[论文解读] Massive MIMO in real propagation environments.

Xiang Gao, Ove Edfors+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 15被引用 39

一句话总结

本文利用2.6 GHz频段的128元线性阵列和圆柱形阵列，在真实传播环境中研究了大规模MIMO的性能。结果表明，在真实条件下测量的信道实现了接近理想i.i.d.瑞利衰落信道的频谱效率和用户复用增益，证实了大规模MIMO在真实部署中的实际可行性。

ABSTRACT

Massive MIMO, also known as very-large MIMO or large-scale antenna systems, is a new technique that potentially can offer large network capacities in multi-user scenarios. With a massive MIMO system, we consider the case where a base station is equipped with a large number of antennas and serving multiple single-antenna users in the same time-frequency resource. So far, investigations are mostly based on theoretical channels with independent and identically distributed (i.i.d.) complex Gaussian coefficients. Here, we investigate how massive MIMO performs in real propagation environments. Based on channel measurements at 2.6 GHz using a physically large linear array and a compact cylindrical array, both having 128 antenna elements, we illustrate the channel behavior of massive MIMO in typical propagation conditions, and evaluate the corresponding performance. The investigation shows that the measured channels, for both array types, allow us to achieve performance close to that in ideal i.i.d. channels. Thus, it can be concluded that in real propagation environments, we have characteristics that allow for efficient use of massive MIMO technology.

研究动机与目标

• 评估大规模MIMO在真实传播环境中的可行性，突破理想化理论模型的限制。
• 评估在典型城市场景中测量的真实信道特性对大规模MIMO性能的影响。
• 比较两种物理结构不同的128元天线阵列的性能：大尺寸线性阵列与紧凑型圆柱形阵列。
• 确定真实信道是否能够支持理想化模型所预测的高谱效率和用户复用增益。
• 验证大规模MIMO在实际非理想传播条件下能否实现接近最优的性能。

提出的方法

• 在真实传播环境中，使用128元线性阵列和128元紧凑型圆柱形阵列，在2.6 GHz频段进行信道测量。
• 收集并分析大规模MIMO信道数据，以表征空间信道特性，如相关性和秩。
• 利用实测信道实现来评估频谱效率和用户复用增益。
• 将性能指标（如总频谱效率和用户容量）与假设i.i.d.瑞利衰落信道的理论基准进行比较。
• 使用实测信道矩阵，模拟采用迫零预编码和匹配滤波的的大规模MIMO传输。
• 评估不同传播条件（包括视 Line-of-Sight 和非视 Line-of-Sight 场景）下阵列的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 大规模MIMO在真实传播环境中的性能与理想i.i.d.瑞利衰落信道相比如何？
• RQ2 来自大尺寸线性阵列和紧凑型圆柱形阵列的真实信道测量，在多大程度上支持高谱效率和用户复用增益？
• RQ3 在2.6 GHz频段的真实大规模MIMO场景中，关键的空间信道特性（如相关性、秩）是什么？
• RQ4 真实环境中大规模MIMO的性能能否接近理想化理论模型的预测？
• RQ5 不同的阵列几何结构（线性与圆柱形）在实际中如何影响信道特性及大规模MIMO性能？

主要发现

• 来自128元线性阵列和圆柱形阵列的实测信道具有足够的空间自由度，可支持高谱效率。
• 真实传播环境中实现的总频谱效率接近理想i.i.d.瑞利衰落信道所预测的水平。
• 真实环境中的空间信道相关性低于预期，从而实现了有效用户复用且干扰极小。
• 紧凑型圆柱形阵列实现了与物理尺寸更大的线性阵列相当的性能，表明阵列尺寸并不必然限制性能。
• 在真实环境中，使用128个端口的大规模MIMO可实现与理论基准相当的用户复用增益。
• 实测信道支持稳健的波束成形和用户分离，验证了大规模MIMO在真实世界部署中的实际可行性。