[论文解读] A New Millimeter Wave MIMO System for 5G Networks

Mojtaba Ahmadi Almasi, Roohollah Amiri+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 10被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种基于透镜的可重构波束成形MIMO系统，适用于6G毫米波网络，其基站采用完整透镜，用户设备采用不完整透镜，以减小硬件尺寸。通过结合Alamouti空时块编码与最优波束选择，系统实现了全分集增益，并显著提升了平均信噪比（SNR），在信噪比和误比特率性能上均优于随机波束选择。

ABSTRACT

Millimeter Wave (mmWave) band provides a large spectrum to meet the high-demand capacity by the 5th generation (5G) wireless networks. However, to fully exploit the available spectrum, obstacles such as high path loss, channel sparsity, and hardware complexity should be overcome. To this end, the present paper aims to design a new multiple-input multiple-output (MIMO) system using lens-based multi-beam reconfigurable antennas. The proposed MIMO system uses complete lens at the transmitter and incomplete lens at the receiver. To reduce hardware complexity, we utilize an optimal beam selection technique. Our analysis demonstrates that the proposed MIMO system along with the optimal beam selection technique increases the average signal-to-noise ratio (SNR). Also, simulations show that the system achieves full-diversity gain.

研究动机与目标

• 通过减小用户设备上可重构波束成形天线的物理尺寸，解决毫米波MIMO系统中的高路径损耗与高硬件复杂性问题。
• 通过新型基于透镜的多波束波束成形架构，克服毫米波频段的信道稀疏性与低秩特性。
• 在最小化射频链路数量的前提下，实现毫米波MIMO系统中的全分集增益与更高的频谱效率。
• 通过用基于透镜的波束选择方法替代传统混合波束成形，减少所需移相器与射频链路的数量。
• 证明最优波束选择结合Alamouti STBC可实现全分集增益，并在误比特率性能上优于随机波束选择。

提出的方法

• 系统在基站使用完整球形透镜，在用户设备使用不完整球形透镜，以减小移动设备的空间占用。
• 每个发射可重构天线通过一个波束选择网络（BSN）与多个渐变槽缝天线（TSAs）连接，每个天线连接一个射频链路。
• 接收端支持多个射频链路，分别连接至TSAs，实现空间复用与分集增益。
• 最优波束选择算法为每个射频链路选择信道增益最高的波束，以最大化瞬时信噪比。
• 系统将Alamouti STBC与波束选择结合，实现在瑞利衰落信道下的全分集增益。
• 理论分析基于非中心卡方分布信道增益的顺序统计，推导出多个波束中最大增益的期望值，获得信噪比增益的闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于透镜的可重构波束成形MIMO系统是否能在保持毫米波频段高 spectral efficiency 的同时减小用户设备的物理尺寸？
• RQ2 在基于透镜的MIMO系统中，最优波束选择是否相比随机波束选择能实现全分集增益？
• RQ3 所提系统在毫米波信道中对平均信噪比的提升程度以及对误比特率（BER）的降低程度如何？
• RQ4 发射端与接收端的波束数量如何影响所提系统中可实现的信噪比增益？
• RQ5 所提系统是否能在不依赖大量移相器或射频链路的情况下克服毫米波信道的稀疏性与高路径损耗？

主要发现

• 所提RA-MIMO系统结合最优波束选择，实现了全分集增益，BER仿真结果证实：当M_B = 1、2、3时，分集阶数分别为2、4、6。
• 当B_n,m > 1时，最优波束选择技术的平均信噪比增益大于1，且增益随每个射频链路的波束数量增加而提升。
• 当M_B = 2且N_B = 1时，系统实现分集阶数为4，表明分集增益随发射波束数量的增加而提升。
• 理论信噪比增益表达式表明，增加发射端或接收端的波束数量可提升期望信噪比，增益取决于波束数量及其分布。
• 仿真结果证实，最优波束选择算法在误比特率与信噪比性能上均优于随机波束选择，尤其在高信噪比区域表现更优。
• 在用户设备使用不完整透镜可显著减少所需空间，使系统更适用于移动设备集成。