[论文解读] LuMaMi28: Real-Time Millimeter-Wave Massive MIMO Systems with Antenna Selection

MinKeun Chung, Liang Liu+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 4

一句话总结

本文提出 LuMaMi28，一个在 28 GHz 频段运行的实时大规模 MIMO 测试平台，配备 16 链路全数字基站和用户设备（UE），其具备波束可切换天线，可实现实时天线选择。系统表明，UE 端的天线选择可使采用最大比合并（MRC）处理的系统实现高达 3.32× 的中位吞吐量增益，尤其在移动场景中对高增益贴片天线具有显著优势。

ABSTRACT

This paper presents LuMaMi28, a real-time 28 GHz massive multiple-input multiple-output (MIMO) testbed. In this testbed, the base station has 16 transceiver chains with a fully-digital beamforming architecture (with different pre-coding algorithms) and simultaneously supports multiple user equipments (UEs) with spatial multiplexing. The UEs are equipped with a beam-switchable antenna array for real-time antenna selection where the one with the highest channel magnitude, out of four pre-defined beams, is selected. For the beam-switchable antenna array, we consider two kinds of UE antennas, with different beam-width and different peak-gain. Based on this testbed, we provide measurement results for millimeter-wave (mmWave) massive MIMO performance in different real-life scenarios with static and mobile UEs. We explore the potential benefit of the mmWave massive MIMO systems with antenna selection based on measured channel data, and discuss the performance results through real-time measurements.

研究动机与目标

• 开发一种灵活、实时的毫米波大规模 MIMO 测试平台，用于在真实传播条件下评估实际系统性能。
• 研究用户设备（UE）波束赋形与天线选择在静态与移动环境下的毫米波系统性能影响。
• 比较在不同波束成形与预编码方案下，不同类型的 UE 天线（八木天线：波束宽度较宽、增益较低）与贴片天线（波束宽度较窄、增益较高）的性能增益差异。
• 评估在存在真实硬件损伤的移动场景中，天线选择在降低路径损耗与提升吞吐量方面的有效性。

提出的方法

• 基站采用全数字波束成形架构，配备 16 个收发链路，支持对多个 UE 的空间复用。
• 用户设备（UE）配备可切换波束的天线阵列，可实时从四个预设波束中选择信道幅度最高的波束。
• 评估了两种类型的 UE 天线：一种是波束宽度较宽、峰值增益较低的八木阵列，另一种是波束宽度较窄、增益较高的贴片阵列。
• 在三种场景下进行实时测量：静态（旋转）、水平移动、垂直移动和圆形移动，基站采用最大比合并（MRC）与迫零（ZF）预编码。
• 实时采集信道状态信息，并通过上行链路数据速率的累积分布函数（CDF）评估吞吐量性能。
• 在测试平台设计中考虑了相位噪声和功率放大器非线性等硬件损伤，以反映真实毫米波系统约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在静态与移动条件下，实时 UE 天线选择对毫米波大规模 MIMO 系统上行吞吐量有何影响？
• RQ2 八木阵列与贴片阵列天线在波束选择增益与吞吐量提升方面有何性能差异？
• RQ3 MRC 与 ZF 预编码方案如何影响毫米波系统中天线选择的有效性？
• RQ4 移动性在多大程度上降低系统性能？天线选择能否缓解这种性能下降？
• RQ5 在噪声受限与干扰受限场景中，天线选择可实现的吞吐量增益是多少？

主要发现

• 在基站与 UE 间距 3–11 米范围内，八木阵列的可实现波束选择增益为 10.0 dB，贴片阵列天线为 12.8 dB。
• 在移动环境中，采用 MRC 预编码时，八木天线 UE 的中位上行吞吐量提升 3.32×，贴片天线 UE 提升 1.97×。
• 采用 ZF 预编码时，两种 UE 的天线选择吞吐量增益相近（八木天线为 1.13×，贴片天线为 1.15×），表明在干扰受限场景中选择增益有限。
• 在未使用天线选择时，贴片天线 UE 的中位吞吐量比八木天线 UE 高 4 倍，凸显高增益、窄波束天线的优势。
• 在垂直移动路径中，采用 ZF 预编码时，天线选择使最低吞吐量分别提升 1.63×（八木天线）和 1.83×（贴片天线），表明在噪声受限条件下具有显著优势。
• 峰值吞吐量在使用天线选择与不使用天线选择之间的差异在贴片天线中最为显著（6.4 vs. 4.43 Mbit/s），表明在近距离视 Line-of-Sight 场景中，波束宽度与增益的权衡至关重要。