[论文解读] RF Lens-Embedded Antenna Array for mmWave MIMO: Design and Performance

Yae Jee Cho, Gee-Yong Suk+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 10被引用 6

一句话总结

本文提出了两种28 GHz的透镜嵌入式天线阵列原型——SULA（用于静态场景）和MULA（用于移动场景），通过用无源透镜替代有源移相器，实现低复杂度、高增益的毫米波MIMO波束成形。透镜聚焦能量，实现高增益和高方向性，降低硬件复杂度，同时提升波束切换的可行性，在室内环境中实现高达10 Gbps的平均吞吐量，室外场景峰值吞吐量达4 Gbps。

ABSTRACT

The requirement of high data-rate in the fifth generation wireless systems (5G) calls for the ultimate utilization of the wide bandwidth in the mmWave frequency band. Researchers seeking to compensate for mmWave's high path loss and to achieve both gain and directivity have proposed that mmWave multiple-input multiple-output (MIMO) systems make use of beamforming systems. Hybrid beamforming in mmWave demonstrates promising performance in achieving high gain and directivity by using phase shifters at the analog processing block. What remains a problem, however, is the actual implementation of mmWave beamforming systems; to fabricate such a system is costly and complex. With the aim of reducing such cost and complexity, this article presents actual prototypes of the lens antenna as an effective device to be used in the future 5G mmWave hybrid beamforming systems. Using a lens as a passive phase shifter enables beamforming without the heavy network of active phase shifters, while gain and directivity are achieved by the energy-focusing property of the lens. Proposed in this article are two types of lens antennas, one for static and the other for mobile usage. Their performance is evaluated using measurements and simulation data along with link-level analysis via a software defined radio (SDR) platform. Results show the promising potential of the lens antenna for its high gain and directivity, and its improved beam-switching feasibility compared to when a lens is not used. System-level evaluations reveal the significant throughput enhancement in both real indoor and outdoor environments. Moreover, the lens antenna's design issues are also discussed by evaluating different lens sizes.

研究动机与目标

• 解决传统毫米波混合波束成形系统中使用有源移相器带来的高硬件复杂度和高功耗问题。
• 通过利用无源射频透镜作为移相器，开发适用于5G毫米波系统的实用、低复杂度波束成形解决方案。
• 设计并制作两种类型的透镜-天线阵列——SULA用于静态应用，MULA用于移动应用，均针对28 GHz毫米波频段进行优化。
• 在真实室内和室外环境中评估系统级性能，以验证吞吐量增益和波束切换的可行性。
• 分析设计权衡，特别是透镜尺寸对增益、方向性和波束成形性能的影响。

提出的方法

• 设计两种透镜-天线原型：SULA（静态）和MULA（移动），采用集成有介质透镜的贴片天线阵列，实现无源波束成形。
• 利用透镜的折射特性，实现波束成形与波束赋形，无需有源移相器，从而降低功耗和硬件复杂度。
• 通过依次激活透镜-天线阵列上的不同馈电端口实现波束成形，利用端口切换实现波束扫描。
• 对制作的原型进行测量与仿真，表征不同透镜尺寸下的辐射图、增益和方向性。
• 利用软件定义无线电（SDR）平台和虚拟混合波束成形器，开展链路级与系统级评估，模拟多用户MIMO（MU-MIMO）场景。
• 建立真实传播环境模型（包括室内和室外），考虑遮挡物、墙体和移动性等因素，评估在真实条件下的SINR与吞吐量性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 无源射频透镜能否有效替代毫米波混合波束成形系统中的有源移相器，以降低复杂度和功耗？
• RQ2 与传统天线阵列相比，透镜的集成对波束方向性、增益和波束切换能力有何影响？
• RQ3 透镜尺寸对毫米波MIMO系统中增益、方向性和波束宽度等性能指标有何影响？
• RQ4 在真实室内和室外环境中，透镜嵌入式天线阵列在可实现吞吐量和干扰管理方面表现如何？
• RQ5 在使用透镜时，为最大化吞吐量增益，最优波束数量是多少？性能饱和点出现在何处？

主要发现

• 与无透镜的传统阵列相比，透镜嵌入式天线原型显著提升了增益和方向性，实现了更聚焦的波束并减少了干扰。
• 在室外多用户MIMO场景中，使用透镜使峰值吞吐量达到4 Gbps，优于相同发射功率下的‘无透镜’情况。
• 在室内环境中，透镜-天线系统实现了超过10 Gbps的平均吞吐量，表现出在丰富散射和易遮挡环境中的强大性能。
• 通过依次激活不同馈电端口成功演示了波束切换，证明了无需复杂移相器网络即可实现动态波束成形的可行性。
• 使用透镜带来的性能提升在中等波束数量（如8–64个波束）时最为显著，但在高波束数量时出现饱和，表明硬件成本与吞吐量增益之间存在权衡。
• 更大的透镜尺寸（如155 mm直径）带来了更高的增益和方向性，证实透镜尺寸是优化毫米波波束成形系统性能的关键设计参数。