[论文解读] A Distributed Multi-RF Chain Hybrid mmWave Scheme for Small-cell Systems

Lou Zhao, Jiajia Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 22被引用 4

一句话总结

本文提出一种在小型蜂窝基站（SBS）和用户端均采用多射频链（RF chains）的分布式混合毫米波（mmWave）系统，以利用地理分布的SBS所带来的空间分集增益。通过支持多SBS同时传输并协同模拟波束成形，该方案显著提升了和速率，尤其在散射受限的稀疏毫米波信道中表现更优，通过利用视 Line-of-Sight（LoS）路径带来的额外自由度，超越了传统集中式全数字系统。

ABSTRACT

This paper proposes a distributed hybrid millimeter wave (mmWave) scheme to exploit the structure of a Densely Deployed Distributed (DDD) small-cell-base-stations (SBSs) system for serving multiple users in a geographic area. Both the SBSs and the users are equipped with full access hybrid architectures with multi-antenna arrays and multiple radio frequency chains. Unlike the conventional cellular networks where users receive data streams from their nearest BSs, the users in our proposed scheme simultaneously receive data streams from different SBSs. With appropriate design of analog beamformers, co-channel multi-data-stream interference can be mitigated and the extra spatial degrees of freedom induced by the geographic distributed SBSs are exploited for data multiplexing. Analytical and simulation results show that the proposed scheme can improve the system sum-rate considerably, especially when the number of scattering components in millimeter wave channels is limited.

研究动机与目标

• 解决传统集中式毫米波基站因散射稀疏和路径损耗高而导致的空间自由度（DoFs）受限问题。
• 在密集小型蜂窝部署中，利用多个地理分布的SBS实现空间分集，以提升频谱效率。
• 设计一种兼容实际硬件约束（包括SBS和用户端射频链数量有限）的混合模拟/数字波束成形方案。
• 实现多个SBS向单个用户同时传输多流数据，突破单基站数据复用瓶颈。
• 在硬件成本和能耗低于全数字架构的前提下，实现更高的和速率性能。

提出的方法

• 系统采用密集部署的分布式（DDD）小型蜂窝架构，多个SBS在空间上分离，以增加可用的视 Line-of-Sight（LoS）传播路径数量。
• 每个SBS和用户均配备全接入式混合架构，包含多个射频链和多天线阵列，支持同时的多流传输与接收。
• SBS和用户端联合设计模拟波束成形器，以抑制同频多流干扰，并将波束对准主要的到达角（AoA）分量。
• 该方案利用分布式SBS的虚拟MIMO特性，创造额外的空间自由度，尤其在散射受限的稀疏毫米波环境中效果显著。
• 在硬件约束（射频链数量有限）下设计协同波束成形策略，避免全信道状态信息（CSI）共享，降低回传开销。
• 系统使用功率比参数 $\varsigma$ 建模 LoS 与非视 Line-of-Sight（NLoS）分量之间的权衡，以优化波束成形，提升系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在和速率方面，具有SBS和用户端多射频链的分布式混合毫米波系统是否能优于传统集中式全数字系统？
• RQ2 SBS的空间分布如何增强在散射分量受限的毫米波信道中的自由度？
• RQ3 功率比 $\varsigma$（控制LoS与NLoS分量）对稀疏毫米波环境中系统性能的影响是什么？
• RQ4 散射路径数量 $N_{\mathrm{cl}}$ 如何影响分布式系统与传统系统之间的性能差距？
• RQ5 所提出的方案是否能在降低硬件复杂度和回传信令开销的前提下，实现与全数字系统相当的高 spectral efficiency？

主要发现

• 所提出的分布式SBS混合毫米波方案在和速率方面显著优于传统集中式全数字系统，尤其在散射分量受限的稀疏毫米波信道中表现更优。
• 在低和中等信噪比（SNR）区域，由于多个LoS路径带来的空间复用增益增强，分布式SBS系统优于传统系统。
• 随着功率比 $\varsigma$ 增大（即LoS分量占优），分布式SBS系统的和速率随之提升，而传统系统的速率趋于饱和，这是由于其散射导致的自由度受限。
• 当 $N_{\mathrm{cl}}$（散射路径数量）较小时，分布式SBS系统与传统系统之间的性能差距显著，凸显了在稀疏环境中空间分集的优势。
• 随着用户端天线数量 $P$ 增加，分布式SBS系统仍能保持优越的和速率性能，即使用户端仅配备少量天线，也得益于有效的多SBS波束成形。
• 与全数字架构相比，该系统在实现高谱效率的同时，显著降低了硬件成本和回传信令开销，使其更适合5G毫米波网络部署。