[论文解读] Multi-User Millimeter Wave MIMO with Full-Dimensional Lens Antenna Array

Yong Zeng, Lu Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 23被引用 4

一句话总结

本文提出一种低复杂度的多用户毫米波MIMO系统，基站（BS）采用全向度透镜天线阵列，移动台（MS）采用传统的均匀平面阵列（UPA）。通过利用透镜的角依赖能量聚焦特性以及一种新型路径延迟补偿技术，将频率选择性信道转换为并行的频率平坦MIMO信道，从而实现单载波单载波传输，并在到达角（AoA）分离足够大时实现近乎无干扰通信，相较于基准方案在更低的硬件和处理成本下实现显著的和速率增益。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) communication by utilizing lens antenna arrays is a promising technique for realizing cost-effective 5G wireless systems with large MIMO (multiple-input multiple-output) but only limited radio frequency (RF) chains. This paper studies an uplink multi-user mmWave single-sided lens MIMO system, where only the base station (BS) is equipped with a full-dimensional (FD) lens antenna array with both elevation and azimuth angle resolution capabilities, and each mobile station (MS) employs the conventional uniform planar array (UPA) without the lens. By exploiting the angle-dependent energy focusing property of the lens antenna array at the BS as well as the multi-path sparsity of mmWave channels, we propose a low-complexity path division multiple access (PDMA) scheme, which enables virtually interference-free multi-user communications when the angle of arrivals (AoAs) of all MS multi-path signals are sufficiently separable at the BS. To this end, a new technique called path delay compensation is proposed at the BS to effectively transform the multi-user frequency-selective MIMO channels to parallel frequency-flat small-size MIMO channels for different MSs, for each of which the low-complexity single-carrier(SC) transmission is applied. For general scenarios with insufficient AoA separations, analog beamforming at the MSs and digital combining at the BS are jointly designed to maximize the achievable sum-rate of the MSs based on their effective MIMO channels resulting from path delay compensation. In addition, we propose a new and efficient channel estimation scheme tailored for PDMA, which requires negligible training overhead in practical mmWave systems and yet leads to comparable performance as that based on perfect channel state information (CSI).

研究动机与目标

• 解决传统大规模毫米波MIMO系统中因大阵列和有限射频链路而带来的高硬件和信号处理成本问题。
• 在频率选择性信道中实现低复杂度、低训练开销的高效多用户毫米波通信。
• 利用全向度（FD）透镜天线阵列根据到达角（AoA）聚焦信号的能力，实现用户的空间分离。
• 设计一种路径复用多址接入（PDMA）方案，当AoA足够可分时，实现近乎无干扰通信。
• 开发一种高效的信道估计方法，训练开销可忽略不计，同时性能接近完美信道状态信息（CSI）

提出的方法

• 在基站（BS）使用全向度透镜天线阵列，实现方位角和俯仰角的角依赖能量聚焦，基于AoA实现用户的空间复用。
• 在基站引入路径延迟补偿，将频率选择性MIMO信道转换为每个用户的并行频率平坦MIMO信道，从而实现低复杂度单载波（SC）传输。
• 在移动台（MS）采用模拟波束成形，在基站采用数字合并以在AoA不可充分分离时最大化和速率，使用最大比合并（MRC）和最小均方误差（MMSE）合并。
• 提出一种专为PDMA设计的新信道估计方案，最小化训练开销，同时保持与完美CSI相当的性能。
• 采用一阶泰勒近似建模透镜相位移剖面并推导阵列响应，实现波束成形响应的解析表征。
• 基于物理光学原理和平稳相位法推导透镜阵列的阵列响应，证明其在特定AoA方向具有波束成形增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 基站处的全向度透镜天线阵列是否可通过基于角度的空间复用实现无干扰的多用户毫米波MIMO通信？
• RQ2 路径延迟补偿技术如何有效将频率选择性MIMO信道转换为每个用户的并行频率平坦信道？
• RQ3 与传统MIMO-OFDM和混合模拟/数字波束成形系统相比，所提出的PDMA方案的可实现和速率性能如何？
• RQ4 在所提系统中，如何实现极低训练开销的信道估计，同时保持高精度？
• RQ5 所提基于透镜的毫米波MIMO架构中，硬件成本、信号处理复杂度与频谱效率之间的权衡关系如何？

主要发现

• 当用户间到达角（AoA）分离足够大时，所提出的PDMA方案可实现近乎无干扰通信，支持高效单载波传输。
• 路径延迟补偿技术成功地将频率选择性MIMO信道转换为并行的频率平坦MIMO信道，显著降低信号处理复杂度。
• 该系统在和速率方面相较于基准MIMO-OFDM和混合模拟/数字波束成形系统具有显著增益，尤其在高速移动或富散射环境中表现更优。
• 所提出的信道估计方案训练开销可忽略不计，且性能与完美信道状态信息（CSI）下的性能相当。
• 与传统大规模MIMO系统相比，该基于透镜的系统在大幅降低硬件成本和信号处理复杂度的同时，实现了高谱效率。
• 数值结果证实，所提设计在和速率方面优于当前最先进系统，同时保持低射频链路数和低功耗。