[논문 리뷰] Lens-Based Beamformer for Low-Complexity Millimeter-Wave Cellular Systems

Muhammad Ali Babar Abbasi|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Microwave Engineering and Waveguides인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 28 GHz mmWave 매크로 MIMO 시스템을 위한 두 가지 저복잡도 렌즈 기반 빔포머 구조를 제안한다: 이중 단계로 쌓인 Rotman 렌즈 빔포머와 일정한 εr를 가진 유전체 렌즈 빔포머. Rotman 렌즈 설계는 9개의 RF 체인을 사용하여 이중 평면 빔 스위칭을 가능하게 하며, 4.0°–4.5°의 HPBW와 높은 이득을 달성한다. 반면 유전체 렌즈는 낮은 사이드로브와 높은 정렬도를 갖춘 다중 빔 작동을 지원하여 스펙트럼 효율성을 훼손하지 않으면서도 RF 체인 요구량과 시스템 복잡도를 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

Data rate requirements for cellular communications are expected to increase 1000-fold by 2020, compared to 2010. This is mainly because of the rapid increase in the number of wireless devices and data hungry applications per-device. This creates a formidable bandwidth crisis. Milimeter-wave (mmWave) systems with massive multiple-input multiple-output (MIMO) operation are two complementary concepts poised to meet this exploding demand, as verified by the wealth of investigations by both industry and academia. Nevertheless, existing MIMO processing techniques, requiring a dedicated radio-frequency (RF) up/down-conversion chain per antenna, results in prohibitively high complexity and cost of the mmWave prototypes. The primary objective of this paper is to present a complete feasibility study on alternative beamforming techniques targeted to reduce the system complexity without drastically compromising its performance. More precisely, at 28 GHz, we investigate the end-to-end performance of two different lens-based beamforming topologies. Our study is an amalgam of theoretical modelling, electromagnetic design, and prototype manufacturing, yielding a comprehensive mmWave, massive MIMO performance evaluation.

연구 동기 및 목표

• 각 안테나에 RF 체인이 할당되는 전통적인 mmWave 매크로 MIMO 시스템의 높은 하드웨어 복잡도와 비용 문제를 해결하기 위해.
• RF 체인 수와 시스템 복잡도를 감소시키기 위해 렌즈 기반 시스템을 활용한 대안적 빔포밍 아키텍처를 탐색하기 위해.
• 두 가지 상이한 렌즈 기반 빔포머 구조를 설계하고 검증하기 위해: 이중 단계로 쌓인 Rotman 렌즈와 일정한 εr를 가진 유전체 렌즈.
• 업링크 매크로 MU-MIMO 시스템의 전반적인 성능을 빔폭, 이득, 정렬도 및 스펙트럼 효율성 측면에서 평가하기 위해.
• 28 GHz에서 전체 체인 설계, 시뮬레이션 및 프로토타입 수준의 검증을 통해 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 28 GHz에서 88%의 효율성을 확보하기 위해 코axial 피드 방식의 마이크로스트립 패치 안테나를 사용한 3×5 URA를 설계하고, SMP 커넥터를 통합함.
• 이중 단계로 쌓인 Rotman 렌즈 빔포머를 구현: 수평 단계는 수평 방향 빔 스위칭을, 수직 단계는 수직 방향 빔 스위칭을 담당하며, 삼중 초점 렌즈 합성 및 최적화 기법을 사용함.
• CST MS, ADS, CST DS를 결합한 다단계 시뮬레이션 워크플로우를 통해 전체 파장 FDTD 시뮬레이션을 수행하고, 정확한 커넥터 및 전송선 통합을 구현함.
• εr = 2.53인 일정한 εr를 가진 유전체 렌즈를 설계하여 패치 레이더의 페츠발 곡률 위치에 최적화하여 다중 빔 집중을 달성함.
• CST MS에서 MLFMM 및 FDTD 솔버를 사용해 전자기장 분포, 빔 패턴 및 상호 커플링 효과를 시뮬레이션함.
• RF 체인에서 전력 균형 조정을 수행하여 빔폭의 균형을 맞추고, 포트별 손실로 인한 성능 불균형을 완화함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 단계로 쌓인 Rotman 렌즈 빔포머는 28 GHz에서 감소된 RF 체인 수로 효과적인 이중 평면(수평 및 수직) 빔 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 매크로 MU-MIMO 시스템에서 단일 단계 설계와 비교해, Rotman 렌즈 기반 빔포머의 실현 가능한 빔폭, 이득 및 스펙트럼 효율성은 어떠한가?
• RQ3 페츠발 곡률에 위치한 패치 안테나로 구동될 때, 일정한 εr를 가진 유전체 렌즈는 높은 정렬도와 낮은 사이드로브를 갖춘 다중 빔 작동을 지원할 수 있는가?
• RQ4 렌즈 유도형 위상 오차와 포트별 손실은 렌즈 기반 빔포머의 빔 패턴 대칭성과 빔폭 균일성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 mmWave MIMO 시스템에서 렌즈 기반 빔포머는 스펙트럼 효율성을 유지하면서 얼마나 많은 RF 체인 요구량을 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 이중 단계로 쌓인 Rotman 렌즈 빔포머는 9개의 RF 체인을 사용하여 약 12.5 dBi의 최대 실현 이득을 달성했으며, 이중 평면 빔 스위칭을 가능하게 했다.
• 빔폭은 빔에 따라 다양하게 나타났다: 수평 HPBW는 24.2°에서 30.6° 사이로 변동하였고, 수직 HPBW는 29.0°에서 47.1° 사이로 변동하여 포트별 손실로 인한 빔폭 불균형이 확인되었다.
• 일정한 εr를 가진 유전체 렌즈 빔포머는 최소 HPBW 4.0°와 약 18.5 dBi의 최대 이득을 달성했으며, 빔폭은 4.0°–4.5° 범위에 있고, 이득 편차는 ±0.4 dB 이내였다.
• 전체 시스템은 RF 입력에서 복사 요소까지 약 8.52 dB의 평균 경로 손실을 경험했으며, 주로 렌즈와 전송선 손실로 인한 것이었다.
• 제안된 이중 단계 Rotman 렌즈 빔포머는 다중 경로 성분의 개선된 분리로 인해 고신호대역비(SNR) 조건에서 단일 단계 설계보다 에르고딕 합스펙트럼 효율성에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 유전체 렌즈 빔포머는 높은 정렬도와 낮은 사이드로브 수준을 보였으며, 표면파가 도전 과제로 제기되었으나, 매우 지향성 있는 복사체를 사용하면 이를 완화할 수 있었고, 이 경우 100 μm 이하의 제조 정밀도가 요구되었다.