[論文レビュー] A Brief Survey And Investigation Of Hybrid Beamforming For Millimeter Waves In 5G Massive MIMO Systems

Qazwan Abdullah, Adeb Salh+7 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2021

Millimeter-Wave Propagation and ModelingEngineering被引用数 18

ひとこと要約

本稿は、ミリ波（mmWave）周波数で動作する5G massive MIMOシステムにおける高い経路損失、透過損失、および高消費電力の問題を軽減するため、ハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャを提案する。アナログとデジタルビームフォーミングを組み合わせ、小セルに電力を分散することで、RFチェーンの数を削減し、スペクトル効率を向上させ、レイノルズ状態のフェージング環境下でのエネルギー効率を向上させる。この手法により、次世代mmWaveネットワークにおけるハイブリッドビームフォーミングが実用的であることが示された。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mm-wave) is a promising technique to enhance the network capacity and coverage of next-generation (5G) based on utilizing a great number of available spectrum resources in mobile communication. Improving the 5G network requires enhancing and employing mm-wave beamforming channel propagation characteristics. To achieve high data rates, system performance remains a challenge given the impact of propagation channels in mm-wave that is insufficient in both path loss, delay spread, and penetration loss. Additional challenges arise due to high cost and energy consumption, which require combining both analog and digital beamforming (hybrid beamforming) to reduce the number of radio frequency (RF) chains. In this paper, the distributed powers in the small cell to suppress path loss by specifying a considerable power and controlling the distributed power to reduce the high cost and energy consumption was proposed. The hybrid beamforming in mm-wave exploits a large bandwidth which reduces the large path loss in Rayleigh fading channel. Also, the trade-off between the energy consumption of RF chains and cost efficiency depends on reducing the number of RF chains and the distributed number of users. This paper finds that hybrid beamforming for massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems constitute a promising platform for advancing and capitalizing on 5G networks

研究の動機と目的

• mmWave 5G massive MIMOシステムにおける高い経路損失、透過損失、および高消費電力の問題に対処すること。
• 高いスペクトル効率とデータレートを維持しつつ、高価なRFチェーンの数を削減すること。
• ハイブリッドアーキテクチャでアナログとデジタルビームフォーミングを組み合わせることで、システム性能を向上させること。
• 小セルにおける分散型電力制御を活用し、経路損失の低減と運用コストの削減を図ること。
• mmWaveビームフォーミングシステムにおけるエネルギー効率とコスト効率のトレードオフを評価すること。

提案手法

• RFチェーン数の削減を目的とした、アナログとデジタルビームフォーミングを統合したハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャを提案する。
• 経路損失の低減とカバレッジの向上を図るため、小セルにわたる分散型電力割り当てを実装する。
• レイノルズ状態のフェージング環境下での経路損失を相殺するために、mmWave帯域で広帯域を活用する。
• エネルギー消費とシステム性能のバランスを取るために、ビームフォーミング設計を最適化する。
• mmWave massive MIMOシステムにおけるRFチェーン数、エネルギー効率、コストのトレードオフを分析する。
• 干渉を管理し、マルチユーザー環境下でのスペクトル効率を向上させるために、電力制御戦略を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドビームフォーミングは、mmWave massive MIMOシステムにおいて、高いスペクトル効率を維持しつつ、RFチェーン数をどのように削減できるか？
• RQ2 小セルにおける分散型電力制御は、5G mmWaveネットワークにおける経路損失低減にどのような影響を及えるか？
• RQ3 mmWave帯域において、完全デジタルまたはアナログビームフォーミングと比較して、ハイブリッドビームフォーミングはエネルギー効率をどのように向上させるか？
• RQ4 mmWaveビームフォーミングにおいて、RFチェーン数の削減、エネルギー消費、システム性能の間にはどのようなトレードオフが存在するか？
• RQ5 ハイブリッドビームフォーミングは、レイノルズ状態のフェージングが生じるmmWaveチャネル環境下で、データレートとカバレッジをどの程度向上できるか？

主な発見

• ハイブリッドビームフォーミングは、mmWave massive MIMOシステムにおけるRFチェーン数の削減に効果的であり、ハードウェアコストとエネルギー消費を低減する。
• 小セルにおける分散型電力制御は、mmWave帯域における経路損失の低減と信号カバレッジの向上に顕著な効果を示す。
• アナログとデジタルビームフォーミングの組み合わせにより、レイノルズ状態のフェージング環境下でもスペクトル効率が向上し、高データレート通信が可能になる。
• RFチェーン数の最小化によって性能を損なわせることなく、エネルギー効率とコスト効率の良好なトレードオフを達成する。
• スケーラビリティと効率性の観点から、ハイブリッドビームフォーミングは次世代5G mmWaveネットワークの発展を支える有望なプラットフォームであると特定された。
• 本システムは、mmWave伝搬環境下における透過損失や遅延スプレッドに対する耐性が向上していることが示された。