[論文レビュー] RF Lens-Embedded Antenna Array for mmWave MIMO: Design and Performance

Yae Jee Cho, Gee-Yong Suk+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、アクティブな位相シフト器の代わりに被動的レンズを用いることで、低複雑性で高利得なミリ波MIMOビームフォーミングを可能にする、28 GHz帯のレンズ埋め込みアンテナアレイプロトタイプ2種——静的用途向けのSULAと移動体用途向けのMULA——を提案している。レンズはエネルギーを集束させることで高指向性と高利得を実現し、ハードウェアの複雑さを低減するとともに、ビームスイッチングの実現可能性を向上させ、屋内環境では平均で10 Gbps、屋外環境ではピークで4 Gbpsのスループットを達成した。

ABSTRACT

The requirement of high data-rate in the fifth generation wireless systems (5G) calls for the ultimate utilization of the wide bandwidth in the mmWave frequency band. Researchers seeking to compensate for mmWave's high path loss and to achieve both gain and directivity have proposed that mmWave multiple-input multiple-output (MIMO) systems make use of beamforming systems. Hybrid beamforming in mmWave demonstrates promising performance in achieving high gain and directivity by using phase shifters at the analog processing block. What remains a problem, however, is the actual implementation of mmWave beamforming systems; to fabricate such a system is costly and complex. With the aim of reducing such cost and complexity, this article presents actual prototypes of the lens antenna as an effective device to be used in the future 5G mmWave hybrid beamforming systems. Using a lens as a passive phase shifter enables beamforming without the heavy network of active phase shifters, while gain and directivity are achieved by the energy-focusing property of the lens. Proposed in this article are two types of lens antennas, one for static and the other for mobile usage. Their performance is evaluated using measurements and simulation data along with link-level analysis via a software defined radio (SDR) platform. Results show the promising potential of the lens antenna for its high gain and directivity, and its improved beam-switching feasibility compared to when a lens is not used. System-level evaluations reveal the significant throughput enhancement in both real indoor and outdoor environments. Moreover, the lens antenna's design issues are also discussed by evaluating different lens sizes.

研究の動機と目的

• アクティブ位相シフト器を用いる従来のミリ波ハイブリッドビームフォーミングシステムの高いハードウェア複雑性と消費電力を低減すること。
• 被動RFレンズを位相シフト器として活用することで、5Gミリ波システム向けに実用的で低複雑性のビームフォーミングソリューションを開発すること。
• 28 GHz帯に最適化された、静的用途向けのSULAと移動体用途向けのMULAという2種類のレンズ-アンテナアレイを設計・プロトタイピングすること。
• 実際の屋内および屋外環境におけるシステムレベルの性能を評価し、スループットの向上とビームスイッチングの実現可能性を実証すること。
• 特にレンズサイズが利得、指向性、ビームフォーミング性能に与える影響を含む設計上のトレードオフを分析すること。

提案手法

• パッチアンテナアレイと誘電レンズを統合して、被動ビームフォーミングを実現するSULA（静的）およびMULA（移動体）という2つのレンズ-アンテナプロトタイプを設計。
• レンズの屈折特性を活用してアクティブ位相シフト器を不要とし、消費電力とハードウェア複雑性を低減。
• レンズ-アンテナアレイの異なるフィードポートを順次活性化することでビームフォーミングを実現し、ポートスイッチングによる動的ビームステアリングを可能にした。
• プロトタイプを実装し、放射パターン、利得、指向性をさまざまなレンズサイズで測定およびシミュレーションして評価。
• SDRプラットフォームと仮想ハイブリッドビームフォーマーを用いて、リンクレベルおよびシステムレベルの評価を実施し、マルチユーザーMIMO（MU-MIMO）シナリオをシミュレート。
• 遮蔽物、壁、移動体を含む実世界の伝搬環境（屋内および屋外）をモデル化し、現実的な条件下でのSINRおよびスループット性能を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 被動RFレンズは、ミリ波ハイブリッドビームフォーミングシステムにおいてアクティブ位相シフト器を効果的に置き換えることができるか？ これにより複雑性と消費電力が低減されるか？
• RQ2 従来のアンテナアレイと比較して、レンズの統合がビーム指向性、利得、ビームスイッチング能力に与える影響は何か？
• RQ3 レンズサイズが、ミリ波MIMOシステムにおける利得、指向性、ビーム幅といった性能指標に与える影響は何か？
• RQ4 実世界の屋内および屋外環境において、レンズ埋め込みアンテナアレイは達成可能なスループットおよび干渉管理の観点でどの程度の性能を示すか？
• RQ5 レンズを用いた場合、スループットゲインを最大化する最適なビーム数は何か？ また、性能の飽和はどの時点で発生するか？

主な発見

• レンズ埋め込みアンテナプロトタイプは、レンズを備えない従来のアレイと比較して顕著に高い利得と指向性を達成し、より集中的なビームと干渉の低減を実現した。
• 屋外マルチユーザーMIMO環境において、レンズを用いることでピークスループットが4 Gbpsに向上し、同じ送信電力下で「レンズなし」のケースを上回った。
• 屋内環境では、レンズ-アンテナシステムが10 Gbpsを超える平均スループットを達成し、散乱が豊富で遮蔽物の多い状況でも優れた性能を示した。
• 異なるフィードポートを順次活性化することでビームスイッチングを成功裏に実証し、複雑な位相シフト器ネットワークを必要としない動的ビームステアリングの実現可能性を裏付けた。
• レンズを用いることで得られる性能向上は、中程度のビーム数（例：8〜64ビーム）で顕著であったが、ビーム数が増加すると飽和が生じ、ハードウェアコストとスループットゲインのトレードオフが顕在化した。
• 大きなレンズサイズ（例：155 mm径）は、より高い利得と指向性をもたらし、レンズサイズがミリ波ビームフォーミングシステムの性能最適化において重要な設計パrameterであることを確認した。