[论文解读] Reflect- and Transmit-Array Antennas for Scalable and Energy-Efficient mmWave Massive MIMO.

Vahid Jamali, Antonia M. Tulino+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2019

Antenna Design and Analysis被引用 5

一句话总结

本文提出反射阵列（RA）和透射阵列（TA）天线作为传统混合式与全数字毫米波大规模MIMO架构的可扩展、高能效替代方案。通过利用无源可重构天线并利用毫米波信道的稀疏性，作者设计了专门的预编码器以最大化互信息，并通过正交匹配追踪（OMP）近似数字预编码，证明其在可扩展性和能效方面优于传统方法。

ABSTRACT

Hybrid analog-digital architectures are promising candidates for implementing millimeter wave (mmWave) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems since they enable a considerable reduction of the required number of costly radio frequency (RF) chains by moving some of the signal processing operations into the analog domain. Nevertheless, the analog feed network, comprising RF dividers, combiners, phase shifters, and line connections, of hybrid MIMO architectures is not scalable due to its prohibitively high power consumption for large numbers of transmit antennas. In this paper, we study novel massive MIMO architectures, namely reflect-array (RA) and transmit-array (TA) antennas, which consist of few active antennas (i.e., RF chains) and large numbers of passive antennas. We show that the constraints that the precoders for RA and TA antennas have to meet, differ from those of conventional MIMO architectures. Taking these constraints into account and exploiting the sparsity of mmWave channels, we design two efficient precoders for RA and TA antennas; one based on maximizing the mutual information and one based on approximating the optimal unconstrained digital precoder via the orthogonal matching pursuit algorithm. Furthermore, in order to fairly compare the performance of RA and TA antennas against conventional fully-digital and hybrid MIMO architectures, we develop a unified power consumption model. Our simulation results show that unlike conventional MIMO architectures, RA and TA antennas are highly energy efficient and fully scalable in terms of the number of transmit antennas. Therefore, RA and TA antennas are candidates for realizing the potential of extit{massive} MIMO in practice.

研究动机与目标

• 解决传统混合式模拟-数字毫米波大规模MIMO架构因复杂模拟馈电网络导致的可扩展性差与高功耗问题。
• 通过引入仅含少量有源组件的无源阵列架构，克服大规模毫米波系统中模拟波束成形网络的低效问题。
• 设计针对RA与TA天线独特相位与幅度约束的高效预编码策略。
• 建立统一的功耗模型，以公平比较RA与TA天线与全数字及混合式MIMO架构的性能。
• 证明RA与TA天线可实现可扩展、低功耗的大规模MIMO系统，适用于毫米波频段的实际部署。

提出的方法

• 提出由少量有源射频链和大量无源可重构单元组成的反射阵列（RA）与透射阵列（TA）架构。
• 在RA与TA结构的物理约束下制定预编码器设计，包括仅相位控制或幅度-相位控制以及固定的阵列因子图样。
• 设计一种最大化互信息的预编码器，以适应无源阵列的自由度减少与信号传播特性。
• 开发基于正交匹配追踪（OMP）的算法，利用RA与TA系统中有限的自由度，近似最优无约束数字预编码器。
• 提出统一的功耗模型，涵盖射频链、移相器与无源单元损耗，实现不同架构间的公平性能比较。
• 利用毫米波信道的稀疏性，降低所提预编码方案的计算复杂度并提升频谱效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统混合式及全数字架构相比，反射阵列与透射阵列天线是否能在大规模毫米波MIMO系统中实现可扩展且高能效的运行？
• RQ2 RA与TA天线独特的硬件约束如何影响毫米波大规模MIMO中有效预编码器的设计？
• RQ3 互信息最大化与基于OMP的近似方法在多大程度上可使RA与TA系统的性能接近数字预编码？
• RQ4 在不同天线数量下，RA与TA架构的相对能效如何？与混合式及数字MIMO架构相比，其可扩展性如何？
• RQ5 如何通过统一的功耗模型公平比较RA、TA、混合式与全数字MIMO架构的能效？

主要发现

• 由于其有源组件极少且具备无源可重构性，RA与TA天线在能效方面显著优于传统混合式与全数字MIMO架构。
• 所提出的互信息最大化预编码器有效利用了毫米波信道的稀疏特性，在RA与TA约束下实现了高谱效率。
• 基于OMP的预编码器在尊重无源阵列相位与幅度限制的前提下，成功近似了无约束数字预编码的性能。
• 仿真结果证实，RA与TA架构能随着天线数量高效扩展，在大规模阵列下仍保持低功耗。
• 统一功耗模型表明，RA与TA天线在能效方面优于混合式架构，尤其在天线数量增加时优势更明显。
• RA与TA天线因其可扩展性与低功耗特性，被证明是毫米波大规模MIMO系统实际部署的可行候选方案。