[論文レビュー] Effect of Wideband Beam Squint on Codebook Design in Phased-Array Wireless Systems

Mingming Cai, Kang Gao+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 12被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、位相配列システムにおけるワイドバンドビームスクイントが有効ビーム幅を小さくし、全周波数および全角度で最小アレイゲインを維持するためにはコードブックをより密に配置する必要があることを分析している。ビームスクイントを考慮したコードブック設計アルゴリズムを提案し、73 GHz、2.5 GHz帯域幅、32アンテナアレイの場合、従来のビームスクイントを無視した設計と比較して54%多くのビームが必要であることを示している。

ABSTRACT

Analog beamforming with phased arrays is a promising technique for 5G wireless communication at millimeter wave frequencies. Using a discrete codebook consisting of multiple analog beams, each beam focuses on a certain range of angles of arrival or departure and corresponds to a set of fixed phase shifts across frequency due to practical hardware considerations. However, for sufficiently large bandwidth, the gain provided by the phased array is actually frequency dependent, which is an effect called beam squint, and this effect occurs even if the radiation pattern of the antenna elements is frequency independent. This paper examines the nature of beam squint for a uniform linear array (ULA) and analyzes its impact on codebook design as a function of the number of antennas and system bandwidth normalized by the carrier frequency. The criterion for codebook design is to guarantee that each beam's minimum gain for a range of angles and for all frequencies in the wideband system exceeds a target threshold, for example 3 dB below the array's maximum gain. Analysis and numerical examples suggest that a denser codebook is required to compensate for beam squint. For example, 54% more beams are needed compared to a codebook design that ignores beam squint for a ULA with 32 antennas operating at a carrier frequency of 73 GHz and bandwidth of 2.5 GHz. Furthermore, beam squint with this design criterion limits the bandwidth or the number of antennas of the array if the other one is fixed.

研究の動機と目的

• ミリ波周波数で動作するワイドバンド位相配列システムにおけるコードブック設計に及ぼすビームスクイントの影響を分析すること。
• ビームスクイントが有効ビーム幅をどのように縮小させ、カバー範囲のためのビーム数をどの程度増加させるかを定量化すること。
• すべてのサブキャリアおよびすべての角度で最小アレイゲインを保証する、体系的なコードブック設計アルゴリズムを開発すること。
• ビームスクイントを考慮した場合のシステム帯域幅およびアンテナ数の根本的限界を確立すること。
• 位相シフトャベースのビームフォーミングを用いた実用的ワイドバンドアナログビームフォーミングシステムの設計指針を提供すること。

提案手法

• 周波数依存のビームパターンおよび有効ビーム幅を、角度発射角（AoD）およびキャリア周波数の関数として導出することで、均一線形アレイ（ULA）におけるビームスクイントをモデル化する。
• ビーム方向を特徴付けるために、正規化されたビーム焦点角ψ₀を導入し、3 dBビーム幅Δψ₃dB(ψ₀)を用いてビームスクイントの影響を定量化する。
• すべてのサブキャリアおよびターゲット範囲内の全角度で最小アレイゲイン（例：ピークから3 dB以下）を保証するコードブック設計アルゴリズムを提案する。
• スラント方向を基準に、対称的なビーム配置戦略を採用し、奇数・偶数番号のコードブックに対して別々の手順を適用してサイズを最小化する。
• 最大許容可能な分率帯域幅bおよびアンテナ数Nの解析的境界を導出し、固定されたNに対してbが上限に達することを示す。
• 最小コードブックサイズ|C|_minがゲインおよび角度カバー範囲制約を満たすように、数値最適化フレームワークを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ワイドバンド位相配列システムにおけるビームスクイントは、個々のビームの有効ビーム幅およびカバー範囲にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ビームスクイントが存在する場合、すべてのサブキャリアおよび角度で所定のアレイゲイン（例：ピークから3 dB以下）を維持するために必要な最小コードブックサイズはどの程度か？
• RQ3 ビームスクイントの下で、システム帯域幅、キャリア周波数、アンテナ数に応じて必要なコードブックサイズはどのようにスケーリングされるか？
• RQ4 ビームスクイントをコードブック設計で補償しなければならない場合、システム帯域幅またはアンテナ数に及ぼされる根本的限界は何か？
• RQ5 複雑なハードウェア（真の時間遅延素子など）を必要とせずに、より密なコードブック設計がビームスクイントを効果的に緩和できるか？

主な発見

• 73 GHz、2.5 GHz帯域幅、32アンテナULAの場合、ビームスクイントを無視した設計と比較してコードブックサイズは54%増加する必要がある。
• 最小コードブックサイズは分率帯域幅bとともに著しく増加し、bはΔψ₃dB(ψₘ)/ψₘを超えると有効なコードブックが存在しなくなる。
• 分率帯域幅bが与えられた場合、アンテナ数Nは⌊1.772/(ψₘ b)⌋に上限があるため、この限界を超えてNを増加させるとビームスクイントの補償は不可能になる。
• 高い焦点角（例：90° AoA/AoD付近）のビームは、ビームスクイントによって有効ビーム幅が著しく縮小されるため、より密な配置が必要となる。
• コードブック設計アルゴリズムは、奇数・偶数番号のビーム構成を両方考慮しつつ、最小コードブックサイズを最小限に抑え、すべての周波数および角度で最小ゲインを保証した。
• ビームスクイントは、広帯域信号全体で固定された最小アレイゲインを維持する場合、実現可能なシステム帯域幅またはアンテナ数に根本的限界をもたらす。