[论文解读] Millimeter Wave MIMO Prototype: Measurements and Experimental Results

Vasanthan Raghavan, Andrzej Partyka+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文展示了一款28 GHz毫米波MIMO原型，通过定向波束赋形和无缝波束切换，在视 Line-of-Sight（LOS）和非视 Line-of-Sight（NLOS）环境中均实现了鲁棒的高速通信。通过在2.9、29和61 GHz频段进行广泛的毫米波信道测量，验证了系统可行性，结果表明波束赋形能有效缓解阻塞和穿透损耗。

ABSTRACT

Millimeter-wave multi-input multi-output (mm-Wave MIMO) systems are one of the candidate schemes for 5G wireless standardization efforts. In this context, the main contributions of this article are three-fold. 1) We describe parallel sets of measurements at identical transmit-receive location pairs with 2.9, 29 and 61 GHz carrier frequencies in indoor office, shopping mall, and outdoor settings. These measurements provide insights on propagation, blockage and material penetration losses, and the key elements necessary in system design to make mm-Wave systems viable in practice. 2) One of these elements is hybrid beamforming necessary for better link margins by reaping the array gain with large antenna dimensions. From the class of fully-flexible hybrid beamformers, we describe a robust class of directional beamformers towards meeting the high data-rate requirements of mm-Wave systems. 3) Leveraging these design insights, we then describe an experimental prototype system at 28 GHz that realizes high data-rates on both the downlink and uplink and robustly maintains these rates in outdoor and indoor mobility scenarios. In addition to maintaining large signal constellation sizes in spite of radio frequency challenges, this prototype leverages the directional nature of the mm-Wave channel to perform seamless beam switching and handover across mm-Wave base-stations thereby overcoming the path losses in non-line-of-sight links and blockages encountered at mm-Wave frequencies.

研究动机与目标

• 评估在真实室内和室外环境中，2.9、29和61 GHz频段的毫米波传播特性。
• 通过鲁棒且低复杂度的混合波束赋形，解决毫米波系统中高路径损耗和阻塞问题。
• 在真实场景中展示具备高速率和无缝移动支持的实用毫米波MIMO原型。
• 验证波束切换和基站间切换，以在阻塞和移动环境下保持链路可靠性。

提出的方法

• 在办公室、商场和室外环境中，对三个载波频率（2.9、29、61 GHz）的相同收发器位置对并行进行信道测量。
• 采用增益为10 dBi和20 dBi的定向喇叭天线进行方位角和球形扫描，分别生成39个和331个方向波束切片。
• 使用100 Mc/s码片速率的伪噪声（PN）序列进行信道探测，时间分辨率达5 ns，以实现精确的传播特性表征。
• 设计了一种混合波束赋形架构，利用定向波束成形器在有限射频链路数下实现高阵列增益。
• 实现波束扫描和波束切换协议，以在移动过程中实现基站间的无缝切换。
• 在真实室内和室外环境中开展实验，评估链路鲁棒性、切换性能及干扰管理能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实室内和室外环境中，2.9、29和61 GHz频段的路径损耗、阻塞和材料穿透损耗如何变化？
• RQ2 在射频链路数量有限的情况下，定向波束赋形是否能提供足够的链路余量以克服毫米波传播损伤？
• RQ3 波束切换和基站间切换在移动和阻塞事件中维持高速率的效率如何？
• RQ4 毫米波系统设计中，波束赋形复杂度、射频链路数量和硬件损伤之间的实际权衡是什么？
• RQ5 时空信道变化和人体阻塞对真实部署中系统性能的影响如何？

主要发现

• 毫米波频段的路径损耗显著高于Sub-6 GHz频段，但结合阻塞和穿透损耗后，其影响并非不可接受。
• 人体和材料阻塞（如混凝土、金属）导致链路性能显著下降，是链路波动和中断的主要原因。
• 该原型在28 GHz频段下，即使在非视 Line-of-Sight（NLOS）条件下，也通过波束切换实现了高速率通信，涵盖下行链路和上行链路。
• 在室内场景中成功演示了基站间的无缝切换，当阻塞发生时，链路从eNB 1平滑切换至eNB 2。
• 当视 Line-of-Sight（LOS）路径被柱体阻塞时，观察到速率中断，但通过反射形成的主导非视 Line-of-Sight（NLOS）路径，连接得以恢复。
• 定向波束赋形方案对相位变化具有鲁棒性，支持可靠的波束跟踪和切换，验证了其在实际毫米波部署中的适用性。