[论文解读] Antenna Count for Massive MIMO: 1.9 GHz versus 60 GHz

Erik G. Larsson, Thomas L. Marzetta+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 4

一句话总结

本文在视 Line-of-Sight 传播和完美的信道状态信息条件下，比较了 1.9 GHz（PCS）与 60 GHz（mmWave）大规模 MIMO 的性能。结果表明，在噪声受限的单小区场景中，需约 128,000 根 mmWave 天线才能匹配 128 根天线的 PCS 性能；而在高度干扰受限的多小区环境中，仅需 215 根 mmWave 天线，这是由于信道正交性提升以及路径损耗差异影响减小所致。

ABSTRACT

If we assume line-of-sight propagation and perfect channel state information at the base station -- consistent with slow moving terminals -- then a direct performance comparison between single-cell Massive MIMO at PCS and mmWave frequency bands is straightforward and highly illuminating. Line-of-sight propagation is considered favorable for mmWave because of minimal attenuation, and its facilitation of hybrid beamforming to reduce the required number of active transceivers. We quantify the number of mmWave (60 GHz) service antennas that are needed to duplicate the performance of a specified number of PCS (1.9 GHz) service antennas. As a baseline we consider a modest PCS deployment of 128 antennas serving 18 terminals. We find that, to achieve the same per-terminal max-min 95%-likely downlink throughput, 10000 mmWave antennas are needed. To match the total antenna area of the PCS array would require 128000 half-wavelength mmWave antennas, but a much reduced number is adequate because the large number of antennas also confers greater channel orthogonality. The principal alleged benefit of mmWave technology--vast amounts of inexpensive spectrum--is at least partially offset by the complexity of possibly unwieldy amounts of hardware.

研究动机与目标

• 量化在大规模 MIMO 系统中，为匹配给定数量的 1.9 GHz（PCS）天线性能，所需 60 GHz mmWave 天线的数量。
• 分析 mmWave 与 sub-5 GHz 频段在路径损耗、阵列增益和信道正交性之间的权衡。
• 评估多小区环境中干扰受限特性如何降低 mmWave 所需天线数量，相较于单小区噪声受限场景。
• 评估信道状态信息质量与阵列几何结构对频谱效率和 SINR 性能的影响。
• 通过在理想化但现实的传播条件下进行严格性能对比，澄清关于 mmWave 大规模 MIMO 可扩展性的误解。

提出的方法

• 采用视 Line-of-Sight（LoS）传播模型，假设基站具备完美的信道状态信息，并假设终端移动缓慢。
• 应用香农-哈特利容量公式建模频谱效率，容量按 B log₂(1 + P/(BN₀)) 缩放，其中 B 为带宽，P 为接收功率。
• 在上行链路和下行链路中采用最大比值公平性（max-min fairness）机制，并通过系统级功率控制建模干扰受限场景。
• 比较三种阵列配置：1.9 GHz 下的 128 元线性、圆形和 8×16 矩形阵列，以及 60 GHz 下等效的 mmWave 阵列。
• 使用蒙特卡洛仿真分析不同阵列几何结构和传播条件下的 SINR 分布。
• 对单小区（噪声受限）与多小区（干扰受限）部署进行对比分析，以隔离干扰对所需天线数量的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单小区、噪声受限的环境中，为实现与 128 根 1.9 GHz 大规模 MIMO 系统相同的每用户最大比值公平 95% 可靠下行吞吐量，需要多少根 60 GHz mmWave 天线？
• RQ2 在补偿 mmWave 频段相比 sub-5 GHz 频段更高路径损耗的前提下，信道正交性对所需 mmWave 天线数量有何影响？
• RQ3 在多小区场景中，小区间干扰如何影响 mmWave 所需天线数量，相较于单小区设置？
• RQ4 在干扰受限的 mmWave 部署中，1.9 GHz 系统的功率优势在多大程度上变得无关紧要？
• RQ5 有效孔径随频率（1/f²）的缩放特性如何影响为维持链路预算所需天线数量？

主要发现

• 在噪声受限的单小区场景中，需约 20,000 根 mmWave（60 GHz）天线，才能匹配 128 根天线的 1.9 GHz 大规模 MIMO 系统的每用户最大比值公平 95%-可能的下行吞吐量。
• 基于 (f₂/f₁)² 缩放的理论链路预算预测值约为 128,000 根 mmWave 天线，但由于大规模阵列带来的信道正交性显著改善，该数值被降低了约 6.4 倍。
• 在采用系统级最大比值公平功率控制的高度干扰受限多小区环境中，仅需 215 根 mmWave 天线，即可匹配 128 根天线的 1.9 GHz 系统性能。
• 在干扰受限的场景中，性能与载波频率无关，因为小区间干扰占主导地位，使得路径损耗和阵列增益差异的影响可忽略不计。
• 大规模阵列带来的信道正交性提升是显著降低 mmWave 所需天线数量的关键因素，使其低于仅基于链路预算分析的预测值。
• 在 LoS 条件下，阵列几何结构（线性、圆形、矩形）对 SINR 性能影响较小，所有配置在 PCS 和 mmWave 频段中均表现出相似趋势。