[论文解读] Statistical Properties and Variations of LOS MIMO Channels at Millimeter Wave Frequencies

Tim Hälsig, Darko Cvetkovski+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2018

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 4被引用 9

一句话总结

本文对60 GHz频段的视 Line-of-Sight (LOS) 毫米波 MIMO 信道进行了实测，分析了本振频率偏移和前端频率选择性引起的时变特性。研究结果表明，独立本振会导致 MIMO 信道各条目间出现显著且非均匀的相位变化——需对每条信道进行均衡处理；而前端损伤的影响超过多径效应，因此在系统设计中必须加以补偿。

ABSTRACT

Measurement results for millimeter wave LOS MIMO systems are presented with a focus on time variation and multipath propagation. Different system setups are used, including 2x2 and 3x3 MIMO, and involving different synchronization procedures and front-ends. Furthermore, different propagation scenarios are evaluated, covering a wide area of applications. The results show that the LOS component carries significantly more power than the NLOS components, and that frequency selectivity from front-ends should be taken into account when designing these high bandwidth systems. Frequency offsets and other phase variations due to transmit and receive oscillator differences are treated as part of the channel and thus, depending on the synchronization setup, the MIMO system exhibits different time variations, particularly in the case of independent local oscillators. It is also observed that these systems experience significant non-trivial long-term variations in terms of amplitude and phase.

研究动机与目标

• 表征由于本振频率偏移导致的LOS毫米波MIMO信道时变行为。
• 评估前端频率选择性对系统性能的影响，与多径传播进行对比。
• 评估不同同步配置（共享时钟与独立时钟）对信道矩阵时变特性的影响。
• 量化符号级与长期的幅度和相位变化，以支持稳健的系统设计。
• 为高带宽毫米波MIMO系统中自适应均衡与同步算法的设计提供基于实测的证据。

提出的方法

• 在室外、室内及电波暗室场景中开展了超过15次测量实验，采用2×2和3×3 MIMO配置。
• 使用两种不同的前端（FE1和FE2），其射频带宽、等效全向全向辐射功率（EIRP）、天线增益及相位噪声特性各不相同。
• 采用三种同步配置：所有前端共享参考时钟、仅发射端或仅接收端共享时钟，以及使用独立本振。
• 通过高时间分辨率的导频式信道估计算法，对时间域上的信道矩阵进行测量与估计。
• 通过计算连续符号之间的相位差，分析符号级相位变化。
• 将时变特性建模为非线性、非均匀的相位漂移，尤其在独立本振配置下表现显著。

实验结果

研究问题

• RQ1 本振频率偏移在LOS毫米波MIMO系统中如何影响信道矩阵的时变特性？
• RQ2 前端损伤（如相位噪声、带宽限制）在决定有效信道选择性方面，与多径传播相比占据多大程度的主导作用？
• RQ3 不同的同步策略（共享时钟与独立时钟）如何影响MIMO信道条目的时域行为？
• RQ4 符号级相位变化的统计分布是什么？其对均衡设计有何影响？
• RQ5 长期幅度与相位变化如何影响系统稳定性与接收机设计？

主要发现

• LOS分量的功率比NLOS分量至少高10 dB，证实了在60 GHz频段LOS信道的主导地位。
• 前端频率选择性对有效信道的影响占主导地位，超过多径传播的影响，必须加以补偿。
• 由独立本振引起的相位变化在信道矩阵各条目间显著更高且非均匀，无法采用公共相位补偿方法。
• 符号级相位变化的平均值为每符号1.3×10⁻⁵π，对应于1.25 GBd/s符号速率下8.13 kHz的平均频率偏移。
• 长期幅度变化可忽略不计，但相位变化复杂且随时间变化，尤其在独立时钟配置下更为明显。
• 系统变化发生在微秒量级，而符号周期在纳秒量级，支持采用缓慢自适应接收机。