[論文レビュー] Energy-efficient Dynamic-subarray with Fixed True-time-delay Design for Terahertz Wideband Hybrid Beamforming

Longfei Yan, Chong Han+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2022

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、超広帯域で大規模な太赫茲MIMOシステムにおいて深刻なビームスクイント問題を解消するため、エネルギー効率の高い動的サブアレイ固定真遅延（DS-FTTD）アーキテクチャを提案する。このアーキテクチャは、低複雑性の固定真遅延とロウ・デコムポジション（RD）アルゴリズムを用いることで、既存のアーキテクチャに比べて近似的最適なアレイ指向性利得を達成し、さらに高いエネルギー効率を実現する。また、不完全なチャネル状態情報（CSI）下でも、スペクトル効率が安定している。

ABSTRACT

Hybrid beamforming for Terahertz (THz) ultra-massive multiple-input multiple-output (UM-MIMO) systems is a promising technology for 6G space-air-ground integrated networks, which can overcome huge propagation loss and offer unprecedented data rates. With ultra-wide bandwidth and ultra-large-scale antennas array in THz band, the beam squint becomes one of the critical problems which could reduce the array gain and degrade the data rate substantially. However, the traditional phase-shifters-based hybrid beamforming architectures cannot tackle this issue due to the frequency-flat property of the phase shifters. In this paper, to combat the beam squint while keeping high energy efficiency, a novel dynamic-subarray with fixed true-time-delay (DS-FTTD) architecture is proposed. Compared to the existing studies which use the complicated adjustable TTDs, the DS-FTTD architecture has lower power consumption and hardware complexity, thanks to the low-cost FTTDs. Furthermore, a low-complexity row-decomposition (RD) algorithm is proposed to design hybrid beamforming matrices for the DS-FTTD architecture. Extensive simulation results show that, by using the RD algorithm, the DS-FTTD architecture achieves near-optimal array gain and significantly higher energy efficiency than the existing architectures. Moreover, the spectral efficiency of DS-FTTD architecture with the RD algorithm is robust to the imperfect channel state information.

研究の動機と目的

• 周波数に比例するビームフォーミングベクトルと周波数平坦な位相シフト器によって引き起こされる、超広帯域・大規模太赫茲MIMOシステムにおける深刻なビームスクイント効果に対処する。
• 太赫茲周波数帯で、従来の位相シフト器ベースのハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャが示すアレイ指向性利得の損失とエネルギー効率の低さという制限を克服する。
• 不完全なチャネル状態情報下でも高いスペクトル効率とロバスト性を維持できる、低消費電力・低複雑性のハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャを設計する。
• DS-FTTDアーキテクチャに特化した効率的なビームフォーミングアルゴリズムを開発し、最小限の計算オーバーヘッドで近似的最適な性能を達成する。
• 固定真遅延（FTTD）が、調整可能なTTDと比較して大幅にハードウェア複雑性と消費電力を低減する一方で、ビームスクイントを効果的に緩和できることを実証する。

提案手法

• 複雑な調整可能な真遅延（TTD）ユニットを低コストで固定されたTTDに置き換えることで、消費電力とハードウェア複雑性を低減する、新規の動的サブアレイ固定真遅延（DS-FTTD）アーキテクチャを提案する。
• 非凸で混合整数のハイブリッドビームフォーミング設計問題をランクベースのユークリッド距離最小化問題に変換する、低複雑性のロウ・デコムポジション（RD）アルゴリズムを導入する。
• スペクトル効率最大化問題をランク制約付き最適化として定式化し、その後RDアルゴリズムを用いて反復的に緩和・解釈することで、近似的最適なデジタルおよびアナログビームフォーミング行列を取得する。
• 元の問題（12）を、所望のと実際のビームフォーミングベクトル間のユークリッド距離の最小化問題（13）に変換することで、計算を効率的に行えるようにする。
• 推定チャネル行列が真のチャネルと複素ガウスノイズ行列のスケーリング合成で表される確率的誤差モデルを用いて、不完全なCSIをモデル化する（24）。
• CSI精度（ξ）を変化させた条件下で性能を評価し、さまざまな帯域幅と送信電力におけるスペクトル効率を主な性能指標として用いてロバストネスを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模なアンテナアレイを備えた超広帯域太赫茲ハイブリッドビームフォーミングシステムにおいて、固定真遅延（FTTD）アーキテクチャがビームスクイントを効果的に緩和できるか。
• RQ2 従来の完全接続型TTDや位相シフト器ベースの設計と比較して、提案されたDS-FTTDアーキテクチャはエネルギー効率とスペクトル効率においてどのように優れているか。
• RQ3 ロウ・デコムポジション（RD）アルゴリズムは、低計算複雑性を維持しつつ、どの程度近似的最適なアレイ指向性利得を達成できるか。
• RQ4 実用的な太赫茲通信環境における不完全なチャネル状態情報（CSI）に対して、DS-FTTDアーキテクチャとRDアルゴリズムの組み合わせはどの程度ロバストか。
• RQ5 送信電力とアンテナ数を変化させた場合、DS-FTTDアーキテクチャのエネルギー効率にどのような影響が生じるか。

主な発見

• RDアルゴリズムを組み合わせたDS-FTTDアーキテクチャは、すべての周波数帯で近似的最適なアレイ指向性利得を達成し、位相シフト器ベースのアーキテクチャに比べて、アレイ指向性利得とスペクトル効率の両面で顕著に優れている。
• DS-FTTDアーキテクチャのエネルギー効率は、既存のアーキテクチャに比べて顕著に高く、特に複雑な調整可能なTTDではなく低消費電力の固定TTDを採用していることがその要因である。
• DS-FTTDアーキテクチャのスペクトル効率は帯域が広がってもゆっくりと低下する傾向を示しており、ビームスクイントが効果的に抑制されていることを示している。これに対して、位相シフト器ベースのアーキテクチャでは急速に性能が劣化する。
• RDアルゴリズムは約8イタレーションで収束を示し、高速な収束性と非凸ビームフォーミング問題を解けるランク問題に効果的に変換できることを示している。
• 不完全なCSI（ξ = 0.6、中程度の誤差）下でも、DS-FTTDアーキテクチャは完全なCSI（ξ = 1）時と比較して82％のスペクトル効率を維持しており、強いロバストネスを示している。
• DS-FTTDアーキテクチャは、大規模な分率帯域幅と大規模アンテナアレイ（例：1024要素）でも高いスペクトル効率を維持しており、6Gの空間・空域・地上統合ネットワークに適した設計であることが確認された。