[论文解读] Diversity Analysis of Millimeter-Wave Massive MIMO Systems

Dian‐Wu Yue, Shuai Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 25被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于毫米波大规模MIMO系统的分布式阵元子阵列架构，以增强分集增益。结果表明，当每个子阵列拥有无限多根天线时，分集增益按 $K_rK_tL - N_s + 1$ 规律增长，其中 $K_r$ 和 $K_t$ 分别为接收端和发射端的子阵列数，$L$ 为传播路径数，$N_s$ 为数据流数。在高信噪比条件下，该架构在分集性能上显著优于共址和传统部分连接结构。

ABSTRACT

This paper is concerned with asymptotic diversity analysis for millimeter-wave (mmWave) massive MIMO systems. First, for a single-user mmWave system employing distributed antenna subarray architecture in which the transmitter and receiver consist of Kt and Kr subarrays, respectively, a diversity gain theorem is established when the numbers of antennas at subarrays go to infinity. Specifically, assuming that all subchannels have the same number of propagation paths L, the theorem states that by employing such a distributed antenna-subarray architecture, a diversity gain of KrKtL-Ns+1 can be achieved, where Ns is the number of data streams. This result means that compared to the co-located antenna architecture, using the distributed antenna-subarray architecture can scale up the diversity gain or multiplexing gain proportionally to KrKt. The diversity gain analysis is then extended to the multiuser scenario as well as the scenario with conventional partially-connected RF structure in the literature. Simulation results obtained with the hybrid analog/digital processing corroborate the analysis results and show that the distributed subarray architecture indeed yields significantly better diversity performance than the co-located antenna architectures.

研究动机与目标

• 分析在实际传播条件下，毫米波大规模MIMO系统中的渐近分集增益。
• 研究分布式子阵列架构相较于共址或传统部分连接射频架构，在提升分集增益与复用增益方面的性能。
• 为具有有限射频链路的毫米波大规模MIMO系统建立分集-复用权衡（DMT）的理论框架。
• 通过采用混合模拟/数字预编码与合并器设计的仿真，验证理论结果。

提出的方法

• 推导了在每个子阵列拥有无限多根天线且所有子信道路径数 $L$ 相同的条件下，单用户毫米波系统中分布式子阵列的分集增益定理。
• 利用子信道矩阵的奇异值分解（SVD），并在多用户场景中应用迫零（ZF）数字预编码，以分离用户特定的信道。
• 分析了在大尺度衰落系数分布 $\{g_{ij}\}$ 均匀与非均匀两种情况下的分集性能。
• 采用混合模拟/数字波束成形技术，对比全连接与部分连接射频架构。
• 提出一种广义框架，基于子阵列数 $K_r$、$K_t$，传播路径数 $L$，以及数据流数 $N_s$ 计算分集增益。
• 通过蒙特卡洛仿真验证理论结果，给出不同信噪比和系统配置下的误码率（BER）性能曲线。

实验结果

研究问题

• RQ1 当每个子阵列拥有无限多根天线时，采用分布式子阵列的毫米波大规模MIMO系统中，分集增益如何随系统参数变化？
• RQ2 与共址或部分连接架构相比，子阵列数 $K_r$ 和 $K_t$ 对可实现分集增益的影响是什么？
• RQ3 在毫米波系统中，分布式子阵列架构与传统射频架构在分集-复用权衡（DMT）方面有何差异？
• RQ4 非均匀的大尺度衰落是否会影响分集增益？若影响，其影响机制如何？
• RQ5 在实际混合预编码约束条件下，所提出的分布式子阵列架构能否实现全分集增益？

主要发现

• 在采用分布式子阵列的单用户毫米波系统中，分集增益为 $K_rK_tL - N_s + 1$，其值随 $K_rK_t$ 的乘积成比例增加。
• 在所研究的设置中，传统部分连接射频架构仅能实现3的全分集增益，而分布式子阵列架构在 $K=2$ 且 $N_s=4$ 时可实现高达9的分集增益。
• 在多用户下行链路场景中，增加基站端的子阵列数（$K_b$）可显著提升分集性能，且增益随 $K_b$ 增大而增加。
• 在非均匀的大尺度衰落系数分布下，分集增益保持不变，表明该架构对子阵列间路径损耗差异具有鲁棒性。
• 混合连接（基于重叠子阵列）结构的频谱效率优于传统部分连接结构，并在射频链路足够多时趋近于全连接架构的性能。
• 仿真结果证实，在高信噪比区域，分布式子阵列架构的误码率（BER）性能显著优于共址和传统部分连接架构。