[論文レビュー] Common Codebook Millimeter Wave Beam Design: Designing Beams for Both Sounding and Communication with Uniform Planar Arrays

Jiho Song, Junil Choi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 29被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、均一平面アレイ（UPA）とハイブリッドビームフォーミングを用いたミリ波システムにおいて、共通のコードブック設計を提案し、チャネルサウンディングとデータ通信の両方に対して効率的なビームフォーミングを可能にする。理想的なビームパターンへの平均二乗誤差（MSE）を最小化する最適ビームフォーマーを導出し、回転対称性と位相シフト最適化を活用することで、最小限のオーバーヘッドで高いビームフォーミングゲインと信頼性を実現し、性能向上を達成する。

ABSTRACT

Fifth generation (5G) wireless networks are expected to utilize wide bandwidths available at millimeter wave (mmWave) frequencies for enhancing system throughput. However, the unfavorable channel conditions of mmWave links, e.g., higher path loss and attenuation due to atmospheric gases or water vapor, hinder reliable communications. To compensate for these severe losses, it is essential to have a multitude of antennas to generate sharp and strong beams for directional transmission. In this paper, we consider mmWave systems using uniform planar array (UPA) antennas, which effectively place more antennas on a two-dimensional grid. A hybrid beamforming setup is also considered to generate beams by combining a multitude of antennas using only a few radio frequency chains. We focus on designing a set of transmit beamformers generating beams adapted to the directional characteristics of mmWave links assuming a UPA and hybrid beamforming. We first define ideal beam patterns for UPA structures. Each beamformer is constructed to minimize the mean squared error from the corresponding ideal beam pattern. Simulation results verify that the proposed codebooks enhance beamforming reliability and data rate in mmWave systems.

研究の動機と目的

• 均一平面アレイ（UPA）を備えたミリ波システムにおいて、チャネルサウンディングとデータ送信の両方を満たす単一のコードブックを設計する課題に対処すること。
• 広いビーム（サウンディング用）と狭いビーム（高データレート通信用）という相反する設計要件を克服すること。
• コードブックサイズを小さく保ちつつビームフォーミング性能を維持することで、システムのオーバーヘッドを最小限に抑えること。
• アザイムスとエレベーションの両方向における3次元ビームフォーミングをサポートする、スケーラブルで階層的なコードブック設計を開発すること。
• 制限されたRFチェーンと位相シフターを備えたハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャと互換性を持つこと。

提案手法

• ミリ波チャネルの方向特性に基づき、UPA構造の理想的なビームパターンを定義する。
• 実際のビームパターンと理想的なビームパターンの間の平均二乗誤差（MSE）を最小化する問題として、ビームフォーマー設計を定式化する。
• 回転対称性と位相シフト関数を活用し、単一の最適な（1,1）番目のビームフォーマーから、すべてのビームの最適アナログビームフォーマーを導出する。
• 位相シフト行列を用いて、異なる角度方向のビームを生成し、コードブック全体にわたる一貫したビーム品質を確保する。
• 数学的変換とベクトル分解を適用し、すべてのビームが同一の最適ベースバンドビームフォーマーを持つことを証明する。
• シミュレーション結果を用いて、向上したビームフォーミングの信頼性とデータレートを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、UPAを備えたミリ波システムにおいて、チャネルサウンディングとデータ送信の両方を満たす共通のコードブックを設計できるか？
• RQ2 2次元アレイにおいて、サウンディングカバレッジと通信ビームフォーミングゲインのバランスを取るために、最適なビームパターン特性は何か？
• RQ3 制限されたRFチェーンを有するハイブリッドビームフォーミング制約下で、ビームフォーミング設計をどのようにスケーラブルかつ効率的に行えるか？
• RQ4 1つのビームに対する最適ビームフォーマーを、位相シフトによってコードブック内のすべての他のビームを導出可能か？
• RQ5 MSEを最小化するビームフォーマーが、すべての角度方向で一貫した性能を維持するための数学的性質は何か？

主な発見

• 提案されたコードブック設計は、位相シフト変換を用いて、単一の最適な（1,1）番目のビームフォーマーからすべてのビームを導出することで、最適なビームフォーミング性能を達成する。
• 本手法により、コードブック内のすべてのビームが同一のベースバンドビームフォーマーを共有するため、設計の複雑さとオーバーヘッドが顕著に低減される。
• シミュレーション結果により、提案された共通コードブックを用いたミリ波システムにおいて、ビームフォーミングの信頼性が向上し、データレートが改善されることが確認された。
• ビームパターンが理想的なパターンに非常に近づき、平均二乗誤差が最小化され、ビームフォーミングゲインが最大化されていることが示された。
• 本アプローチはスケーラブルであり、ハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャと互換性があり、アザイムスとエレベーションの両方向における3次元ビームフォーミングをサポートする。
• 理論的証明により、位相シフト変換の下で、すべてのビームの最適ビームフォーマーが同等であることが示され、本手法の対称性と効率性が裏付けられた。