[論文レビュー] Joint Delay-Phase Precoding Under True-Time Delay Constraints in Wideband Sub-THz Hybrid Massive MIMO Systems

Dang Qua Nguyen, Taejoon Kim|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2022

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、実用的なTTDハードウェア制約下でビームスクイント効果を軽減するため、広帯域サブTHz massive MIMOシステム向けに、結合型ハイブリッド真時間遅延（TTD）と位相シフトャ（PS）プレコーディング方式を提案する。無限大の時間遅延を仮定するのではなく、TTDとPSプレコーダーを共同最適化することで、近似的に理想のアレイゲイン性能を達成し、目標性能水準を達成するためのTTDの最小数を定量化する。これにより、従来手法に比べてスペクトル効率が顕著に向上する。

ABSTRACT

In wideband sub-Terahertz (sub-THz) massive multiple-input multiple-output (MIMO) communication systems, the beam squint effect manifests as a substantial degradation in array gain. To mitigate the aforementioned beam squint effect, a hybrid precoding approach leveraging both true-time delay (TTD) and phase shifters (PS) has been proposed. However, existing methods operate under the assumption that the TTD device can generate any desired time delay value. These methods subsequently design the TTD precoder while fixing the PS precoder. This work presents a novel optimization framework for the joint TTD and PS precoder design, incorporating realistic time delay constraints for each TTD device. Unlike previous methods, our framework does not rely on the unbounded time delay assumption and optimizes the TTD and PS values jointly to cope with the practical limitations. Furthermore, within the context of our proposed framework, we mathematically determine the minimum number of TTD devices necessitated to achieve a predetermined target array gain. Simulations confirm the proposed approach exhibits performance improvement, guarantees array gain, and achieves computational efficiency.

研究の動機と目的

• 広帯域サブTHz massive MIMOシステムにおけるビームスクイント効果が、サブキャリア間で深刻なアレイゲイン損失を引き起こす問題に対処する。
• 従来のTTDベースのプレコーディング手法が無限大の時間遅延値を仮定しているが、これは実際のハードウェアでは現実的でないという制限を克服する。
• 各デバイスの時間遅延制約下でTTDとPSプレコーダーの共同最適化フレームワークを構築し、スペクトル効率とハードウェア実装可能性を向上させる。
• 広帯域THzシステムにおいて、所定のアレイゲイン性能を達成するためのTTDの最小数を定量化する。
• 大規模システム限界における実現可能レート下限を最大化する最適プレコーダー設計の閉形式解を提供する。

提案手法

• TTDおよびPS制約下でのハイブリッドプレコーディングシステムの実現可能レートに対する下限を導出する。
• 各TTDの時間遅延制約下で、実現可能レート下限を最大化するTTDおよびPSプレコーダーの共同最適化問題を定式化する。
• ラグランジュ双対性およびカーシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を用いて、最適TTDおよびPSプレコーダー係数の閉形式解を導出する。
• 大規模システムにおける限界で、ビームスクイントを完全に補償する理想アナログプレコーダーと、実現可能レート下限を最大化するプレコーダーが等価であることを確立する。
• 各TTDデバイスの時間遅延の有限範囲をモデル化することでハードウェア制約を組み込み、従来の研究が仮定していた無限大遅延の仮定を避ける。
• 最適化問題の構造を活用し、閾値$\vartheta_{\text{max}}$に基づいて、制約なし遅延と飽和遅延の2つのケースに簡略化した解を得る。

(c)

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的な時間遅延制約下で、TTDとPSプレコーダーの共同最適化は、従来のTTDオンリーデザインを上回る性能を達成できるか？
• RQ2 広帯域THz massive MIMOシステムにおいて、所定のアレイゲイン性能を達成するために必要なTTDの最小数は何か？
• RQ3 大規模システム限界において、実現可能レート下限はビームスクイント補償能力とどのように関係しているか？
• RQ4 本手法は、無限大の時間遅延仮定を排除しつつも、近似的に理想のアレイゲインを達成できるか？
• RQ5 スペクトル効率およびハードウェア効率の観点から、本手法の結合TTD-PSプレコーディング方式は、従来のハイブリッドプレコーディング手法に比べてどのように差をつけるか？

主な発見

• 提案された結合TTD-PSプレコーディング方式は、厳密な時間遅延制約下でも、無限大のTTDを仮定する従来手法を上回る近似的に理想のアレイゲイン性能を達成する。
• 共同最適化により導出された最適プレコーダーは、大規模システム限界においてビームスクイントを完全に補償する理想アナログプレコーダーと等価である。
• 本手法は、所定のアレイゲイン性能を達成するためのTTD最小数を定量化し、PS数が増加するにつれて必要なTTD数が減少することを示している。
• シミュレーション結果により、アレイゲインおよびスペクトル効率において顕著な性能向上が確認され、限られたTTD数でも高い性能を維持している。
• KKT条件および行列逆行列を用いてプレコーダー係数の閉形式解が導出されており、反復的最適化を用いずに効率的な実装が可能である。
• 性能を維持しつつ必要なTTD数を最小化することで、完全なTTDアーキテクチャに比べてハードウェアコストおよび消費電力を削減する。

Figure 2: Comparison between beam squint compensation methods in the prior works [ 8 , 9 , 10 ] (left) and the proposed method in this work (right).