[論文レビュー] Reconfigurable Antennas in mmWave MIMO Systems

Mojtaba Ahmadi Almasi, Hani Mehrpouyan+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 8被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、1つのRFチェーンを用いてレンズ統合型の多様パターンアンテナを備えた再構成可能アンテナを用いたmmWaveシステム向けMIMOアーキテクチャを提案する。ビーム選択ネットワークを介して放射パターンを動的に再構成し、チャネルランクを向上させる信号処理アルゴリズムを適用することで、完全ランクのLoSチャネルを実現し、高Rician係数環境下で従来のMIMOと比較して最大3.5倍高いスペクトル効率を達成する。

ABSTRACT

The key obstacle to achieving the full potential of the millimeter wave (mmWave) band has been the poor propagation characteristics of wireless signals in this band. One approach to overcome this issue is to use antennas that can support higher gains while providing beam adaptability and diversity, i.e., reconfigurable antennas. In this article, we present a new architecture for mmWave multiple-input multiple-output (MIMO) communications that uses a new class of reconfigurable antennas. More specifically, the proposed lens-based antennas can support multiple radiation patterns while using a single radio frequency chain. Moreover, by using a beam selection network, each antenna beam can be steered in the desired direction. Further, using the proposed reconfigurable antenna in a MIMO architecture, we propose a new signal processing algorithm that uses the additional degrees of freedom provided by the antennas to overcome propagation issues at mmWave frequencies. Our simulation results show that the proposed reconfigurable antenna MIMO architecture significantly enhances the performance of mmWave communication systems.

研究の動機と目的

• 高周波数帯における高いパスロスとシャドウイングの制限を、動的放射パターンを有する再構成可能アンテナを導入することで解決すること。
• 1つのRFチェーンあたり少数の再構成可能アンテナに置き換えることで、マスィブMIMOアレイを削減し、ハードウェアの複雑さと消費電力を低減すること。
• 通常ランク不足となるライン・オブ・サイト（LoS）mmWaveチャネルにおけるスペクトル効率の向上を、アンテナの再構成によるチャネル行列ランクの強化によって実現すること。
• 再構成可能アンテナがもたらす追加の自由度を活用する信号処理フレームワークの開発。
• 再構成可能アンテナが、特にLoS条件下で従来のMIMOよりも高い容量を達成できることを実証すること。

提案手法

• 提案手法は、1つのRFチェーンを用いて複数の可動指向性放射パターンをサポートするレンズベースの再構成可能アンテナ設計を採用する。
• ビーム選択ネットワークにより、各放射パターンを所望の方向に動的にステアリング可能となり、ビームフォーミングゲインと空間ダイバーシティが向上する。
• 再構成可能アンテナ状態行列Gを導入し、その要素g_{i,j}がチャネル応答を変調することでチャネル行列ランクを向上させる。
• 再構成されたチャネル行列H_g = H ∘ G（ハダマード積）を容量式C = log(det(I_N + ρ/M * H_g H_g^H))に適用し、LoS条件下でも完全ランク動作を実現する。
• 行列Gは[[1,1],[1,e^{jπ}]]として設計され、特に高Rician係数環境下でLoSチャネルのランクを向上させる位相シフトを導入する。
• アンテナ間での電力割り当てを実施し、2×2 MIMO構成におけるスペクトル効率と容量指標を用いて性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再構成可能アンテナが複数の放射パターンを有することで、高いパスロスとシャドウイングにさらされるmmWave MIMOシステムにおけるスペクトル効率が向上するか？
• RQ2 1つのRFチェーンが再構成可能アンテナアレイで複数のビームフォーミング状態をどのようにサポートできるか？これによりハードウェアの複雑さがどのように低減されるか？
• RQ3 アンテナの再構成により、通常ランク不足となるライン・オブ・サイト（LoS）MIMOチャネルのランクはどの程度向上できるか？
• RQ4 再構成可能アンテナがもたらす追加の自由度を効果的に活用する信号処理戦略は何か？
• RQ5 提案アーキテクチャは、LoS優勢なmmWave伝搬環境下で従来のマスィブMIMOと比較して、容量面でどの程度優れているか？

主な発見

• 再構成可能アンテナMIMOシステムは、高Rician係数（LoS優勢）環境下で、従来のMIMOと比較して最大3.5倍高いスペクトル効率を達成する。
• g_{2,2} = e^{jπ}を有する再構成可能アンテナ状態行列Gを適用することで、ランク不足のLoSチャネルが完全ランクのチャネルに変換され、マルチストリーム伝送が可能になる。
• 提案アーキテクチャは、Rician係数が増加しても高い容量を維持するが、従来のMIMOはLoS条件下で容量が著しく低下する。
• レンズベースの再構成可能アンテナ設計により、高い指向性とビームステアリング能力が実現され、高利得と干渉低減が可能になる。
• シミュレーション結果は、再構成可能MIMOシステムが、容量とシャドウイング・パスロスに対するロバストネスの両面で従来のMIMOを上回ることを確認している。
• 本手法により、アレイごとのRFチェーン数が削減され、マスィブMIMOと比較して、消費電力とハードウェアの複雑さが顕著に低減される。