[논문 리뷰] On Clustered Statistical MIMO Millimeter Wave Channel Simulation

Stefano Buzzi, Carmen D’Andrea|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 03.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 17인용 수 57

한 줄 요약

이 논문은 경로 손실, 각도 분산, 시야(LOS) 성분, 주파수 선택성, 송신/수신 펄스 성형, 시간에 따라 변하는 동적 특성을 고려한 통계적으로 정확한 군집 구조의 mmWave 통신을 위한 MIMO 채널 모델을 제안한다. 이 모델은 체계적인 절차를 통해 mmWave MIMO 시스템의 현실적인 시뮬레이션을 가능하게 하며, 5G 변조기 설계의 재현 가능성 있는 연구 및 성능 평가를 위한 오픈소스 MATLAB 스크립트를 제공한다.

ABSTRACT

The use of mmWave frequencies is one of the key strategies to achieve the fascinating 1000x increase in the capacity of future 5G wireless systems. While for traditional sub-6 GHz cellular frequencies several well-developed statistical channel models are available for system simulation, similar tools are not available for mmWave frequencies, thus preventing a fair comparison of independently developed transmission and reception schemes. In this paper we provide a simple albeit accurate statistical procedure for the generation of a clustered MIMO channel model operating at mmWaves, for both the cases of slowly and rapidly time-varying channels. Matlab scripts for channel generation are also provided, along with an example of their use.

연구 동기 및 목표

• 5G 연구의 시스템 수준 시뮬레이션을 위한 표준화되고 통계적으로 정확하며 공개 가능한 mmWave MIMO 채널 모델의 부족을 보완한다.
• 경로 손실, 각도 분산, LOS/NLOS 성분, 주파수 선택성과 같은 주요 물리 계층 기능을 통합한 통합된 통계적 프레임워크를 개발한다.
• 이동성 및 도플러 효과 분석을 지원하기 위해 시간에 따라 변하는 채널 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 재현 가능성을 보장하고 MIMO 신호 처리 알고리즘의 빠른 프로토타이핑을 촉진하기 위해 오픈소스 MATLAB 구현을 제공한다.

제안 방법

• 각 클러스터에 서로 다른 도착/출발 각도와 지연을 가진 다수의 서브패스를 포함하는 랜덤 수의 클러스터로 이루어진 구조로 mmWave MIMO 채널을 모델링한다.
• 거리에 따라 변하는 모델을 사용해 경로 손실을 포함하고, 결정론적 경로 이득과 위상을 가진 LOS 성분을 포함한다.
• 송신 및 수신 펄스 성형 필터(제곱근 상승코사인)를 기저대역 등가 웨이브폼과의 컨볼루션을 통해 채널 인パulse 응답에 통합한다.
• 수평 및 수직 각도를 기반으로 한 스테어링 벡터를 사용하여 시간 불변 채널을 행렬형 인파ulse 응답으로 수식화한다.
• LOS 성분의 속도에 의존하는 주파수 이동을 도입하고 지수 상관을 통해 위상 진화를 모델링하여 시간에 따라 변하는 시나리오로 모델을 확장한다.
• 채널 행렬의 고유분해를 통해 공간 multiplexing를 위한 예비처리 및 복원 행렬을 유도하고, 스펙트럼 효율 추정을 위해 LMMSE 등화를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경로 손실, 각도 분산, LOS/NLOS 성분을 포함한 mmWave 대역에서 통계적으로 정확하고 군집 구조의 MIMO 채널 모델을 어떻게 구성할 수 있는가?
• RQ2 mmWave 시스템에서 송신 및 수신 펄스 성형이 효과적인 MIMO 채널 응답에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 mmWave MIMO에서 도플러 스프레드 및 위상 진화와 같은 시간에 따라 변하는 효과를 통계적으로 일관되게 모델링하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 실제 군집 채널 조건 하에서 mmWave MIMO 시스템의 이론적 스펙트럼 효율은 얼마이며, 어림 배열 크기, 거리, 멀티플렉싱 순서와의 관계는 어떻게 되는가?
• RQ5 재현 가능한 mmWave MIMO 변조기 성능 평가를 가능하게 하는 통합된 오픈소스 시뮬레이션 프레임워크를 개발할 수 있는가?

주요 결과

• 링크 거리가 감소할수록 스펙트럼 효율이 크게 향상되며, 30m 거리에서 최대 4.5 bps/Hz의 이득이 관찰되었다.
• 다중화 순서 $M$을 증가시키면 고 SNR 조건에서 더 큰 스펙트럼 효율 이득을 얻을 수 있으며, 특히 짧은 거리에서 LOS 지배적인 환경에서 두드러진다.
• 큰 MIMO 어레이($N_T = 30$, $N_R = 20$)를 사용할 경우 30m 거리에서 $4\times4$ MIMO 대비 스펙트럼 효율이 2.5배 향상된다.
• 펄스 성형과 정확한 도플러 모델링을 통합함으로써 인터심볼 간섭과 위상 진화의 더 현실적인 표현이 가능해졌다.
• 제안된 모델은 LMMSE 등화 및 스펙트럼 효율 CDF를 통한 검증을 통해 일관되고 재현 가능한 mmWave MIMO 시스템 시뮬레이션을 가능하게 했다.
• 제공된 MATLAB 스크립트는 MIMO 신호 처리 알고리즘의 빠른 구현 및 검증을 가능하게 하여 mmWave 시스템 분야의 개방적이고 재현 가능한 연구를 지원한다.