[论文解读] Interference-Nulling Time-Reversal Beamforming for mm-Wave Massive MIMO in Multi-User Frequency-Selective Indoor Channels

Carlos A. Viteri-Mera, Fernando L. Teixeira|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 35被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种用于毫米波大规模MIMO系统的干扰消零时延反转（INTR）波束成形技术，以缓解频率选择性、多径室内信道中的用户间干扰（IUI）。通过设计能够消除IUI同时保持时延反转（TR）波束成形增益的频域预滤波器，INTR同时实现了分集增益和复用增益，在所有场景下均优于传统TR和均衡TR，在误码率（BER）和和速率方面表现更优，尤其在用户负载较高或阵元数量有限时优势显著。

ABSTRACT

Millimeter wave (mm-wave) and massive MIMO have been proposed for next generation wireless systems. However, there are many open problems for the implementation of those technologies. In particular, beamforming is necessary in mm-wave systems in order to counter high propagation losses. However, conventional beamsteering is not always appropriate in rich scattering multipath channels with frequency selective fading, such as those found in indoor environments. In this context, time-reversal (TR) is considered a promising beamforming technique for such mm-wave massive MIMO systems. In this paper, we analyze a baseband TR beamforming system for mm-wave multi-user massive MIMO. We verify that, as the number of antennas increases, TR yields good equalization and interference mitigation properties, but inter-user interference (IUI) remains a main impairment. Thus, we propose a novel technique called interference-nulling TR (INTR) to minimize IUI. We evaluate numerically the performance of INTR and compare it with conventional TR and equalized TR beamforming. We use a 60 GHz MIMO channel model with spatial correlation based on the IEEE 802.11ad SISO NLoS model. We demonstrate that INTR outperforms conventional TR with respect to average BER per user and achievable sum rate under diverse conditions, providing both diversity and multiplexing gains simultaneously.

研究动机与目标

• 解决传统时延反转（TR）波束成形在毫米波大规模MIMO系统中的局限性，即尽管阵列增益高，用户间干扰（IUI）仍严重劣化系统性能。
• 克服在60 GHz频段典型的丰富散射、频率选择性室内环境中，由IUI导致的性能瓶颈。
• 提出一种新型波束成形技术，通过在保持TR空间聚焦能力的同时消除IUI，实现分集增益与复用增益的同步提升。
• 在考虑空间相关性和Nakagami分布信道抽头的60 GHz MIMO信道条件下，评估所提方法的性能。
• 证明INTR在平均误码率（BER）和可实现和速率方面优于传统TR与均衡TR，尤其在用户负载较高或阵元数较少时表现更优。

提出的方法

• 提出干扰消零时延反转（INTR）波束成形，一种频域预滤波技术，通过修改传统TR波束成形器以消除用户间干扰（IUI）。
• 将预滤波器设计建模为约束优化问题：在保持与原始TR解距离最小的同时，强制在每个用户接收端实现IUI功率为零。
• 采用基于IEEE 802.11ad单输入单输出（SISO）非视 Line-of-Sight（NLoS）模型的60 GHz MIMO信道模型，信道功率延迟分布（PDPs）与空间相关性由几何散射模型推导得出。
• 使用Nakagami分布建模信道冲激响应（CIR）幅度，以反映毫米波环境中真实的衰落特性。
• 在基带实施TR波束成形并结合预滤波，实现能量在空间与时间上的聚焦，利用多径分量获得分集增益。
• 通过蒙特卡洛仿真对系统进行实现与评估，共使用1,000次空间相关信道实例，每次运行包含10⁶个BPSK符号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有频率选择性衰落的毫米波大规模MIMO系统中，用户间干扰（IUI）如何限制传统时延反转（TR）波束成形的性能？
• RQ2 在具有高空间相关性的室内毫米波环境中，经修改的TR波束成形技术能否同时实现分集增益与复用增益？
• RQ3 与传统TR和均衡TR波束成形相比，所提出的INTR技术在多大程度上降低了IUI？
• RQ4 在真实的60 GHz MIMO信道中，INTR的性能如何随用户数和发射天线数的增加而变化？
• RQ5 在INTR框架中，预滤波器长度对IUI抑制与整体系统性能有何影响？

主要发现

• INTR在平均误码率（BER）方面显著优于传统TR，尤其在用户数较多或天线数有限时表现更优。
• 在64根天线、5个用户条件下，INTR在高用户负载下对传统TR的BER改善最为显著，展现出强大的IUI抑制能力。
• 在极端情况（128根天线、50个用户）下，INTR实现的频谱效率超过170 bps/Hz，表明在高用户密度下具备卓越的复用增益。
• 在某些场景下，INTR的可实现和速率是传统TR的两倍，证实其可同步提供分集与复用增益。
• 增加预滤波器长度可提升IUI抑制效果，证实更长的滤波器能提高频域干扰消零的精度。
• 当发射天线数量较大时，均衡TR（ETR）不再必要，因为传统TR已具备足够的均衡能力；INTR通过直接针对IUI进行优化，进一步提升了性能。