[논문 리뷰] Spatial- and Frequency- Wideband Effects in Massive MIMO Systems.

Bolei Wang, Feifei Gao외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 25.

Antenna Design and Optimization인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 mmWave 대역에서 특히 두드러지는 공간적 폭주대역 및 주파수 선택성과 같은 이중 폭주대역 효과를 다루기 위해 새로운 어레이 신호 처리 프레임워크를 제안한다. 각도 및 지연 도메인의 희박성 특성을 활용하여, TDD 및 FDD 시스템 모두에 적용 가능한 저오버헤드, 피로일러 컨테이미네이션 없는 업링크 및 다운링크 채널 추정을 가능하게 하여, 폭주대역 대규모 MIMO 성능을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

When there are a large number of antennas in massive MIMO systems, the transmitted wideband signal will be sensitive to the physical propagation delay of electromagnetic waves across the large array aperture, which is called the spatial-wideband effect or the spatial selectivity. In this scenario, transceiver design in wideband massive MIMO is different from most of the existing works, which presumes that the bandwidth of the transmitted signals is not that wide, ignores the spatial-wideband effect, and only addresses the frequency selectivity. In this paper, we investigate spatial- and frequency- wideband effects, called dual-wideband effects, in massive MIMO systems from array signal processing point of view. Taking mmWave-band communications as an example, we describe the transmission process to address the dual-wideband effects. By exploiting the channel sparsity in the angle domain and the delay domain, we develop the efficient uplink and downlink channel estimation strategies that require much less amount of training overhead and cause no pilot contamination. Thanks to the array signal processing techniques, the proposed channel estimation is suitable for both TDD and FDD massive MIMO systems. Numerical examples demonstrate that the proposed transmission design for massive MIMO systems can effectively deal with the dual-wideband effects.

연구 동기 및 목표

• 기존 대규모 MIMO 설계에서 忽略되는 경향이 있는 공간적 폭주대역 및 주파수 선택성 퇴화 효과를 다루기 위해.
• 좁은 대역 신호를 가정하고 큰 어레이 어플라이언스를 통해 발생하는 전파 지연을 忽略하는 기존 연구의 한계를 극복하기 위해.
• 폭주대역 대규모 MIMO 시스템에 대해 최소한의 교육 오버헤드를 갖는 효율적인 채널 추정 전략을 개발하기 위해.
• 어레이 신호 처리 기법을 활용하여 TDD 및 FDD 대규모 MIMO 모두에 적용 가능한 방법을 확보하기 위해.
• 큰 어레이 어플라이언스로 인해 폭주대역 효과가 두드러지는 mmWave 대역 통신 환경에서 강건한 성능을 달성하기 위해.

제안 방법

• 큰 어레이 어플라이언스를 통해 전자기파 전파 지연으로 인한 공간적 폭주대역 효과를 고려하여 폭주대역 대규모 MIMO 채널을 모델링한다.
• 각도 도메인(각도 도메인) 및 지연 도메인에서의 채널 희박성을 활용하여 채널 추정의 차원을 감소시킨다.
• 기존 방법보다 훨씬 적은 교육 피로일러를 요구하는 업링크 및 다운링크 채널 추정 알고리즘을 설계한다.
• 빔포밍 및 희박 복구와 같은 어레이 신호 처리 기법을 활용하여 피로일러 컨테이미네이션 없이 채널을 추정한다.
• TDD 및 FDD 시스템 모두에서 효율적인 계산을 가능하게 하기 위해 구조적 희박성 모델을 사용하여 추정 문제를 수식화한다.
• 물리적 전파 특성과 어레이 기하학적 구조에 기반하여 제안된 방법이 확장 가능하고 강건함을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간적 폭주대역 및 주파수 선택성 효과가 폭주대역 mmWave 대역 대규모 MIMO 시스템에서 공동으로 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 각도 및 지연 도메인에서의 채널 희박성을 효과적으로 활용하여 폭주대역 대규모 MIMO에서 교육 오버헤드를 줄일 수 있는가?
• RQ3 어레이 신호 처리를 통해 폭주대역 대규모 MIMO 시스템에서 피로일러 컨테이미네이션을 어떻게 방지할 수 있는가?
• RQ4 기존의 좁은 대역 또는 폭주대역 전용 설계 대비 제안된 방법의 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 제안된 채널 추정 방법이 TDD 및 FDD 대규모 MIMO 시스템에 얼마나 널리 적용 가능한가?

주요 결과

• 제안된 방법은 각도 및 지연 도메인에서의 희박성을 공동으로 활용하여 이중 폭주대역 효과를 효과적으로 완화한다.
• 기존의 폭주대역 대규모 MIMO 접근 방식 대비 채널 추정에 필요한 교육 오버헤드가 크게 감소한다.
• 구조적 희박성 및 어레이 신호 처리 기법을 활용함으로써 업링크 및 다운링크 모두에서 피로일러 컨테이미네이션 없이 작동한다.
• TDD 및 FDD 대규모 MIMO 시스템 모두에 적용 가능하여 실용적 유용성을 높인다.
• 수치 결과는 제안된 전송 설계가 mmWave 대역 대규모 MIMO 시스템에서 이중 폭주대역 효과를 효과적으로 다룰 수 있음을 확인한다.