[论文解读] High-Mobility Wideband Massive MIMO Communications: Doppler Compensation, Analysis and Scaling Law

Guo Wei, Weile Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 4

一句话总结

本文提出在高移动性宽带大规模MIMO上行链路系统中，利用发射端的大规模均匀线阵（ULA）进行角度域多普勒补偿。通过形成并行波束成形分支，每个分支仅受单一主导多普勒频偏（DFO）影响，系统可实现预传输DFO补偿。关键结果为推导出一个比例定律，表明多普勒扩展随 $1/\bar{M}$ 减小，当发射端天线数 $M$ 足够大时，信道时变性可实现渐近抑制。

ABSTRACT

In this paper, we apply angle-domain Doppler compensation for high-mobility wideband massive multi-input multi-output (MIMO) uplink transmission. The time-varying multipath channel is considered between high-speed terminal and static base station (BS), where multiple Doppler frequency offsets (DFOs) are associated with distinct angle of departures (AoDs). With the aid of the large-scale uniform linear array (ULA) at the transmitter, we design a beamforming network to generate multiple parallel beamforming branches, each transmitting signal pointing to one particular angle. Then, the transmitted signal in each branch will experience only one dominant DFO when passing over the time-varying channel, which can be easily compensated before transmission starts. We theoretically analyze the Doppler spread of the equivalent uplink channel after angle-domain Doppler compensation, which takes into account both the mainlobe and sidelobes of the transmit beam in each branch. It is seen that the channel time-variation can be effectively suppressed if the number of transmit antennas is sufficiently large. Interestingly, the asymptotic scaling law of channel variation is obtained, which shows that the Doppler spread is proportional to the maximum DFO and decreases approximately as $1/\sqrt{M}$ ($M$ is the number of transmit antennas) when $M$ is sufficiently large. Numerical results are provided to corroborate the proposed scheme.

研究动机与目标

• 解决高移动性宽带大规模MIMO上行链路中因多重多普勒频偏（DFO）导致的时变信道挑战。
• 克服传统方法在多径密集且空间分辨率有限条件下失效的局限性。
• 利用大规模均匀线阵（ULAs）的高空间分辨率，在发射端实现逐波束DFO补偿。
• 理论分析在补偿后等效上行链路信道中的残余多普勒扩展，包括主瓣和旁瓣效应。
• 推导并验证信道时变性的渐近比例定律，表明其抑制程度与 $1/\sqrt{M}$ 成正比。

提出的方法

• 在发射端采用匹配滤波波束成形，生成多个并行波束成形分支，每个分支分别波束赋形至不同的出发角（AoD）。
• 每个波束成形分支仅经历一个主导DFO，从而可在发射端实现预补偿。
• 建模高速终端与静止基站之间的时变多径信道，其中DFO与不同AoD相关联。
• 理论分析同时考虑每个波束的主瓣和旁瓣贡献，使用包含完全椭圆积分的积分表达式。
• 通过近似波束响应函数上的积分，利用大-$M$渐近分析，推导多普勒扩展的渐近界。
• 采用积分近似与界限（例如，参见文献[33]中的公式(6.153)），证明 $\Lambda_{1,1}$ 随 $\frac{2}{\pi}\ln(2M)$ 增长，而 $\Lambda_{1,2}$ 和 $\Lambda_{1,3}$ 随 $1/M$ 衰减，从而在 $M$ 较大时可忽略其影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高移动性宽带大规模MIMO上行链路中，发射端的角度域波束成形是否能实现有效的多普勒补偿？
• RQ2 在角度域多普勒补偿后，等效上行链路信道中的残余多普勒扩展如何随发射端天线数 $M$ 变化？
• RQ3 主瓣和旁瓣响应对波束成形与DFO补偿后有效多普勒扩展有何影响？
• RQ4 能否为角度域多普勒补偿下上行链路信道的时变性推导出理论比例定律？
• RQ5 波束成形旁瓣与波束响应主瓣如何影响信道变化的渐近行为？

主要发现

• 在角度域多普勒补偿后，等效上行链路信道的多普勒扩展渐近地与 $1/\sqrt{M}$ 成比例，其中 $M$ 为发射端天线数。
• 主瓣贡献 $\Lambda_{1,1}$ 随 $M$ 对数增长，近似为 $\frac{2}{\pi}\ln(2M)$，而旁瓣贡献 $\Lambda_{1,2}$ 和 $\Lambda_{1,3}$ 随 $1/M$ 衰减。
• 当 $M$ 足够大时，旁瓣贡献可忽略不计，主导项 $\Lambda_{1,1}$ 决定信道时变性的渐近行为。
• 波束成形网络有效隔离了每个波束的DFO，支持预补偿，显著降低了载波间干扰（ICI）。
• 理论分析证实，当 $M$ 较大时，信道时变性可被有效抑制，验证了在动态环境中实现高移动性大规模MIMO的可行性。
• 数值结果验证了理论分析，表明该比例定律能准确预测 $M$ 增大时的性能增益。