[论文解读] Millimeter Wave MIMO Channel Tracking Systems

Jiguang He, Taejoon Kim+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2014

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 13被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种针对非视 Line-of-sight (NLoS) 环境下采用混合式模拟/数字波 beamforming 的毫米波 MIMO 系统的逐模式信道追踪技术。通过基于时间相关性的旋转码本，按顺序更新模拟波束成形波束成形器与合并器，该方法在保持相关信道模型和 3GPP 空间信道模型下性能的同时，相较于独立探测方式，将开销降低了 25%，并实现了更高的吞吐量，适用于最高 4.4 km/h 的速度。

ABSTRACT

We consider channel/subspace tracking systems for temporally correlated millimeter wave (e.g., E-band) multiple-input multiple-output (MIMO) channels. Our focus is given to the tracking algorithm in the non-line-of-sight (NLoS) environment, where the transmitter and the receiver are equipped with hybrid analog/digital precoder and combiner, respectively. In the absence of straightforward time-correlated channel model in the millimeter wave MIMO literature, we present a temporal MIMO channel evolution model for NLoS millimeter wave scenarios. Considering that conventional MIMO channel tracking algorithms in microwave bands are not directly applicable, we propose a new channel tracking technique based on sequentially updating the precoder and combiner. Numerical results demonstrate the superior channel tracking ability of the proposed technique over independent sounding approach in the presented channel model and the spatial channel model (SCM) adopted in 3GPP specification.

研究动机与目标

• 解决非视 Line-of-sight (NLoS) 环境下毫米波 MIMO 系统中缺乏可处理的时间相关信道模型的问题。
• 设计一种适用于具有恒定包络模拟波束成形器的混合波束成形/合并架构的低开销、自适应信道追踪技术。
• 通过利用毫米波 MIMO 信道中的时间相关性，特别是移动场景下，提升系统吞吐量。
• 在真实传播条件下，将所提方法与独立探测方式及 3GPP 空间信道模型（SCM）进行验证。
• 在 E 波段毫米波系统中，展示对不同多普勒扩展和信噪比的鲁棒性。

提出的方法

• 通过修改参数化信道模型，提出一种时间相关 MIMO 信道演化模型，引入随时间变化的相关性的到达角（AoA）、出发角（AoD）和路径增益动态特性。
• 提出一种逐模式更新策略，通过基于时间相关性统计的旋转码本，按顺序自适应调整模拟波束成形器与合并器的每一列。
• 采用基于信道互易性的时分双工（TDD）系统，数字波束成形器与合并器通过常规 MIMO 设计流程进行更新。
• 使用每相位 Q=4 位的旋转码本对模拟波束成形器更新进行量化，以最小化反馈开销，同时保持波束对准。
• 基于速度和载波频率（72 GHz）定义动态相关系数 ρ，使用 Jakes 模型估算相干时间，ρ=0.9037（在 3 km/h 速度下）。
• 设定系统参数，包括 64×64 阵列、4 个射频链路、1 GHz 带宽、1024-FFT 和 0.5 ms 的信道块持续时间，以模拟每块 500 个信道使用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为非视 Line-of-sight 场景下的毫米波 MIMO 系统构建一个可处理的时间相关信道模型？
• RQ2 能否设计一种低开销的波束成形追踪方法，使其能够适应具有恒定包络模拟波束成形器的混合 MIMO 系统中的时间相关性？
• RQ3 在不同多普勒扩展下，所提出的逐模式追踪技术与独立探测方式相比，在吞吐量和开销方面表现如何？
• RQ4 在不同用户速度下，所提方法在真实 3GPP 空间信道模型（SCM）条件下的性能保持程度如何？
• RQ5 在有限反馈的毫米波 MIMO 系统中，训练开销与追踪精度之间的最优权衡是什么？

主要发现

• 所提出的信道追踪方案相比独立探测基准方案，吞吐量显著更高，尤其在较高多普勒扩展（如 4.4 km/h）下，总开销降低 25%（12% vs. 16%）。
• 在 1 km/h 速度下（ρ ≈ 0.9），所提方法在所提出的参数化信道模型和 3GPP SCM 中均实现了与独立探测方案相当的性能，但训练开销更低。
• 该方案在不同 ρ 值（3 km/h 时 ρ=0.9037）下均保持鲁棒性能，证明其能有效适应动态毫米波环境中的时间相关性。
• 仿真结果证实，逐模式更新策略能成功追踪时变毫米波 MIMO 信道中的波束对准，优于静态码本方法。
• 当分配 60 个信道使用进行训练与反馈时，所提方法的频谱效率优于基准方案，后者需 80 个信道使用才能达到类似性能。
• 基于速度和载波频率的动态相关系数 ρ 的使用，能够准确建模 E 波段毫米波系统中的相干时间与多普勒扩展。