of high data-rate in the fifth generation wireless systems (5G) calls for the ultimate utilization of the wide bandwidth in the mmWave frequency band. Researchers seeking to compensate for mmWave's high path loss and to achieve both gain and directivity have proposed that mmWave multiple-input multiple-output (MIMO) systems make use of beamforming systems. Hybrid beamforming in mmWave demonstrates promising performance in achieving high gain and directivity by using phase shifters at the analog processing block. What remains a problem, however, is the actual implementation of mmWave beamforming systems; to fabricate such a system is costly and complex. With the aim of reducing such cost and complexity, this article presents actual prototypes of the lens antenna as an effective device to be used in the future 5G mmWave hybrid beamforming systems. Using a lens as a passive phase shifter enables beamforming without the heavy network of active phase shifters, while gain and directivity are achieved by the energy-focusing property of the lens. Proposed in this article are two types of lens antennas, one for static and the other for mobile usage. Their performance is evaluated using measurements and simulation data along with link-level analysis via a software defined radio (SDR) platform. Results show the promising potential of the lens antenna for its high gain and directivity, and its improved beam-switching feasibility compared to when a lens is not used. System-level evaluations reveal the significant throughput enhancement in both real indoor and outdoor environments. Moreover, the lens antenna's design issues are also discussed by evaluating different lens sizes.

연구 동기 및 목표

• 활성 위상 시프터를 사용하는 전통적인 mmWave 하이브리드 빔포밍 시스템의 높은 하드웨어 복잡도와 전력 소모 문제를 해결한다.
• 수동 RF 렌즈를 위상 시프터로 활용하여 5G mmWave 시스템에 실용적이고 저복잡도의 빔포밍 솔루션을 개발한다.
• 28 GHz mmWave 대역에 최적화된 정적용(SULA)과 이동용(MULA) 렌즈-안테나 어레이 두 종류의 설계 및 프로토타입 제작을 수행한다.
• 실제 실내 및 실외 환경에서의 시스템 수준 성능 평가를 통해 전송 속도 향상과 빔스위칭 가능성의 타당성을 입증한다.
• 설계적 트레이드오프, 특히 렌즈 크기가 이득, 직진도 및 빔포밍 성능에 미치는 영향을 분석한다.

제안 방법

• 패치 안테나 어레이를 유전율 렌즈와 통합하여 수동 빔포밍을 제공하는 렌즈-안테나 프로토타입(SULA, MULA) 두 종류를 설계한다.
• 렌즈의 굴절 성질을 활용해 활성 위상 시프터 없이도 빔을 형상화하고 조작할 수 있도록 하여 전력 소모와 하드웨어 복잡도를 감소시킨다.
• 렌즈-안테나 어레이의 다양한 피드 포트를 순차적으로 활성화함으로써 빔스위칭을 실현하며, 포트 스위칭을 통한 동적 빔 조정이 가능함을 입증한다.
• 제작된 프로토타입에 대한 측정 및 시뮬레이션을 수행하여 렌즈 크기가 다양한 조건에서 복사 패턴, 이득, 직진도에 미치는 영향을 분석한다.
• SDR 플랫폼과 가상 하이브리드 빔포머를 사용하여 링크 수준 및 시스템 수준 평가를 수행하여 다중 사용자 MIMO(MU-MIMO) 시나리오를 시뮬레이션한다.
• 장애물, 벽, 이동성 등 실제 전파 환경을 모델링하여 실내 및 실외 환경에서의 SINR 및 전송 속도 성능을 현실적인 조건에서 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동 RF 렌즈가 mmWave 하이브리드 빔포밍 시스템에서 활성 위상 시프터를 효과적으로 대체할 수 있는가? 이는 복잡도 감소와 전력 소모 감소에 기여하는가?
• RQ2 기존 안테나 어레이와 비교했을 때 렌즈 통합이 빔 직진도, 이득, 빔스위칭 능력에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 렌즈 크기가 mmWave MIMO 시스템에서 이득, 직진도, 빔폭 등의 성능 지표에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 실내 및 실외 환경에서의 실제 환경에서 렌즈 내장형 안테나 어레이의 구현 가능한 전송 속도와 간섭 관리 능력은 어떠한가?
• RQ5 렌즈를 사용할 경우 전송 속도 향상을 극대화하기 위해 최적의 빔 수는 얼마이며, 성능 포화는 어느 지점에서 발생하는가?

주요 결과

• 렌즈 내장형 안테나 프로토타입은 렌즈가 없는 기존 어레이 대비 현저히 높은 이득과 직진도를 확보하여 더 집중된 빔과 간섭 감소를 가능하게 했다.
• 렌즈를 사용함으로써 실외 다중 사용자 MIMO 환경에서 최대 전송 속도가 4 Gbps로 향상되었으며, 동일한 송신 전력 조건에서 '렌즈 없음' 케이스보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 실내 환경에서는 평균 전송 속도가 10 Gbps를 초과하여, 풍부한 산란과 장애물 존재 조건에서도 뛰어난 성능을 입증했다.
• 다양한 피드 포트를 순차적으로 활성화함으로써 빔스위칭을 성공적으로 구현하였으며, 복잡한 위상 시프터 네트워크 없이도 동적 빔 조정의 가능성을 입증했다.
• 렌즈를 사용한 성능 향상은 중간 수준의 빔 수(예: 8~64 빔)에서 가장 두드러졌지만, 고비트 수에서는 포화 현상이 발생하여 하드웨어 비용과 전송 속도 향상 간의 트레이드오프가 존재함을 확인했다.
• 더 큰 렌즈 크기(예: 155 mm 지름)는 더 높은 이득과 직진도를 제공하여, 렌즈 크기가 mmWave 빔포밍 시스템의 성능 최적화에 핵심 설계 매개변수임을 확인했다.