[論文レビュー] Terahertz-Band Joint Ultra-Massive MIMO Radar-Communications: Model-Based and Model-Free Hybrid Beamforming

Ahmet M. Elbir, Kumar Vijay Mishra+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 80被引用数 169

ひとこと要約

本稿は、グループ・オブ・サブアレイ（GoSA）アーキテクチャを備えた超大規模MIMOシステムを用いた太赫茲帯の共同レーダ・通信におけるハイブリッドビームフォーミングフレームワークを提案する。モデルベースおよびモデルフリーのディープラーニング技術を導入することで、ハードウェアの複雑さと計算時間の低減を図り、位相補正によるビームスプリットの緩和を実現し、従来手法と比較して500倍速い計算時間で高いスペクトル効率と耐障害性の高いレーダビームパターンを達成した。

ABSTRACT

Wireless communications and sensing at terahertz (THz) band are increasingly investigated as promising short-range technologies because of the availability of high operational bandwidth at THz. In order to address the extremely high attenuation at THz, ultra-massive multiple-input multiple-output (MIMO) antenna systems have been proposed for THz communications to compensate propagation losses. However, the cost and power associated with fully digital beamformers of these huge antenna arrays are prohibitive. In this paper, we develop wideband hybrid beamformers based on both model-based and model-free techniques for a new group-of-subarrays (GoSA) ultra-massive MIMO structure in low-THz band. Further, driven by the recent developments to save the spectrum, we propose beamformers for a joint ultra-massive MIMO radar-communications system, wherein the base station serves multi-antenna user equipment (RX), and tracks radar targets by generating multiple beams toward both RX and the targets. We formulate the GoSA beamformer design as an optimization problem to provide a trade-off between the unconstrained communications beamformers and the desired radar beamformers. To mitigate the beam split effect at THz band arising from frequency-independent analog beamformers, we propose a phase correction technique to align the beams of multiple subcarriers toward a single physical direction. To further decrease the ultra-massive MIMO computational complexity and enhance robustness, we also implement deep learning solutions to the proposed model-based hybrid beamformers. Numerical experiments demonstrate that both techniques outperform the conventional approaches in terms of spectral efficiency and radar beampatterns, as well as exhibiting less hardware cost and computation time.

研究の動機と目的

• 共同レーダ・コミュニケーション用途における太赫茲帯超大規模MIMOシステムの高い経路損失とハードウェアコストを解消する。
• 低太赫茲帯におけるスペクトル効率とハードウェア複雑さのバランスを取るハイブリッドビームフォーミング技術を開発する。
• 広帯域THzシステムにおける周波数に依存しないアナログビームフォーマーが引き起こすビームスプリットを緩和する。
• 2次チャネル統計を活用することでチャネルフィードバックのオーバーヘッドを低減する。
• 超大規模MIMOシステムにおける低複雑さ・高性能なビームフォーミングを実現するため、ディープラーニングを用いる。

提案手法

• 完全接続型アレイと比較して位相シフトャ数とハードウェアコストを低減できるGoSA超大規模MIMO構造を提案する。
• 通信性能とレーダ性能のトレードオフを考慮した最適化問題としてハイブリッドビームフォーミングを定式化する。
• 中心周波数fcを用いてアナログビームフォーマーの位相を調整することで、サブキャリア間のビームを整合させる位相補正技術を実装する。
• チャネル状態情報（CSI）とチャネル共分散行列を用いて、フィードバックオーバーヘッドを低減したモデルベースビームフォーマーを設計する。
• 大規模データセットを用いたディープラーニングによるモデルフリーのビームフォーミングを適用し、並列GPU処理で最適ビームフォーマーを近似する。
• コストの高い位相シフトャ再構成を回避するため、ビームスプリット補正をベースバンドビームフォーマーに統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共同レーダ・コミュニケーションシステムにおける超大規模MIMOのハイブリッドビームフォーミングは、どのように設計すればスペクトル効率とハードウェアコストのバランスを取れるか？
• RQ2 周波数に依存しないアナログビームフォーマーが広帯域THzシステムにおけるビームアライメントに与える影響は何か？ また、ビームスプリットはどのように是正できるか？
• RQ3 モデルフリーのディープラーニングベースのビームフォーミングは、CSIに基づく手法と比較して性能に近づけ、計算時間を著しく短縮できるか？
• RQ4 2次チャネル統計を活用することで、超大規模MIMOシステムにおけるフィードバックオーバーヘッドはどの程度低減できるか？
• RQ5 完全接続型と部分接続型のGoSA構造の間で、スペクトル効率とレーダ精度の観点から性能のトレードオフはどのように変化するか？

主な発見

• GoSA構造は、完全接続型およびAoSAアーキテクチャと比較して位相シフトャの数を最小限に抑えることで、ハードウェアの複雑さを低減した。
• 提案されたビームスプリット補正技術により、広帯域システムにおけるスペクトル効率が回復し、周波数に依存しないアナログビームフォーマーに起因する性能劣化が解消された。
• モデルフリーのディープラーニングビームフォーミングは、CSIベースの手法と比較してスペクトル効率が5%以内の差に抑えられ、計算時間を約500倍短縮した。
• チャネル共分散行列に基づくビームフォーマーは、CSIベースの手法と比較してフィードバックオーバーヘッドを90%低減したが、性能損失はわずかであった。
• 部分接続型GoSA構造は完全接続型と比較してわずかに性能が劣るが、複雑さと性能のトレードオフとして良好なバランスを示した。
• モデルフリー手法は計算時間を0.0058秒にまで短縮したのに対し、MOベース手法は2.124秒を要し、超大規模MIMOシステムにおけるスケーラビリティの優位性が示された。