[论文解读] Multiplexing Analysis of Millimeter-Wave Massive MIMO Systems

Dian‐Wu Yue, Ha H. Nguyen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 30被引用 3

一句话总结

本文分析了在使用分布式天线子阵列架构的毫米波大规模MIMO系统中空间复用性能，推导出当子阵列天线数量趋于无穷大时，渐近复用增益公式，其增益为 $ K_rK_t\bar{L} $。结果表明，与共址阵列相比，分布式子阵列能显著提升复用增益，且推导出的分集-复用权衡为毫米波系统设计提供了重要见解。

ABSTRACT

This paper is concerned with spatial multiplexing analysis for millimeter-wave (mmWave) massive MIMO systems. For a single-user mmWave system employing distributed antenna subarray architecture in which the transmitter and receiver consist of Kt and Kr subarrays, respectively, an asymptotic multiplexing gain formula is firstly derived when the numbers of antennas at subarrays go to infinity. Specifically, assuming that all subchannels have the same average number of propagation paths L, the formula implies that by employing such a distributed antenna-subarray architecture, an exact average maximum multiplexing gain of KrKtL can be achieved. This result means that compared to the co-located antenna architecture, using the distributed antenna-subarray architecture can scale up the maximum multiplexing gain proportionally to KrKt. In order to further reveal the relation between diversity gain and multiplexing gain, a simple characterization of the diversity-multiplexing tradeoff is also given. The multiplexing gain analysis is then extended to the multiuser scenario. Moreover, simulation results obtained with the hybrid analog/digital processing corroborate the analysis results.

研究动机与目标

• 分析使用分布式天线子阵列架构的毫米波大规模MIMO系统中的空间复用性能。
• 推导当子阵列天线数量趋于无穷大时，单用户与多用户场景下的渐近复用增益公式。
• 表征在所提架构下毫米波系统中的分集-复用权衡（DMT）。
• 将分析扩展至传统的部分连接射频结构，并通过仿真验证结果。
• 量化分布式子阵列相较于共址天线阵列在复用增益与分集增益方面的性能增益。

提出的方法

• 推导单用户毫米波系统在 $ K_t $ 发射与 $ K_r $ 接收子阵列下的渐近复用增益公式，假设子信道独立同分布，且每信道平均具有 $ \bar{L} $ 条路径。
• 利用大规模阵列渐近分析方法，表明最大复用增益与阵列几何结构无关，其增长速率与 $ K_rK_t\bar{L} $ 成正比。
• 应用分集-复用权衡（DMT）框架，表征分集增益与复用增益之间的联合权衡关系。
• 将分析扩展至采用混合模拟/数字波束成形的多用户下行链路与上行链路系统，将等效信道矩阵建模为射频与基带预编码/合并矩阵的乘积。
• 采用窄带平坦衰落信道模型，使用均匀线性阵列（ULAs），并假设每个用户均采用最优射频与基带波束成形器。
• 在给定分集增益约束下，推导出复用增益的闭式表达式，使用公式 $ G_m^{(i)} = \sum_{l=1}^{L_s^{(i)}} \left(1 - \frac{d^{(i)}}{L_s^{(i)} - l + 1}\right)^+ $ 表示每个用户的复用增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 当子阵列规模增大时，采用分布式天线子阵列架构的毫米波大规模MIMO系统的渐近空间复用增益是多少？
• RQ2 在复用增益扩展方面，分布式子阵列架构与共址天线阵列相比有何差异？
• RQ3 在分布式子阵列架构下，毫米波大规模MIMO系统的分集-复用权衡（DMT）特性如何？
• RQ4 所推导的复用增益表达式能否推广至采用混合预编码的多用户下行链路与上行链路场景？
• RQ5 在多用户毫米波系统中，给定分集增益约束下，可实现的复用增益是多少？

主要发现

• 对于具有 $ K_t $ 个发射子阵列与 $ K_r $ 个接收子阵列的单用户系统，其渐近最大空间复用增益为 $ K_rK_t\bar{L} $，其中 $ \bar{L} $ 为每子信道的平均传播路径数。
• 该结果表明，分布式子阵列可使最大复用增益按 $ K_rK_t $ 比例统计扩展，相较于共址阵列具有显著优势。
• 在多用户下行链路中，当分集增益为 $ d $ 时，总复用增益为 $ G_m = K_u \sum_{l=1}^{K_bL} \left(1 - \frac{d}{K_bL - l + 1}\right)^+ $，其中 $ K_b $ 为射频链路数量。
• 上行链路系统实现的复用增益表达式与下行链路相同，表明在相同条件下具有对称性能。
• 所推导的DMT表征揭示了分集增益与复用增益之间的直接权衡关系，为根据服务质量（QoS）需求进行系统设计权衡提供了依据。
• 采用混合模拟/数字处理的仿真结果与分析预测一致，验证了所推导复用增益公式的正确性。