[論文レビュー] A Modified Zero-Forcing Max-Power Design for Hybrid Beamforming Full-Duplex Systems

Elyes Balti, Neji Mensi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2020

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 11被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、定幅位相シフター制約下で自己干渉を排除しつつ性能損失を最小限に抑える、フルデュプレックス mmWave システム向けに修正されたゼロ・フォーリング最大出力電力ハイブリッドビームフォーミング設計を提案する。この手法は、デジタルプレフォーキングとアナログビームフォーミングを組み合わせることで、完全デジタルベンチマークと比較してほぼ最適なスペクトル効率を達成する。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) systems gained enormous attention because of the potential to double the spectral efficiency. In the context of 5G technology, FD systems operating at millimeter-wave (mmWave) frequencies become one of the most promising solutions to further increase the spectral efficiency and reduce the latency. However, such systems are vulnerable to the self-interference (SI) that significantly degrades the performance. To overcome this shortcoming, analog-only beamforming techniques have been developed to mitigate the SI. Because of the huge power consumption, systems operating at mmWave frequencies beamform the power by only tunning the phase shifters while maintaining constant amplitudes. Such a hardware constraint, known as the constant amplitude (CA) constraint, severely limits the system performance. In this work, we propose a digital and analog hybrid beamforming design that completely eliminates the SI while substantially minimizing the losses imposed by the CA constraint. Further, we develop a fully-digital beamforming design and derive the upper bound for the spectral efficiency as benchmarking tools to quantify the losses of our proposed hybrid design.

研究の動機と目的

• ミリ波フルデュプレックス システムにおける自己干渉の課題に取り組み、スペクトル効率とシステム性能に顕著な制限を及える要因を解消する。
• アナログビームフォーミングにおける定幅位相シフター制約が引き起こす性能劣化を克服する。この制約は、出力電力の適応を制限する。
• 自己干渉を完全に抑制しつつ、ハードウェア制約に起因するスペクトル効率の損失を最小限に抑えるハイブリッドデジタル・アナログビームフォーミング設計を開発する。
• 性能損失を評価するための上限として、完全デジタルビームフォーミング設計を確立する。
• 実用的ハイブリッドビームフォーミングシステムにおけるハードウェア複雑性とスペクトル効率のトレードオフを定量化するためのパフォーマンスベンチマークを提供する。

提案手法

• 自己干渉を受信機で完全に消去できるように、デジタルプレフォーカーとアナログコンビナーを共同で設計する修正されたゼロ・フォーリング最大出力電力ビームフォーミングアルゴリズムを提案する。
• 実際のハードウェア制限を反映させるために、位相シフターを固定振幅値に制限することで、アナログビームフォーマーに定幅制約を課す。
• ゼロ・フォーリング条件の下で受信信号電力を最大化するようにデジタルプレフォーカーを最適化し、自己干渉の完全なキャンセレーションを保証する。
• アナログビームフォーミング設計とデジタルプレフォーカーを統合し、自己干渉を完全に空間的にノルム化するとともに、アレイゲインを維持する。
• スペクトル効率の理論的上限として完全デジタルビームフォーミング解を導出する。これにより、性能比較が可能になる。
• 完全デジタル設計のスペクトル効率をベンチマークとして用い、ハイブリッドビームフォーミング手法の性能損失を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 定幅位相シフター制約下で、ハイブリッドビームフォーミングフルデュプレックス mmWave システムにおいて、自己干渉を完全に排除する方法は何か？
• RQ2 提案されたハイブリッドビームフォーミング設計の実現可能なスペクトル効率は、理論的上限と比較してどの程度か？
• RQ3 定幅制約は、mmWave フルデュプレックス システムの性能にどの程度悪影響を及えるか？
• RQ4 提案されたハイブリッドビームフォーミング設計は、完全デジタルビームフォーミングベンチマークと比較して、スペクトル効率でどの程度の差があるか？
• RQ5 提案手法は、実用的 mmWave システムにおけるハードウェア実装可能性を維持しつつ、ほぼ最適なスペクトル効率を達成できるか？

主な発見

• 提案されたハイブリッドビームフォーミング設計は、デジタルとアナログビームフォーミングの最適化を共同で行うことで、自己干渉を完全に排除する。
• システムは完全デジタルビームフォーミング設計が提供する上限に非常に近いスペクトル効率を達成しており、性能損失が最小限であることが示された。
• 定幅制約は性能を顕著に制限するが、提案手法は最適化されたビームフォーミング設計により、この損失を緩和する。
• 本手法は、位相シフターのみで構成される実用的ハードウェア制約を満たしつつ、高いスペクトル効率を維持する。
• 提案されたハイブリッド設計と完全デジタルベンチマークとの間の性能ギャップは定量的に小さく、本手法の有効性が裏付けられた。
• 提案された設計は、スペクトル効率の低下を最小限に抑えつつ、実用的かつ高性能な解決策を提供する。