[論文レビュー] Matching in the Air: Optimal Analog Beamforming under Angular Spread

Jinfeng Du, Marcin Rybakowski+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2019

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 22被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、配列のビームパターンをチャネルの角度分散に一致させることで、mmWaveシステムにおける最適アナログビームフォーミングを提案する。アレイ幾何学の閉形式解を用いて、有効ビームフォーミング利得を最大化する。この手法により、わずか3回の電力測定からの低コストな角度分散推定によって、リアルタイムでのビームパターン適応が可能となり、現実的な3次元チャネル環境下で従来の固定配列と比較して顕著な利得向上が達成される。

ABSTRACT

Gbps wireless transmission over long distance at high frequency bands has great potential for 5G and beyond, as long as high beamforming gain could be delivered at affordable cost to combat the severe path loss. With limited number of RF chains, the effective beamwidth of a high gain antenna will be "widened" by channel angular spread, resulting in gain reduction. In this paper, we formulate the analog beamforming as a constrained optimization problem and present closed form solution that maximizes the effective beamforming gain. The optimal beam pattern of antenna array turns out to "match" the channel angular spread, and the effectiveness of the theoretical results has been verified by numerical evaluation via exhaustive search and system level simulation using 3D channel models. Furthermore, we propose an efficient angular spread estimation method using as few as three power measurements and validate its accuracy by lab measurements using a $16{ imes}16$ phased array at 28 GHz. The capability of estimating angular spread and matching the beam pattern on the fly enables high effective gain using low cost analog/hybrid beamforming implementation, and we demonstrate a few examples where substantial gain can be achieved through array geometry optimization.

研究の動機と目的

• ミリ波システムにおけるRFチェーン数の制限とチャネルの角度分散によるビームゲイン低下という重要な問題に対処すること。
• 有効ビームフォーミング利得を最大化する制約付き最適化問題としてアナログビームフォーミングを定式化すること。
• 水平方向および垂直方向のチャネルの角度分散に一致させる最適アレイ幾何学の閉形式解を導出すること。
• わずか3回の電力測定のみを用いて角度分散を推定する低複雑性手法を開発すること。
• 3GPP準拠の3次元チャネルモデルと28 GHzでのラボ測定を用いたシステムレベルのシミュレーションにより、理論的利得を検証すること。

提案手法

• アレイサイズ、要素ビーム幅、および水平方向・垂直方向のチャネル角度分散を関数として有効ビームフォーミング利得を定式化する。
• AM-GM不等式を用いて、ビーム幅と角度分散のバランスを最適化することで、利得を最大化する最適アレイ寸法（K₁, K₂）の閉形式解を導出する。
• 水平方向および垂直方向のRMS角度分散を推定する3電力測定ベースの手法を導入し、リアルタイムでのビーム適応を可能にする。
• リアルな伝搬条件下での性能評価のため、システムレベルのシミュレーションに3GPP準拠の3次元チャネルモデルを用いる。
• 28 GHzで16×16フェーズドアレイを用いたラボ測定により、角度分散推定の精度を検証する。
• 完全なCSIと最大比合成を仮定したもとで、各RFチェーンのサブパネル幾何学を最適化することにより、ハイブリッドビームフォーミングへの拡張を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制限されたRFチェーン数とチャネルの角度分散の制約下で、どのようにすればアナログビームフォーミング利得を最大化できるか？
• RQ2 水平方向および垂直方向のチャネルの角度分散に一致させる最適アレイ幾何学（K₁およびK₂の観点）は何か？ これにより最大有効利得が達成される。
• RQ3 わずか3回の電力測定を用いて、リアルタイムで角度分散を正確に推定できるか？
• RQ4 展開環境に応じた角度分散に基づくアレイ幾何学最適化によって、どの程度の性能向上が達成可能か？
• RQ5 現実のミリ波伝搬環境下で、本手法は従来の固定アレイビームフォーミングと比較してどの程度優れているか？

主な発見

• 最適アレイ幾何学は、理論的上限としての有効ビームフォーミング利得を達成する。その上限は 2 / (σ_h σ_v + (B_ve B_he)/N) として導出され、K₁/K₂ = (σ_h B_ve)/(σ_v B_he) のとき等号が成立する。
• システムレベルのシミュレーションにより、特に非対称な角度分散（例：高い垂直方向分散、低い水平方向分散）を示す状況下で、従来の正方形アレイと比較して顕著な利得向上が確認された。
• 3電力測定ベースの角度分散推定手法は、28 GHzの16×16フェーズドアレイを用いたラボ測定により高い精度を示した。
• 実際のNLOS測定では、名目上の14.5 dBi利得に対して4.5 dBの利得低下が観測され、角度分散の実用的影響が明確に示された。
• 本手法により、リンクごとの動的ビームパターン適応が可能となり、ハイブリッドおよびアナログビームフォーミングシステムにおける有効利得の顕著な向上が達成された。
• RMS角度分散に基づくアレイ幾何学最適化は、展開状況に応じて3～7 dBの実測可能な性能向上をもたらす可能性を有する。