[論文レビュー] Hybrid Analog and Digital Beamforming for mmWave OFDM Large-Scale Antenna Arrays

Foad Sohrabi, Wei Yu|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 23被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、大規模アンテナアレイを備えたmmWave OFDMシステムにおける統一的ヒューリスティックなハイブリッドアナログ・デジタル beamforming 設計を提案する。チャネルのスパarsityを活用し、サブキャリア全体にわたって共通のアナログ beamformer を使用しつつ、各サブキャリアに応じてデジタル beamformer を最適化することで、RFチェーン数を大幅に削減しながら、完全デジタル beamforming に近いスペクトル効率を達成する。特に完全接続型アーキテクチャにおいて顕著な性能向上を示し、単一ユーザーおよびマルチユーザー環境の両方で既存手法を上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Hybrid analog and digital beamforming is a promising candidate for large-scale mmWave MIMO systems because of its ability to significantly reduce the hardware complexity of the conventional fully-digital beamforming schemes while being capable of approaching the performance of fully-digital schemes. Most of the prior work on hybrid beamforming considers narrowband channels. However, broadband systems such as mmWave systems are frequency-selective. In broadband systems, it is desirable to design common analog beamformer for the entire band while employing different digital beamformers in different frequency sub-bands. This paper considers hybrid beamforming design for systems with OFDM modulation. First, for a SU-MIMO system where the hybrid beamforming architecture is employed at both transmitter and receiver, we show that hybrid beamforming with a small number of RF chains can asymptotically approach the performance of fully-digital beamforming for a sufficiently large number of transceiver antennas due to the sparse nature of the mmWave channels. For systems with a practical number of antennas, we then propose a unified heuristic design for two different hybrid beamforming structures, the fully-connected and the partially-connected structures, to maximize the overall spectral efficiency of a mmWave MIMO system. Numerical results are provided to show that the proposed algorithm outperforms the existing hybrid beamforming methods and for the fully-connected architecture the proposed algorithm can achieve spectral efficiency very close to that of the optimal fully-digital beamforming but with much fewer RF chains. Second, for the MU-MISO case, we propose a heuristic hybrid percoding design to maximize the weighted sum rate in the downlink and show numerically that the proposed algorithm with practical number of RF chains can already approach the performance of fully-digital beamforming.

研究の動機と目的

• mmWave MIMOシステムにおける完全デジタル beamforming の高コストなハードウェア複雑性に対処する。
• すべてのサブキャリアに共通のアナログ beamformer を有する、帯域広域で周波数選択性を持つmmWave OFDMシステムのためのハイブリッド beamforming を設計する。
• 実用的なRFチェーン数制約下で、単一ユーザー MIMO およびマルチユーザー MISO システムにおけるスペクトル効率を最大化する。
• 完全接続型および部分接続型ハイブリッド beamforming アーキテクチャの両方に適用可能な統一的ヒューリスティックアルゴリズムを開発する。
• ハイブリッド beamforming が、大幅に少ないRFチェーン数で完全デジタル性能に近い性能を達成できることを実証する。

提案手法

• mmWaveチャネルのスパースな散乱特性を活用し、大規模アンテナアレイではサブキャリア間で共分散行列がほぼ同一であることを示し、共通のアナログ beamformer の実現を可能にする。
• 完全接続型および部分接続型ハイブリッドアーキテクチャの両方の最適化を統合的に実行するための統一的ヒューリスティックアルゴリズムを提案する。
• サブキャリアごとのデジタル beamformer を用いて周波数選択性の強いチャネル応答に適応しつつ、共通のアナログ beamformer を維持する。
• マルチユーザー MISO の場合、下行リンクにおいて重み付き和スループットを最大化するためのヒューリスティックなハイブリッドプレフィッカーを設計する。
• スペクトル効率とハードウェア制約の両立を図るため、反復的最適化手法を適用し、実用的なRFチェーン数に焦点を当てる。
• 実際のパスロスモデルとユーザースケジューリングを用いたシステムレベルのシミュレーションにより、設計を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべてのOFDMサブキャリアに共通のアナログ beamformer を使用するハイブリッド beamforming は、mmWave MIMOシステムにおいて、完全デジタル beamforming の性能に漸近的に近づけるか？
• RQ2 完全接続型および部分接続型アーキテクチャの両方のハイブリッド beamforming を最適化するための統一的ヒューリスティックアルゴリズムをどのように設計できるか？
• RQ3 限定的な数のRFチェーンを有するハイブリッド beamforming が、帯域広域 mmWave システムにおいて、完全デジタル beamforming に近いスペクトル効率をどの程度達成できるか？
• RQ4 提案手法のハイブリッド beamforming は、マルチユーザー環境において、スペクトル効率および公平性の観点で既存手法を上回るか？
• RQ5 和スループット最適化されたアナログ beamformer を用いる場合、スペクトル効率とユーザー公平性の間にはどのようなトレードオフが生じるか？

主な発見

• 十分に大きなアンテナ数を有する場合、サブキャリア間でチャネル共分散行列の固有ベクトルがほぼ類似するため、ハイブリッド beamforming 設計は完全デジタル beamforming の性能に漸近的に近づく。
• 64本のアンテナと8本のRFチェーンを用いた場合、提案手法は8本のアンテナと8本のRFチェーンを有する完全デジタル beamforming よりも顕著に高いスペクトル効率を達成する。
• 16本のRFチェーンを用いた提案アルゴリズムは、64本のアンテナと64本のRFチェーンを有する完全デジタル WMMSE beamforming とほぼ同等のスペクトル効率を達成する。
• マルチユーザー環境では、8または16本のRFチェーンを用いた提案ハイブリッド beamforming は、完全デジタル WMMSE と同等の和スループットを達成するが、高レートユーザーにやや有利な公平性のトレードオフが生じる。
• 実測のCDF結果から、完全デジタル beamforming では下位40パーセンタイルのユーザーがより高いレートを達成するが、提案ハイブリッド設計では上位60パーセンタイルのユーザーが優れた性能を発揮しており、公平性のトレードオフが顕在化している。
• 提案ヒューリスティックアルゴリズムは、異なるシステム構成において、スペクトル効率およびロバストネスの両面で、既存のハイブリッド beamforming 手法を上回る性能を発揮する。