[논문 리뷰] Electromagnetic Lens-focusing Antenna Enabled Massive MIMO

Yong Zeng, Rui Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 06.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 유전율 렌즈를 통해 입사 신호를 일부 안테나에 집중시켜 매크로 MIMO 시스템의 하드웨어 및 처리 비용을 줄이기 위해 전자기 렌즈 안테나(ELA)를 제안한다. ELA는 적은 수의 활성 RF 체인으로도 상당한 스펙트럼 효율 향상을 가능하게 하여, 단일 경로 환경에서 99% 용량을 달성하기 위해 기존의 19개 안테나 중 단 6개만으로도 동일한 용량을 확보한다.

ABSTRACT

Massive multiple-input multiple-output (MIMO) techniques have been recently advanced to tremendously improve the performance of wireless networks. However, the use of very large antenna arrays brings new issues, such as the significantly increased hardware cost and signal processing cost and complexity. In order to reap the enormous gain of massive MIMO and yet reduce its cost to an affordable level, this paper proposes a novel system design by integrating an electromagnetic (EM) lens with the large antenna array, termed \emph{electromagnetic lens antenna} (ELA). An ELA has the capability of focusing the power of any incident plane wave passing through the EM lens to a small subset of the antenna array, while the location of focal area is dependent on the angle of arrival (AoA) of the wave. As compared to conventional antenna arrays without the EM lens, the proposed system can substantially reduce the number of required radio frequency (RF) chains at the receiver and hence, the implementation costs. In this paper, we investigate the proposed system under a simplified single-user uplink transmission setup, by characterizing the power distribution of the ELA as well as the resulting channel model. Furthermore, by assuming antenna selection used at the receiver, we show the throughput gains of the proposed system over conventional antenna arrays given the same number of selected antennas.

연구 동기 및 목표

• 큰 안테나 어레이를 사용하는 기존 매크로 MIMO 시스템의 높은 하드웨어 및 신호 처리 비용을 해결한다.
• 스펙트럼 효율을 희생시키지 않고 기지국의 활성 RF 체인 수를 줄인다.
• 전자기 렌즈를 활용하여 입사 평면파를 도래각(AoA)에 따라 특정 안테나 집합에 집중시킨다.
• ELA 시스템에서의 안테나 선택이 기존 매크로 MIMO보다 유사하거나 향상된 성능을 달성할 수 있음을 입증한다.
• 멀티유저 및 다운링크 매크로 MIMO에 대해 ELA의 가능성을 조사하며, 특히 공간 분리에 의해 파ilot 오염을 완화할 수 있는지 탐색한다.

제안 방법

• 큰 균일 선형 안테나 어레이(ULA)에 유전율 전자기 렌즈를 통합하여 전자기 렌즈 안테나(ELA)를 구성한다.
• EM 렌즈를 도래각(AoA)에 따라 초점 영역이 달라지는 단위 위상 시프팅 소자로 모델링한다.
• 전자기 시뮬레이션을 통해 렌즈에 의한 안테나 어레이 전역의 전력 분포를 특성화하여, AoA 변화에 따라 초점점 이동을 시각화한다.
• 기존 MIMO 신호 모델에 렌즈에 의한 전력 분포를 통합하여 새로운 SIMO 채널 모델을 수립한다.
• 수신단에서 안테나 선택(AS)을 적용하여 N개의 안테나 중 M개를 선택함으로써 RF 체인 수를 최소화하면서도 도달 가능한 속도를 최대화한다.
• 전체 수신 전력이 EM 렌즈 유무에 관계없이 동일하도록 정규화된 SNR 모델을 사용하여 공정한 성능 비교를 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자기 렌즈를 통해 매크로 MIMO에서 필요한 RF 체인 수를 줄일 수 있을까? 이때 스펙트럼 효율은 유지되거나 향상되는가?
• RQ2 제안된 ELA 시스템에서 안테나 어레이 전역의 전력 분포는 도래각(AoA)에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 동일한 수의 선택된 안테나를 가진 조건에서 ELA 시스템은 기존 매크로 MIMO 대비 도달 가능한 속도에서 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ4 다중 경로 환경에서 전파 경로 수가 다양할 경우 ELA 시스템의 성능 스케일링 특성은 어떠한가?
• RQ5 ELA의 다중 경로 성분 간 공간 분리 능력은 멀티유저 매크로 MIMO 시스템에서 간섭 완화 및 파ilot 오염 감소에 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 활성 RF 체인이 제한된 조건에서 단일 경로 환경에서 ELA 시스템은 19개가 필요한 기존 매크로 MIMO 대비 99% 용량 달성을 위해 단 6개의 안테나만 선택함으로써 동일한 스펙트럼 효율을 달성한다.
• 10 dB SNR 조건에서 단일 안테나 선택 시 ELA 시스템은 기존 시스템 대비 66%의 속도 향상을 기록한다.
• M=3개의 안테나를 선택한 경우, 동일한 조건에서 ELA 시스템은 기존 시스템 대비 44%의 속도 향상을 보인다.
• 다중 경로 환경(L=2 또는 20)에서 ELA 시스템은 경로 수에 관계없이 높은 성능 유지를 보이며, 기존 시스템은 안테나 간 전력 변동이 커지면서 경로 수 L 증가에 더 큰 이점을 얻는다.
• 각 경로가 도래각에 따라 다른 안테나 집합에 집중되기 때문에 ELA 시스템은 다중 경로 성분 수에 민감하지 않다.
• 제안된 시스템은 다중 경로 성분 간 공간 분리를 가능하게 하여, 멀티유저 매크로 MIMO에서 간섭 완화 및 파ilot 오염 감소 잠재력이 있음을 시사한다.