[論文レビュー] Explore and Eliminate: Optimized Two-Stage Search for Millimeter-Wave Beam Alignment

Min Li, Chunshan Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ミリ波ビームアライメントのための最適化された二段階探索（OTSS）アルゴリズムを提案する。この手法は、訓練エネルギーを二段階に分割する。最初の段階は弱いビームペアを除外するための探索段階であり、二番目の段階は最良のビームペアを選択するための精錬段階である。OTSSは、理想的なビームを仮定する単一パスチャネルモデル下で、誤同期確率の減少率を最大化することにより、既存の手法に漸近的に優る性能を発揮する。

ABSTRACT

Swift and accurate alignment of transmitter (Tx) and receiver (Rx) beams is a fundamental design challenge to enable reliable outdoor millimeter-wave communications. In this paper, we propose a new Optimized Two-Stage Search (OTSS) algorithm for Tx-Rx beam alignment via spatial scanning. In contrast to one-shot exhaustive search, OTSS judiciously divides the training energy budget into two stages. In the first stage, OTSS explores and trains all candidate beam pairs and then eliminates a set of less favorable pairs learned from the received signal profile. In the second stage, OTSS takes an extra measurement for each of the survived pairs and combines with the previous measurement to determine the best one. For OTSS, we derive an upper bound on its misalignment probability, under a single-path channel model with training codebooks having an ideal beam pattern. We also characterize the decay rate function of the upper bound with respect to the training budget and further derive the optimal design parameters of OTSS that maximize the decay rate. OTSS is proved to asymptotically outperform state-of-the-art beam alignment algorithms, and is numerically shown to achieve better performance with limited training budget and practically synthesized beams.

研究の動機と目的

• 屋外のミリ波通信において、高いパスロスと遮断が性能を劣化させる中で、迅速かつ正確なビームアライメントを実現すること。
• 全探索および階層的探索手法の限界を克服すること。これらの手法は、訓練に多大なエネルギーを要するか、誤同期誤差の伝搬を引き起こす。
• 誤同期確率を最小化するための最適な訓練エネルギー割り当てを実現する二段階ビーム訓練戦略を設計すること。
• 単一パスチャネルモデル下で、誤同期確率の減少率を最大化する二段階探索の最適設計パラメータを導出すること。

提案手法

• OTSSは、全訓練エネルギー予算を二段階に分割する：探索段階と精錬段階。
• 最初の段階では、すべての候補ビームペアが訓練され、受信信号強度プロファイルに基づいて好ましくないペアが除外される。
• 二番目の段階では、生存したビームペアそれぞれに対して追加の測定が実施され、両段階からの測定結果を統合して最良のペアが選択される。
• この手法は、大偏差技術を用いて誤同期確率の上界を導出し、訓練エネルギーに対するその減少率を特徴づける。
• 減少率は、段階間のエネルギー割り当てと、除外後に保持されるビーム数を最適化することによって最大化される。
• 理論的分析では、単一パスチャネルと、既知のビームパターンを持つ理想的なビームコードブックを仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 探索段階と精錬段階の間で訓練エネルギーをどのように最適に割り当てれば、ビームアライメントの誤同期確率を最小化できるか？
• RQ2 理想的なビームコードブック下で、二段階ビーム訓練方式の誤同期確率の漸近的減少率は何か？
• RQ3 提案された二段階探索は、誤同期確率の減少率において、全探索および階層的探索を上回るか？
• RQ4 最大性能を得るために、最初の段階後に保持すべきビーム数の最適値は何か？
• RQ5 設計パラメータ（エネルギー割り当てとビーム数）が、誤同期確率の減少率にどのように影響するか？

主な発見

• OTSSは、誤同期確率の減少率において、全探索および階層的ビームアライメントアルゴリズムに漸近的に優る性能を発揮する。
• 誤同期確率の減少率を最大化するための最適なエネルギー割り当てが導出され、その最適割り当てはビーム数とシステムパラメータに依存する。
• 最初の段階後に保持すべき最適なビーム数は、およそ N - round(√N) である。ここで N は全ビーム数を表す。
• 誤同期確率の減少率は、I_p̄_miss = |γ|²FRWT / (2σ²(N - K*(N-K*-1)/(2(N-K*)))) で与えられ、最適な K* = N - round(√N) のときが最適である。
• 二段階目の誤同期確率の減少率は ξ₁⁽²⁾ / 4 であり、これは階層的探索のそれよりも高いことを示し、優れた性能を示している。
• 数値結果により、実用的で非理想的なビームパターン下でも、OTSSが最先端の手法を上回る性能を達成することが確認された。