[논문 리뷰] A Modified Zero-Forcing Max-Power Design for Hybrid Beamforming Full-Duplex Systems

Elyes Balti, Neji Mensi외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 29.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 11인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 일정 진폭 위상 이격기 제약 조건 하에서 자기간섭을 제거하면서 성능 손실를 최소화하는 수정된 제로포싱 최대출력 하이브리드 beamforming 설계를 제안한다. 이 방법은 디지털 프리코딩과 아날로그 beamforming을 조합하여 근사 최적의 스펙트럼 효율을 달성하며, 완전한 디지털 기준과 비교하여 검증된다.

ABSTRACT

Full-duplex (FD) systems gained enormous attention because of the potential to double the spectral efficiency. In the context of 5G technology, FD systems operating at millimeter-wave (mmWave) frequencies become one of the most promising solutions to further increase the spectral efficiency and reduce the latency. However, such systems are vulnerable to the self-interference (SI) that significantly degrades the performance. To overcome this shortcoming, analog-only beamforming techniques have been developed to mitigate the SI. Because of the huge power consumption, systems operating at mmWave frequencies beamform the power by only tunning the phase shifters while maintaining constant amplitudes. Such a hardware constraint, known as the constant amplitude (CA) constraint, severely limits the system performance. In this work, we propose a digital and analog hybrid beamforming design that completely eliminates the SI while substantially minimizing the losses imposed by the CA constraint. Further, we develop a fully-digital beamforming design and derive the upper bound for the spectral efficiency as benchmarking tools to quantify the losses of our proposed hybrid design.

연구 동기 및 목표

• 밀리미터파 풀드럭스 시스템에서 자기간섭 문제를 해결함으로써 스펙트럼 효율과 시스템 성능을 크게 향상시키는 것.
• 아날로그 beamforming에서 일정 진폭 위상 이격기 제약 조건으로 인한 성능 저하를 완화하는 것.
• 자기간섭을 완전히 억제하면서 하드웨어 제약 조건으로 인한 스펙트럼 효율 손실를 최소화하는 하이브리드 디지털-아날로그 beamforming 설계를 개발하는 것.
• 성능 손실를 평가하기 위해 상한선으로서 완전한 디지털 beamforming 설계를 수립하는 것.
• 실제 하이브리드 beamforming 시스템에서 하드웨어 복잡성과 스펙트럼 효율 간의 상호 교환 관계를 정량화하기 위한 성능 기준을 제공하는 것.

제안 방법

• 수신기에서 자기간섭을 완전히 제거하기 위해 디지털 프리코더와 아날로그 컨비버를 공동으로 설계하는 수정된 제로포싱 최대출력 beamforming 알고리즘을 제안한다.
• 실제 하드웨어 제약 조건을 반영하기 위해 위상 이격기를 고정 진폭 값으로 제한하여 아날로그 beamformers에 일정 진폭 제약 조건을 적용한다.
• 자기간섭 완전 억제를 보장하기 위해 제로포싱 조건 하에서 수신 신호 전력을 최대화하도록 디지털 프리코더를 최적화한다.
• 아날로그 beamforming 설계를 디지털 프리코더와 통합하여 자기간섭을 완전한 공간적 노킹(nulling)으로 억제하면서 어레이 이득을 유지한다.
• 이론적 상한선으로서 완전한 디지털 beamforming 해법을 유도하여 스펙트럼 효율 비교를 가능하게 한다.
• 완전한 디지털 설계의 스펙트럼 효율을 기준으로 하이브리드 beamforming 접근의 성능 손실를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일정 진폭 위상 이격기 제약 조건 하에서 하이브리드 beamforming 풀드럭스 mmWave 시스템에서 자기간섭을 어떻게 완전히 제거할 수 있는가?
• RQ2 제안된 하이브리드 beamforming 설계의 실현 가능한 스펙트럼 효율은 이론적 상한선과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 일정 진폭 제약 조건은 mmWave 풀드럭스 시스템의 성능을 어느 정도 저하시키는가?
• RQ4 제안된 하이브리드 beamforming 설계는 완전한 디지털 beamforming 기준과 비교해 스펙트럼 효율 측면에서 어떻게 성능을 내는가?
• RQ5 제안된 방법은 실용적인 mmWave 시스템에서 하드웨어 실현 가능성을 유지하면서 근사 최적의 스펙트럼 효율을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 하이브리드 beamforming 설계는 디지털 및 아날로그 beamforming 최적화를 통합하여 자기간섭을 완전히 제거한다.
• 시스템은 완전한 디지털 beamforming 설계에서 제공하는 상한선에 매우 가까운 스펙트럼 효율을 달성하여 성능 손실가 극히 미미함을 시사한다.
• 일정 진폭 제약 조건은 성능에 상당한 제약을 가하지만, 제안된 방법은 최적화된 beamforming 설계를 통해 이 손실를 완화한다.
• 이 방법은 위상 이격기 전용 beamforming의 실용적 하드웨어 제약을 준수하면서도 높은 스펙트럼 효율을 유지한다.
• 제안된 하이브리드 설계와 완전한 디지털 기준 간의 성능 격차는 정량적으로 매우 작으며, 이는 제안된 접근의 효과성을 입증한다.
• 제안된 설계는 스펙트럼 효율 저하를 최소화하면서도 실용성과 고성능을 동시에 확보하는 mmWave 풀드럭스 시스템을 위한 실용적인 솔루션을 제공한다.