[論文レビュー] Fully-/Partially-Connected Hybrid Beamforming Architectures for mmWave MU-MIMO

Xiaoshen Song, Thomas Kühne+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 39被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、mmWave多ユーザーMIMOシステムにおける完全接続型（FC）および1サブアレイごとに1ストリーム（OSPS）のハイブリッド beamforming アーキテクチャを調査し、ビームアライメントとプレコーディングを同時に最適化する。結果として、両アーキテクチャは類似した合計スペクトル効率を達成するが、OSPSはやや低い角度分解能のためビーム取得時間が長くなるものの、ハードウェアの複雑さと電力効率に優れる。

ABSTRACT

Hybrid digital analog (HDA) beamforming has attracted considerable attention in practical implementation of millimeter wave (mmWave) multiuser multiple-input multiple-output (MU-MIMO) systems due to the low power consumption with respect to its fully digital baseband counterpart. The implementation cost, performance, and power efficiency of HDA beamforming depends on the level of connectivity and reconfigurability of the analog beamforming network. In this paper, we investigate the performance of two typical architectures that can be regarded as extreme cases, namely, the fully-connected (FC) and the one-stream-per-subarray (OSPS) architectures. In the FC architecture each RF antenna port is connected to all antenna elements of the array, while in the OSPS architecture the RF antenna ports are connected to disjoint subarrays. We jointly consider the initial beam acquisition and data communication phases, such that the latter takes place by using the beam direction information obtained by the former. We use the state-of-the-art beam alignment (BA) scheme previously proposed by the authors and consider a family of MU-MIMO precoding schemes well adapted to the beam information extracted from the BA phase. We also evaluate the power efficiency of the two HDA architectures taking into account the power dissipation at different hardware components as well as the power backoff under typical power amplifier constraints. Numerical results show that the two architectures achieve similar sum spectral efficiency, while the OSPS architecture is advantageous with respect to the FC case in terms of hardware complexity and power efficiency, at the sole cost of a slightly longer BA time-to-acquisition due to its reduced beam angle resolution.

研究の動機と目的

• mmWave MU-MIMOシステムにおける完全接続型（FC）および1サブアレイごとに1ストリーム（OSPS）のハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャの性能トレードオフを評価すること。
• 初期ビーム取得からのビーム方向情報を利用し、ビームアライメントとデータプレコーディングを同時に最適化すること。
• 両アーキテクチャにおけるハードウェアの消費電力とパワー増幅器のバックオフをモデル化することで、電力効率を評価すること。
• 実用的なmmWaveシステムにおいてスペクトル効率、ハードウェアの複雑さ、およびエネルギー消費をバランスさせる最適なアーキテクチャを特定すること。

提案手法

• 初期ビームアライメントフェーズで得られるビーム方向情報を利用し、効率的なデータ通信を可能にする、ビームアライメント（BA）とプレコーディングの共同最適化フレームワークを提案する。
• 著者らが以前に開発した最先端のビームアライメント方式を用い、高い精度でビーム方向を推定する。
• BAフェーズで抽出されたビーム情報に適合したMU-MIMOプレコーディング方式を適用し、スペクトル効率を最大化する。
• RFチェーン、位相シフタ、パワー増幅器の消費電力をモデル化し、通常のPA制約下でのバックオフ効果も含める。
• 実際のハードウェア制約下で、スペクトル効率、ビーム取得時間、総合的電力効率を評価することで、FCおよびOSPSアーキテクチャを比較する。
• 数値シミュレーションを用いて、合計スペクトル効率や電力効率を含む主要指標の性能を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mmWave MU-MIMOシステムにおいて、完全接続型と1サブアレイごとに1ストリームのハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャは、合計スペクトル効率においてどのように比較されるか？
• RQ2 ビームアライメント時間は、異なる角度分解能を持つアーキテクチャにおいて、システム性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 FCおよびOSPSアーキテクチャの間でハードウェアの複雑さはどのように異なるのか？ また、その影響は電力効率にどのような影響を及えるか？
• RQ4 パワー増幅器のバックオフは、ハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャ全体のエネルギー効率にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 OSPSアーキテクチャは、FCと同等のスペクトル効率を達成しつつ、ハードウェアの複雑さと消費電力を著しく低減できるか？

主な発見

• 完全接続型および1サブアレイごとに1ストリームのアーキテクチャは、mmWave MU-MIMOシステムにおいて類似した合計スペクトル効率を達成する。
• OSPSアーキテクチャは、FCアーキテクチャに比べて優れた電力効率と低いハードウェア複雑さを示す。
• FCアーキテクチャは、より多くのRFチェーンと位相シフタを必要とし、消費電力とハードウェアコストが増加する。
• OSPSアーキテクチャは、角度分解能が低いためやや長いビーム取得時間を要する。
• パワー増幅器のバックオフは、特に高データレートの状況において、全体の電力効率に顕著な影響を与える。
• やや長いビーム取得時間であっても、OSPSアーキテクチャはスペクトル効率、ハードウェアコスト、エネルギー効率の間で良好なトレードオフを実現する。