[논문 리뷰] A Brief Survey And Investigation Of Hybrid Beamforming For Millimeter Waves In 5G Massive MIMO Systems

Qazwan Abdullah, Adeb Salh외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 01.

Millimeter-Wave Propagation and ModelingEngineering인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터파(mmWave) 주파수 대역에서 운영되는 5G 멀티미터 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 beamforming 아키텍처를 제안하여 고경로 손실, 투과 손실 및 에너지 소비를 완화한다. 아날로그 및 디지털 beamforming을 조합하고 소셀에 전력 분산을 적용함으로써 RF 체인 수를 감소시키고 스펙트럼 효율성을 향상시키며 레이일리 fading 채널에서 에너지 효율성을 향상시킨다. 하이브리드 beamforming이 차세대 mmWave 네트워크에 실현 가능한 솔루션임을 입증한다.

ABSTRACT

Millimeter-wave (mm-wave) is a promising technique to enhance the network capacity and coverage of next-generation (5G) based on utilizing a great number of available spectrum resources in mobile communication. Improving the 5G network requires enhancing and employing mm-wave beamforming channel propagation characteristics. To achieve high data rates, system performance remains a challenge given the impact of propagation channels in mm-wave that is insufficient in both path loss, delay spread, and penetration loss. Additional challenges arise due to high cost and energy consumption, which require combining both analog and digital beamforming (hybrid beamforming) to reduce the number of radio frequency (RF) chains. In this paper, the distributed powers in the small cell to suppress path loss by specifying a considerable power and controlling the distributed power to reduce the high cost and energy consumption was proposed. The hybrid beamforming in mm-wave exploits a large bandwidth which reduces the large path loss in Rayleigh fading channel. Also, the trade-off between the energy consumption of RF chains and cost efficiency depends on reducing the number of RF chains and the distributed number of users. This paper finds that hybrid beamforming for massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems constitute a promising platform for advancing and capitalizing on 5G networks

연구 동기 및 목표

• mmWave 5G 대량 MIMO 시스템에서의 높은 경로 손실, 투과 손실 및 높은 에너지 소비 문제를 해결하기 위해.
• 높은 스펙트럼 효율성과 데이터 전송 속도를 유지하면서도 비용이 많이 드는 RF 체인 수를 줄이기 위해.
• 하이브리드 아키텍처에서 아날로그 및 디지털 beamforming을 조합하여 시스템 성능을 향상시키기 위해.
• 소셀에서의 분산 전력 제어를 통해 경로 손실 억제 및 운영 비용 감소를 위해.
• mmWave beamforming 시스템에서 에너지 효율성과 비용 효율성 간의 트레이드오프를 평가하기 위해.

제안 방법

• RF 체인 수를 줄이기 위해 아날로그 및 디지털 beamforming을 조합한 하이브리드 beamforming 아키텍처를 제안한다.
• 경로 손실 완화 및 커버리지 향상을 위해 소셀 간에 분산 전력 할당을 활용한다.
• Rayleigh fading 채널에서 경로 손실을 보완하기 위해 mmWave 대역에서 넓은 대역폭을 활용한다.
• 에너지 소비와 시스템 성능 간의 균형을 맞추기 위해 beamforming 설계를 최적화한다.
• mmWave 대량 MIMO 시스템에서 RF 체인 수, 에너지 효율성 및 비용 간의 트레이드오프를 분석한다.
• 다중 사용자 환경에서 간섭을 관리하고 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해 전력 제어 전략을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 beamforming은 mmWave 대량 MIMO 시스템에서 높은 스펙트럼 효율성을 유지하면서 RF 체인 수를 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ2 소셀에서의 분산 전력 제어는 mmWave 5G 네트워크에서 경로 손실 완화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 mmWave 대역에서 완전히 디지털 또는 아날로그 beamforming에 비해 하이브리드 beamforming은 에너지 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 mmWave beamforming에서 RF 체인 수 감소, 에너지 소비 및 시스템 성능 간의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 하이브리드 beamforming은 Rayleigh fading mmWave 채널에서 데이터 전송 속도와 커버리지 향상에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• 하이브리드 beamforming은 mmWave 대량 MIMO 시스템에서 RF 체인 수를 효과적으로 줄여 하드웨어 비용과 에너지 소비를 감소시킨다.
• 소셀에서의 분산 전력 제어는 mmWave 대역에서 경로 손실을 크게 억제하고 신호 커버리지를 향상시킨다.
• 아날로그 및 디지털 beamforming의 조합은 Rayleigh fading 환경에서 스펙트럼 효율성을 향상시키고 고속 데이터 전송을 지원한다.
• 성능을 희생시키지 않고도 RF 체인 수를 최소화함으로써 에너지 효율성과 비용 효율성 간의 유리한 트레이드오프를 달성한다.
• 확장성과 효율성 덕분에 하이브리드 beamforming은 5G mmWave 네트워크 발전을 위한 유망한 플랫폼으로 확인된다.
• 시스템은 mmWave 전파 조건에서 투과 손실과 지연 확산에 대해 향상된 강인성을 보여준다.