[論文レビュー] Joint Inter-path and Intra-path Multiplexing for Terahertz Widely-spaced Multi-subarray Hybrid Beamforming Systems

Longfei Yan, Yuhang Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、周波数帯域が狭く、多重パスが少ない空間的スパarsityを持つTHzチャネルにおいて、従来の構造とは異なり、相互パス多重と内部パス多重を併用することで、従来の構造よりもk倍の多重化ゲインを達成する、広く間隔を空けたマルチサブアレイ（WSMS）ハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャを提案する。サブアレイ数、間隔、ビームフォーミング行列を閉形式解とドミナントLoS緩和アルゴリズムを用いて最適化することで、WSMSシステムは、既存のFCおよびAoSAアーキテクチャと比較して、スペクトル効率が189%向上、エネルギー効率が91%向上を達成した。

ABSTRACT

Terahertz (THz) communications with multi-GHz bandwidth are envisioned as a key technology for 6G systems. Ultra-massive (UM) MIMO with hybrid beamforming architectures are widely investigated to provide a high array gain to overcome the huge propagation loss. However, most of the existing hybrid beamforming architectures can only utilize the multiplexing offered by the multipath components, i.e., inter-path multiplexing, which is very limited due to the spatially sparse THz channel. In this paper, a widely-spaced multi-subarray (WSMS) hybrid beamforming architecture is proposed, which improves the multiplexing gain by exploiting a new type of intra-path multiplexing provided by the spherical-wave propagation among k widely-spaced subarrays, in addition to the inter-path multiplexing. The resulting multiplexing gain of WSMS architecture is k times of the existing architectures. To harness WSMS hybrid beamforming, a novel design problem is formulated by optimizing the number of subarrays, subarray spacing, and hybrid beamforming matrices to maximize the spectral efficiency, which is decomposed into two subproblems. An optimal closed-form solution is derived for the first hybrid beamforming subproblem, while a dominant-line-of-sight-relaxation algorithm is proposed for the second array configuration subproblem. Extensive simulation results demonstrate that the WSMS architecture and proposed algorithms substantially enhance the spectral efficiency and energy efficiency.

研究の動機と目的

• 空間的にスパarsityなチャネルに起因するTHzハイブリッドビームフォーミングにおけるスペクトル効率の低さを解決する。
• 従来の構造が相互パス多重のみを活用しているという制約を克服し、スパarsityなTHzチャネルでは顕著に制限される。
• 広く間隔を空けたサブアレイ間での球面波伝搬を活用し、新たな内部パス多重ゲインを導入する。
• サブアレイ数、間隔、ビームフォーミング行列を同時に最適化する共同設計問題を定式化し、スペクトル効率を最大化する。
• 実用的実装を目的として、低複雑度のアルゴリズム（閉形式解とドミナントLoS緩和アルゴリズム）を開発する。

提案手法

• サブアレイを半波長を超えて間隔を空けて配置することで、球面波伝搬と内部パス多重を可能にする、広く間隔を空けたマルチサブアレイ（WSMS）ハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャを提案する。
• サブアレイ数（k）、サブアレイ間隔（ds）、ハイブリッドビームフォーミング行列を同時に最適化するスペクトル効率最大化問題を定式化する。
• 問題を2つの部分問題に分解する：(1) チャネル構造を用いて導出された最適な閉形式解を用いたハイブリッドビームフォーミング最適化。
• THz帯域で一般的に見られる強いライン・オブ・サイト（LoS）成分を活用するドミナントLoS緩和（DLR）アルゴリズムにより、アレイ構成を最適化する。
• デバイス固有の電力値と送信機・受信機部の合計電力の合算を用いて、ハードウェアの電力消費をモデル化する。
• 対数スペクトル効率モデルと線形電力スケーリングを用いて、異なるアーキテクチャ間でのエネルギー効率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THzハイブリッドビームフォーミングにおいて、スパarsityな相互パス多重の制限を克服するために、内部パス多重を効果的に活用できるか？
• RQ2 広く間隔を空けたサブアレイ数（k）とその間隔（ds）が、THz WSMSシステムにおけるスペクトル効率にどのように同時に影響を与えるか？
• RQ3 球面波伝搬を伴うWSMSアーキテクチャ下で、スペクトル効率を最大化する最適なビームフォーミング設計は何か？
• RQ4 実用的導入を想定し、アレイ構成とビームフォーミングを同時に最適化できる低複雑度のアルゴリズムを開発できるか？
• RQ5 提案されたWSMSアーキテクチャは、既存のFCおよびAoSAハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャと比較して、スペクトル効率およびエネルギー効率でどのように差をつけるか？

主な発見

• WSMSアーキテクチャは、相互パス多重と内部パス多重を併用することで、サブアレイ数kに等しいk倍の多重化ゲインを達成する。
• 提案されたハイブリッドビームフォーミングの閉形式解は、従来の手法と比較して著しく低い計算複雑度で最適なスペクトル効率を達成する。
• アレイ構成設計に用いられるドミナントLoS緩和（DLR）アルゴリズムは、近似的に最適な性能を発揮しながらも、低複雑度を維持する。
• シミュレーション結果から、提案されたアルゴリズムを用いたWSMSシステムは、従来のFCおよびAoSAアーキテクチャと比較して、スペクトル効率が189%向上している。
• kとdsを最適化した結果、サブアレイ数k=2のベースラインWSMSシステムと比較して、スペクトル効率が96%向上している。
• エネルギー効率は、類似アーキテクチャと比較して91%向上しており、主にスペクトル効率の向上と効率的なハードウェア電力モデルによるものである。