[論文レビュー] Low RF-Complexity Technologies to Enable Millimeter-Wave MIMO with Large Antenna Array for 5G Wireless Communications

Xinyu Gao, Linglong Dai+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2016

Microwave Engineering and Waveguides被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、大規模なアンテナアレイを備えたエネルギー効率の高いmmWave MIMOを実現するため、低RF複雑性のハイブリッド precoding アーキテクチャ—位相配列ベースのハイブリッド precoding (PAHP) とレンズアレイベースのハイブリッド precoding (LAHP) — を提案する。LAHPは、高コストの位相シフタの代わりに低消費電力のスイッチとレンズを用いることで、パワー効率を大幅に向上させるとともに、ビームスペースチャネル推定におけるスパース信号復元によりパイロットオーバーヘッドを顕著に低減する。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) MIMO with large antenna array has attracted considerable interests from academic and industry communities, as it can provide larger bandwidth and higher spectrum efficiency. However, with hundreds of antennas, the number of radio frequency (RF) chains required by mmWave MIMO is also huge, leading to unaffordable hardware cost and power consumption in practice. In this paper, we investigate low RF-complexity technologies to solve this bottleneck. We first review the evolution of low RF-complexity technologies from microwave frequencies to mmWave frequencies. Then, we discuss two promising low RF-complexity technologies for mmWave MIMO systems in detail, i.e., phased array based hybrid precoding (PAHP) and lens array based hybrid precoding (LAHP), including their principles, advantages, challenges, and recent results. We compare the performance of these two technologies to draw some insights about how they can be deployed in practice. Finally, we conclude this paper and point out some future research directions in this area.

研究の動機と目的

• 数百のアンテナを必要とするため、mmWave MIMOシステムのハードウェアコストと消費電力の高さを是正する。
• 大規模なmmWave MIMOを5G無線通信に実用化可能にするため、低RF複雑性技術を調査する。
• スルーレート、チャネル推定誤差に対するロバストネス、パワー効率の観点から、位相配列ベースのハイブリッド precoding (PAHP) とレンズアレイベースのハイブリッド precoding (LAHP) の性能を比較する。
• LAHP用の適応的選択ネットワークを提案し、ビームスペースチャネル推定におけるパイロットオーバーヘッドを低減する。
• 現実の状況（隣接セル間干渉、時間変動チャネルを含む）におけるPAHPおよびLAHPの実用的導入に向けた知見を提供する。

提案手法

• RFチェーン数を削減するため、位相シフタネットワークによるアナログビームフォーミングとデジタル precoding の組み合わせを採用する位相配列ベースのハイブリッド precoding (PAHP) を採用する。
• 位相シフタを低損失のレンズアレイとスイッチに置き換えることで、消費電力を最小限に抑えるレンズアレイベースのハイブリッド precoding (LAHP) を導入する。
• LAHP用の適応的選択ネットワークを設計し、ビームスペースチャネル推定をスパース信号復元問題として定式化することで、パイロットオーバーヘッドを低減する。
• アンプ、位相シフタ、スイッチ、分配器、コンビーナ、RFチェーンの各部の消費電力を関数としてモデル化し、パワー効率の比較を可能にする。
• 不完全なチャネル状態情報と隣接セル間干渉を含む現実的な条件下で、PAHPとLAHPのスルーレートおよびパワー効率を比較する。
• 256アンテナの基地局と1セルあたり16ユーザーを想定した単セルおよびマルチセル環境における数値シミュレーションを実施し、性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全なおよび不完全なチャネル状態情報下でのPAHPおよびLAHPの実現可能なスルーレートは、それぞれどのように比較されるか？
• RQ2 mmWave MIMOシステムにおいて、チャネル推定誤差がPAHPおよびLAHPの性能に与える影響は何か？
• RQ3 ユーザー数が増加するに従って、LAHPのパワー効率はPAHPおよび完全デジタル precoding に比べてどの程度向上するか？
• RQ4 LAHPに組み込まれた適応的選択ネットワークは、ビームスペースチャネル推定におけるパイロットオーバーヘッドを顕著に低減できるか？
• RQ5 広帯域で時間変動するmmWaveチャネルにおいて、PAHPおよびLAHPの性能制限は何か？

主な発見

• ユーザー数が12人を超えると、高消費電力の位相シフタを低消費電力のスイッチとレンズに置き換えることで、LAHPはPAHPおよび完全デジタル precoding よりも高いパワー効率を達成する。
• 高ユーザー数環境では、PAHPは完全デジタル precoding よりも性能が劣る。これは、データストリーム数に比例して位相シフタの数が急激に増加し、RFチェーンの消費電力を超えてしまうためである。
• LAHPはPAHPよりもチャネル推定誤差に対してロバストであるため、不完全なCSIを伴う実用的システムに適している。
• LAHPに組み込まれた適応的選択ネットワークは、ビームスペースチャネル推定をスパース信号復元問題として定式化することで、パイロットオーバーヘッドを低減する。
• 隣接セル間干渉を伴うマルチセル環境では、PAHPおよびLAHPの両方とも近似的に最適なスルーレートを達成しており、干渉下でも優れた性能を示す。
• 高SNRにおいて両システムの性能が飽和する原因は、隣接セル間干渉に起因しており、これは密度の高いmmWave展開において干渉協調の必要性を示唆している。