[论文解读] Optimizing the LO Distribution Architecture of mm-Wave Massive MIMO Receivers

Greg LaCaille, Antonio Puglielli+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2019

Microwave Engineering and Waveguides被引用 6

一句话总结

本文通过分析集中式与分布式本振（LO）生成、相位噪声相关性与非相关性，以及PLL/载波恢复环路带宽之间的权衡，优化了毫米波大规模MIMO接收机的本振分配架构。提出一种混合架构，使用单个中频参考信号锁定至多个子阵列，实现了在75 GHz频段、2 GHz带宽下支持64-QAM调制的16流空间复用，从而实现高谱效率与高能效。

ABSTRACT

Wireless networks at millimeter wavelengths have significant implementation difficulties. The path loss at these frequencies naturally leads us to consider antenna arrays with many elements. In these arrays, local oscillator (LO) generation is particularly challenging since the LO specifications affect the system architecture, signal processing design, and circuit implementation. We thoroughly analyze the effect of LO architecture design choices on the performance of a mm-wave massive MIMO uplink. This investigation focuses on the tradeoffs involved in centralized and distributed LO generation, correlated and uncorrelated phase noise sources, and the bandwidths of PLLs and carrier recovery loops. We show that, from both a performance and implementation complexity standpoint, the optimal LO architecture uses several distributed subarrays locked to a single intermediate-frequency reference in the low GHz range. Additionally, we show that the choice of PLL and carrier recovery loop bandwidths strongly affects the performance; for typical system parameters, loop bandwidths on the order of tens of MHz achieve SINRs suitable for high-order constellations. Finally, we present system simulations incorporating a complete model of the LO generation system and consider the case of a 128-element array with 16x-spatial multiplexing and a 2 GHz channel bandwidth at 75 GHz carrier. Using our optimization procedure we show that the system can support 16-way spatial multiplexing with 64-QAM modulation.

研究动机与目标

• 为解决毫米波大规模MIMO系统中本振分配的关键挑战，其中本振质量直接影响波束成形、载波恢复与系统性能。
• 识别大规模毫米波阵列中本振架构复杂度、相位噪声相关性与功耗之间的最优权衡。
• 通过协同设计系统架构、信号处理与电路级本振生成，实现高谱效率与多用户空间复用。
• 提供支持高阶星座图（如64-QAM与256-QAM）的PLL带宽与载波恢复环路参数设计指南。

提出的方法

• 分析集中式与分布式本振生成在大规模MIMO上行链路场景中对相位噪声相关性与系统性能的影响。
• 建立完整的本振生成系统模型，包括压控振荡器（VCO）相位噪声、PLL动态特性、电源分配损耗与驱动器效率。
• 推导出考虑H树拓扑中布线损耗与功分器损耗的本振分配功耗模型，参数化为每个PLL连接的射频收发器数量。
• 利用系统级仿真，基于128元阵列、2 GHz带宽与75 GHz载波，评估不同本振架构下的SINR与谱效率。
• 优化PLL与载波恢复环路带宽以最小化相位噪声影响，结果表明数十MHz带宽为最优。
• 评估非相关相位噪声引起的干扰，包括单用户场景下的自干扰与多用户场景下的迫零误差，并提出通过子阵列间共享PLL实现抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在性能与功耗效率方面，毫米波大规模MIMO系统中本振分配架构的最优选择是集中式还是分布式？
• RQ2 PLL与载波恢复环路带宽如何影响系统性能，特别是在实现64-QAM等高阶调制时？
• RQ3 在大规模多用户MIMO系统中，非相关相位噪声对系统性能的劣化程度如何？如何有效缓解？
• RQ4 本振分配网络中的布线损耗与功分器损耗如何随阵列尺寸与每个PLL连接的射频数量而变化？
• RQ5 结合中心中频-PLL与子阵列级频率倍频的混合本振架构，能否同时实现高谱效率与低功耗？

主要发现

• 最优本振架构采用单个中频参考信号锁定至多个分布式子阵列，有效降低相位噪声相关性与功耗。
• PLL与载波恢复环路带宽在数十MHz量级时最优，可实现支持64-QAM调制的SINR水平。
• 系统仿真结果证实，在75 GHz频段、2 GHz带宽下，16流空间复用与64-QAM调制可实现，支持高谱效率。
• 在多用户场景中，通过子阵列元素共享PLL，可有效抑制非相关相位噪声引起的迫零误差。
• 256-QAM的误码率可低于5×10⁻⁴，但需进一步降低功率放大器非线性与IQ不平衡等非理想因素的影响，超越当前最先进水平。
• 本振分配功耗模型表明，布线与功分器损耗主导功耗，最优性能在N（每个PLL连接的射频数量）取值适中时实现，以最小化总开销。