[论文解读] Low RF-Complexity Technologies to Enable Millimeter-Wave MIMO with Large Antenna Array for 5G Wireless Communications

Xinyu Gao, Linglong Dai+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2016

Microwave Engineering and Waveguides被引用 5

一句话总结

本文提出了一种低射频（RF）复杂度的混合波束成形架构——基于相控阵的混合波束成形（PAHP）和基于透镜阵列的混合波束成形（LAHP），以实现大规模毫米波MIMO系统的节能。LAHP通过用低功耗开关和透镜替代昂贵的移相器，显著降低了导频开销，从而在波束域信道估计中实现稀疏信号恢复，获得更高的能量效率。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) MIMO with large antenna array has attracted considerable interests from academic and industry communities, as it can provide larger bandwidth and higher spectrum efficiency. However, with hundreds of antennas, the number of radio frequency (RF) chains required by mmWave MIMO is also huge, leading to unaffordable hardware cost and power consumption in practice. In this paper, we investigate low RF-complexity technologies to solve this bottleneck. We first review the evolution of low RF-complexity technologies from microwave frequencies to mmWave frequencies. Then, we discuss two promising low RF-complexity technologies for mmWave MIMO systems in detail, i.e., phased array based hybrid precoding (PAHP) and lens array based hybrid precoding (LAHP), including their principles, advantages, challenges, and recent results. We compare the performance of these two technologies to draw some insights about how they can be deployed in practice. Finally, we conclude this paper and point out some future research directions in this area.

研究动机与目标

• 解决因数百根天线需要大量射频链路而导致的毫米波MIMO系统硬件成本高和功耗大的问题。
• 研究低射频复杂度技术，使大规模毫米波MIMO在5G无线通信中具备实际可行性。
• 从和速率、对信道估计误差的鲁棒性以及能量效率三个方面，对比基于相控阵的混合波束成形（PAHP）与基于透镜阵列的混合波束成形（LAHP）的性能。
• 为LAHP提出一种自适应选择网络，以在波束域信道估计过程中降低导频开销。
• 提供在实际条件下（包括小区间干扰和时变信道）下，PAHP与LAHP在室外毫米波MIMO系统中实际部署的深入见解。

提出的方法

• 采用基于相控阵的混合波束成形（PAHP），通过数字波束成形与移相器网络实现的模拟波束成形相结合，以减少射频链路数量。
• 提出基于透镜阵列的混合波束成形（LAHP），用低损耗透镜阵列和开关替代移相器，以最小化功耗。
• 为LAHP设计一种自适应选择网络，将波束域信道估计建模为稀疏信号恢复问题，从而降低导频开销。
• 将系统总功耗建模为功率放大器、移相器、开关、功分器、合并器及射频链路功耗的函数，以支持能量效率的对比分析。
• 在存在非完美信道状态信息和小区间干扰等实际条件下的对比分析中，评估PAHP与LAHP的和速率与能量效率。
• 通过数值仿真评估单小区与多小区场景下的性能，基站配置为256根天线，每小区16名用户。

实验结果

研究问题

• RQ1 在完美与非完美信道状态信息下，PAHP与LAHP在可实现和速率方面有何差异？
• RQ2 信道估计误差对毫米波MIMO系统中PAHP与LAHP性能的影响如何？
• RQ3 随着用户数增加，LAHP的能量效率与PAHP及全数字波束成形相比如何？
• RQ4 LAHP中的自适应选择网络是否能显著降低波束域信道估计中的导频开销？
• RQ5 在宽带、时变毫米波信道中，PAHP与LAHP的性能限制是什么？

主要发现

• 当用户数超过12时，由于用低功耗开关和透镜替代了高功耗移相器，LAHP的能量效率高于PAHP和全数字波束成形。
• 在高用户场景下，PAHP的性能劣于全数字波束成形，因为移相器数量随数据流数量快速增加，导致功耗超过射频链路本身。
• LAHP对信道估计误差的鲁棒性优于PAHP，因此更适合在存在非完美信道状态信息的实际系统中应用。
• LAHP中的自适应选择网络通过将波束域信道估计建模为稀疏信号恢复问题，显著降低了导频开销。
• 在存在小区间干扰的多小区场景中，PAHP与LAHP均能实现接近最优的和速率，表明其在干扰环境下的强鲁棒性。
• 由于小区间干扰的存在，两种系统的性能在高信噪比下趋于饱和，凸显了在密集毫米波部署中进行干扰协调的必要性。