[论文解读] Prospective Multiple Antenna Technologies for Beyond 5G

Jiayi Zhang, Emil Björnson+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 193被引用 22

一句话总结

本文识别并分析了三种面向后5G网络的多天线技术：无蜂窝大规模MIMO、波束域大规模MIMO以及智能反射面（IRS）。研究提出，通过分别利用分布式天线部署、角度域信号处理以及可重构传播环境，这些技术可实现频谱效率、能量效率和可靠性的数量级提升，同时解决Sub-6 GHz和亚THz频段中的关键挑战。

ABSTRACT

Multiple antenna technologies have attracted large research interest for several decades and have gradually made their way into mainstream communication systems. Two main benefits are adaptive beamforming gains and spatial multiplexing, leading to high data rates per user and per cell, especially when large antenna arrays are used. Now that multiple antenna technology has become a key component of the fifth-generation (5G) networks, it is time for the research community to look for new multiple antenna applications to meet the immensely higher data rate, reliability, and traffic demands in the beyond 5G era. We need radically new approaches to achieve orders-of-magnitude improvements in these metrics and this will be connected to large technical challenges, many of which are yet to be identified. In this survey paper, we present a survey of three new multiple antenna related research directions that might play a key role in beyond 5G networks: Cell-free massive multiple-input multiple-output (MIMO), beamspace massive MIMO, and intelligent reflecting surfaces. More specifically, the fundamental motivation and key characteristics of these new technologies are introduced. Recent technical progress is also presented. Finally, we provide a list of other prospective future research directions.

研究动机与目标

• 识别并评估能够推动下一代后5G无线网络发展的新兴多天线技术。
• 解决当前大规模MIMO与毫米波系统存在的局限性，例如波束阻塞、高硬件复杂度以及高频段下相干时间缩短等问题。
• 探讨无蜂窝大规模MIMO、波束域大规模MIMO以及智能反射面如何克服上述挑战，并在频谱效率、能量效率和可靠性方面实现显著性能提升。
• 提供一份研究路线图，突出每项技术当前存在的开放问题与未来研究方向。
• 倡导网络架构与信号处理范式变革，以支持未来无线系统中无处不在的高速率、低时延连接。

提出的方法

• 提出无蜂窝大规模MIMO作为一种分布式架构，其中接入点联合服务用户而无小区边界，从而提升用户性能的均匀性并减少边缘用户容量退化。
• 引入波束域大规模MIMO作为信号处理框架，通过利用角度域稀疏性来降低反馈开销，并简化宽带和高频段的波束成形。
• 分析智能反射面（IRS）作为可重构无源阵列的作用，其可动态改变无线传播环境以增强信号强度与可靠性。
• 回顾这些技术在Sub-6 GHz与Sub-THz频段的集成，强调其在缓解路径损耗与阻塞问题方面的潜力。
• 评估硬件非理想因素（如相位噪声与低分辨率ADC）对系统性能的影响，特别是在宽带与高频部署中的表现。
• 提出混合波束成形与低分辨率硬件设计作为亚THz系统中成本与能耗效率的解决方案，并在实际约束条件下进行性能分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统蜂窝式大规模MIMO相比，无蜂窝大规模MIMO在后5G网络中如何提升频谱效率与用户公平性？
• RQ2 波束域大规模MIMO在超宽带与高频（亚THz）频段中的关键性能增益与实现挑战是什么？
• RQ3 在动态且存在遮挡的传播环境中，智能反射面在提升覆盖范围、可靠性与能量效率方面能达到何种程度？
• RQ4 相位噪声与低分辨率量化等硬件非理想因素对亚THz频段中波束域与无蜂窝大规模MIMO系统性能的影响如何？
• RQ5 为将这些技术整合进统一、可扩展的后5G网络框架，需要哪些架构与信号处理方面的创新？

主要发现

• 无蜂窝大规模MIMO可在覆盖区域内实现用户性能的均匀分布，显著降低与传统蜂窝式系统相比的边缘用户吞吐量退化。
• 波束域大规模MIMO通过利用角度域稀疏性，可降低反馈开销并简化波束成形，特别适用于超宽带与高频系统。
• 智能反射面可提升信号干扰加噪声比（SINR）并扩展视 Line-of-Sight（LoS）与非视 Line-of-Sight（NLoS）环境下的覆盖范围，尤其在路径损耗较高的亚THz频段中表现突出。
• 在合理建模并缓解硬件非理想因素的前提下，采用低分辨率ADC的混合波束成形可在亚THz系统中实现接近最优的频谱效率。
• 无蜂窝大规模MIMO、波束域处理与IRS部署的结合，可构建鲁棒、可扩展且节能高效的网络，支持Sub-6 GHz与亚THz频段下的高速率与低时延通信。
• 在时变与频率选择性信道条件下，信道估计、CSI反馈以及波束成形与IRS相位偏移的联合优化仍存在开放问题。