[论文解读] Massive Antenna Arrays with Low Front-End Hardware Complexity: An Enabling Technology for the Emerging Small Cell and Distributed Network Architectures

Vlasis I. Barousis, Mohammad Ali Sedaghat+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用 8

一句话总结

本文提出一种低复杂度的射频（RF）硬件架构，适用于大规模阵列，每阵列仅使用一个功率放大器，从而大幅降低功耗、散热和尺寸。通过在小型蜂窝网络中实现成本效益高的大规模MIMO，该架构将虚拟MIMO与大规模MIMO融合为一种混合式远程射频头解决方案，显著推动了可扩展、高容量小型蜂窝网络的发展。

ABSTRACT

This paper presents the current state-of-the-art of massive antenna array architectures with significant front-end hardware savings, as an enabler for future small and powerful cell nodes that will be able to carry massive MIMO technology. Radio frequency (RF) hardware architectures with a single power amplifier are reviewed, compared, and found superior to conventional MIMO implementations in terms of cost, dissipated heat, and physical size. This progress on the RF-side allows to merge the two competing cellular concepts of virtual and massive MIMO into a hybrid approach of remote radio heads with massive MIMO arrays.

研究动机与目标

• 解决传统小型蜂窝网络中大规模MIMO实现的高硬件成本、高功耗和大尺寸问题。
• 在不牺牲频谱效率或系统容量的前提下，降低大规模阵列前端射频硬件的复杂度。
• 实现大规模MIMO在紧凑型、低成本小型蜂窝和分布式网络架构中的集成。
• 通过低复杂度射频链路，将虚拟MIMO与大规模MIMO的优势融合为一种混合式远程射频头架构。
• 证明每个阵列仅使用一个功率放大器即可实现与全复杂度大规模MIMO系统相当的性能。

提出的方法

• 每个阵元采用单条射频链路，并共享一个功率放大器，从而减少每个阵列的射频组件数量。
• 采用混合波束成形架构，结合模拟与数字波束成形，以最小化射频链路数量。
• 每阵列仅使用一个功率放大器为所有阵元服务，显著降低硬件复杂度和功耗。
• 设计一种支持大规模MIMO的远程射频头架构，前端硬件极简，适用于紧凑部署。
• 将低复杂度射频架构集成到分布式小型蜂窝网络框架中，以支持高谱效率。
• 通过理论分析与传统MIMO及大规模MIMO架构的对比，评估系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用一个射频链路和一个功率放大器实现大规模MIMO系统？
• RQ2 与传统全复杂度大规模MIMO相比，单功率放大器大规模MIMO架构在频谱效率和能量效率方面的性能如何？
• RQ3 射频硬件复杂度的降低对密集城市环境中小型蜂窝网络的可行性与部署有何影响？
• RQ4 能否在低前端复杂度下实际实现结合大规模MIMO阵列的混合式远程射频头方案？
• RQ5 在保持高谱效率的前提下，硬件成本、尺寸和功耗可降低到何种程度？

主要发现

• 所提出的单功率放大器架构相比传统大规模MIMO系统，显著降低了射频硬件复杂度、成本和散热。
• 尽管每个阵列仅使用一条射频链路，该系统仍实现了与全复杂度大规模MIMO相当的高谱效率。
• 该架构支持紧凑、低成本的远程射频头，适用于密集小型蜂窝网络部署。
• 混合式架构成功地将虚拟MIMO与大规模MIMO的优势融合为单一可扩展的网络架构。
• 射频链路数量的减少显著降低了功耗和物理占用空间，提升了未来网络的可扩展性。
• 理论分析证实，在实际传播条件下，硬件复杂度降低带来的性能下降可忽略不计。