[논문 리뷰] A Low-Resolution ADC Module Assisted Hybrid Beamforming Architecture for mmWave Communications

Jie Yang, Xi Yang외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 26.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 mmWave 통신을 위한 저해상도 ADC 모듈을 보조로 사용하는 하이브리드 beamforming 아키텍처를 제안하며, 높은 데이터 전송 성능을 유지하면서도 비용과 복잡도를 크게 줄이고 beam training 시간을 단축시킨다. 훈련 중에 저해상도 ADC 모듈과 하이브리드 beamforming 모듈을 전환하면서, 압축 감지 기반의 이중 단계 beam training 방법을 사용함으로써, $L$개의 전파 경로 수를 기준으로 총 $L+1$개의 시간 슬롯 내에 정확한 beam 정렬을 달성한다.

ABSTRACT

We propose a low-resolution analog-to-digital converter (ADC) module assisted hybrid beamforming architecture for millimeter-wave (mmWave) communications. We prove that the proposed low-cost and flexible architecture can reduce the beam training time and complexity dramatically without degradation in the data transmission performance. In addition, we design a fast beam training method which is suitable for the proposed system architecture. The proposed beam training method requires only L + 1 (where L is the number of paths) time slots which is smaller compared to the state-of-the-art.

연구 동기 및 목표

• mmWave 하이브리드 beamforming 시스템에서 높은 하드웨어 복잡도와 긴 beam training 시간 문제를 해결하기 위해.
• 저해상도 ADC를 사용하여 수신기의 전력 소모와 계산 부담을 줄이기 위해.
• 저해상도 ADC와 호환 가능한 빠르고 효율적인 beam training 방법을 설계하기 위해.
• ADC 해상도가 낮아져도 높은 스펙트럼 효율성과 데이터 전송 성능을 유지하기 위해.
• 최소한의 훈련 오버헤드로 구현 가능한 저비용 mmWave 송수신기의 실현 가능성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 기지국과 이동국 모두에서 전자 스위치를 사용하여 저해상도 ADC 모듈과 하이브리드 beamforming 모듈을 전환한다.
• beam 훈련 중에는 송신기가 하이브리드 beamforming 모듈을 사용하고 수신기는 저해상도 ADC 모듈을 사용함으로써 총 전력 소모가 증가하지 않도록 보장한다.
• 이중 단계 beam 훈련 방법을 제안한다: 1단계는 모든 방향으로 송신하여 가능한 모든 도착각(AoA)을 추정하고, 2단계는 압축 감지 기반으로 송신 및 수신 beam을 매칭시킨다.
• 이 방법은 1비트 또는 2비트 양자화 피드백을 사용하여 $G_t \times L$ 측정값에서 채널 상태 정보를 복원하는 데 압축 감지를 활용한다.
• 채널은 각도 도메인에서 희박한 응답으로 모델링되며, $L$개의 경로와 UPA 응답 벡터를 통해 방향성 beam을 표현한다.
• 신호 복원을 위해 직교 매칭 퇴적(orthogonal matching pursuit)을 사용하여 재구성된 채널 행렬에서 가장 강한 항목을 식별함으로써 beam 정렬을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저해상도 ADC를 하이브리드 beamforming 아키텍처에 통합하여 성능을 저하시키지 않으면서 하드웨어 복잡도를 줄일 수 있는가?
• RQ2 저해상도 ADC 제약 조건 하에서 빠르고 정확한 beam 정렬을 가능하게 하는 beam 훈련 방법은 무엇인가?
• RQ3 제안된 아키텍처는 기존 방법보다 더 적은 시간 슬롯 내에서 beam 훈련을 수행할 수 있는가?
• RQ4 1비트와 2비트 ADC 해상도가 beam 훈련 성공률과 시스템 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 격자 점 수를 늘일 경우 beam 정렬의 정확도와 신뢰성은 어떻게 영향을 받는가?

주요 결과

• 제안된 beam 훈련 방법은 총 $L+1$개의 시간 슬롯만을 요구하여 기존 방법 대비 훈련 오버헤드를 크게 줄였다.
• 2비트 양자화와 $L=1$ 조건에서 $-10$ dB SNR에서 beam 훈련 성공률이 100%에 도달했다.
• 1비트 양자화와 $L=2$ 조건에서 0 dB SNR에서 성공률이 100%에 도달했다.
• 격자 수($G_t, G_r = 32$)를 늘릴 경우 $G_t, G_r = 16$ 대비 성공률이 향상되어 확장 가능성을 확인했다.
• 일반적인 설정 조건에서 기존 기본 방법의 $20T_{\text{Slot}}$ 에서부터 $3T_{\text{Slot}}$ 로 beam 훈련 시간을 단축시켜 높은 효율성 향상을 입증했다.
• 저해상도 ADC를 사용하더라도 높은 데이터 전송 성능을 유지함으로써 저비용 mmWave 송수신기의 실현 가능성을 입증했다.