[論文レビュー] Efficient Beam Alignment for mmWave Single-Carrier Systems with Hybrid MIMO Transceivers

Xiaoshen Song, Saeid Haghighatshoar+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 35被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、ハイブリッドデジタルアナログ（HDA）変復調器を備えたミリ波単一周波数帯MIMOシステムにおける時間領域ビームアライメント（BA）方式を提案する。非負の最小二乗法（NNLS）を活用して、スパarsなチャネル測定から最も強い到来方向/送信方向（AoA-AoD）ペアを効率的に推定する。本手法は高いドップラー拡散下でもロバストな性能を示し、アライメント後は周波数平坦でシングルタップのチャネルとなるため、時間領域のエイコライゼーションの必要がなくなる。

ABSTRACT

Communication at millimeter wave (mmWave) bands is expected to become a key ingredient of next generation (5G) wireless networks. Effective mmWave communications require fast and reliable methods for beamforming at both the User Equipment (UE) and the Base Station (BS) sides, in order to achieve a sufficiently large Signal-to-Noise Ratio (SNR) after beamforming. We refer to the problem of finding a pair of strongly coupled narrow beams at the transmitter and receiver as the Beam Alignment (BA) problem. In this paper, we propose an efficient BA scheme for single-carrier mmWave communications. In the proposed scheme, the BS periodically probes the channel in the downlink via a pre-specified pseudo-random beamforming codebook and pseudo-random spreading codes, letting each UE estimate the Angle-of-Arrival / Angle-of-Departure (AoA-AoD) pair of the multipath channel for which the energy transfer is maximum. We leverage the sparse nature of mmWave channels in the AoA-AoD domain to formulate the BA problem as the estimation of a sparse non-negative vector. Based on the recently developed Non-Negative Least Squares (NNLS) technique, we efficiently find the strongest AoA-AoD pair connecting each UE to the BS. We evaluate the performance of the proposed scheme under a realistic channel model, where the propagation channel consists of a few multipath scattering components each having different delays, AoAs-AoDs, and Doppler shifts.The channel model parameters are consistent with experimental channel measurements. Simulation results indicate that the proposed method is highly robust to fast channel variations caused by the large Doppler spread between the multipath components. Furthermore, we also show that after achieving BA the beamformed channel is essentially frequency-flat, such that single-carrier communication needs no equalization in the time domain.

研究の動機と目的

• 大きな全指向性パスロスに起因する高パスロスおよび低SNRの状況下で、ミリ波システムにおける迅速なビームアライメントを実現すること。
• 粗い同期が想定されるが、詳細なタイミングおよびドップラー補償が行われないミリ波ネットワークにおける効率的な初期アクセスを可能にすること。
• ミリ波チャネルのスパースな角度構造を活用して、トレーニングオーバーヘッドを低減し、アライメントのロバスト性を向上させること。
• ビームアライメント後、有効チャネルが周波数平坦となるように保証することにより、エイコライゼーションを不要にする単一周波数帯伝送を可能にすること。
• RFチェーン数が限られている大規模アレイアンテナを備えたハイブリッドMIMOアーキテクチャと互換性を持つ実用的なBA方式を開発すること。

提案手法

• 基地局は、擬似ランダムなビームフォーミングコードブックおよび擬似ランダムなスプリーディングコードを用いて、定期的にパイロット信号を送信する。
• ユーザー機器は、受信信号エネルギーを観測することで、最も強い多径成分に対応するAoA-AoDペアを推定する。
• ビームアライメント問題は、AoA-AoD空間におけるチャネルのスパarsityを活用して、角度ドメインにおけるスパースな非負のベクトル推定問題として定式化される。
• 最大チャネルゲインを持つ主要なAoA-AoDペアを効率的に特定するために、非負の最小二乗法（NNLS）が適用される。
• 現実的なミリ波伝搬をモデル化するために、ランダムゲインおよびドップラーシフトを含む2次チャネル統計が組み込まれる。
• 正常なアライメント後、有効チャネルはほぼ周波数平坦であり、主に1つのタップで構成されるため、標準的な同期を用いた単一周波数帯伝送が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドMIMOアーキテクチャを備えたミリ波単一周波数帯システムにおいて、低SNRおよび高いドップラー拡散下で、どのように効率的なビームアライメントを実現できるか。
• RQ2 ミリ波チャネルのスパースな角度構造を活用することで、トレーニングオーバーヘッドを低減し、アライメントのロバスト性を向上させられるか。
• RQ3 ビームアライメントにより、周波数選択的かつ時間変動するチャネルが、どの程度周波数平坦で準静的となるか。
• RQ4 ビームアライメント後の単一周波数帯伝送における実現可能なスペクトル効率はどの程度か。また、理論的上限にどの程度近いか。
• RQ5 本手法が、全探索と比較して、トレーニングオーバーヘッドおよびドップラー変動に対するロバスト性の面で優れているか。

主な発見

• 提案手法は、多径成分間の大きなドップラー拡散下でも、最小限のトレーニングオーバーヘッドでロバストな性能を達成する。
• ビームアライメント後、チャネルは実質的に周波数平坦となり、主に1つの主要な遅延タップで構成されるため、時間領域のエイコライゼーションが不要になる。
• 提案手法のエルゴディック実現可能レートは、低スルーレート前ビームフォーミングSNR（例：-30〜-20 dB）下でも理論的上限にわずかなギャップで近い。
• 標準的なタイミングおよび周波数同期を用いた単一周波数帯伝送は、ビームフォーミング後、低SNR領域でも高いスペクトル効率（1〜2 bit/s/Hz）を達成する。
• 2次統計およびNNLSに基づく推定を用いることで、高速なチャネル変動に対しても非常にロバストである。
• シミュレーション結果により、ビームフォームドチャネルが、確定的で高利得のシングルタップとして良好に近似されることを確認した。これにより、移動中の屋外環境でも効率的な通信が可能となる。