[논문 리뷰] Beamforming Technologies for Ultra-Massive MIMO in Terahertz Communications

Boyu Ning, Zhongbao Tian외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 07.

Antenna Design and Analysis참고 문헌 265인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 테라헤르츠(THz) 통신에서 초거대 다중안테나(UM-MIMO)를 위한 빔포밍 기술에 대한 종합적인 리뷰를 제시하며, 고이득 방향성 빔을 통해 심한 경로 손실을 극복하는 데 초점을 맞추고 있다. 고성능 빔포밍 전략—예를 들어 빔 트레이닝, IRS 지원 공동 빔포밍, 다중 사용자 빔포밍, 와이드밴드 빔포밍 솔루션—을 제안하여 고대역폭, 저지연 THz 링크를 실현하며, 시스템 모델링, 코드북 설계, 하드웨어 인식 빔포밍 아키텍처 분야에서 주요 기여를 이룬다.

ABSTRACT

Terahertz (THz) communications with a frequency band $0.1-10$ THz are envisioned as a promising solution to future high-speed wireless communication. Although with tens of gigahertz available bandwidth, THz signals suffer from severe free-spreading loss and molecular-absorption loss, which limit the wireless transmission distance. To compensate for the propagation loss, the ultra-massive multiple-input-multiple-output (UM-MIMO) can be applied to generate a high-gain directional beam by beamforming technologies. In this paper, a review of beamforming technologies for THz UM-MIMO systems is provided. Specifically, we first present the system model of THz UM-MIMO and identify its channel parameters and architecture types. Then, we illustrate the basic principles of beamforming via UM-MIMO and discuss the far-field and near-field assumptions in THz UM-MIMO. Moreover, an important beamforming strategy in THz band, i.e., beam training, is introduced wherein the beam training protocol and codebook design approaches are summarized. The intelligent-reflecting-surface (IRS)-assisted joint beamforming and multi-user beamforming in THz UM-MIMO systems are studied, respectively. The spatial-wideband effect and frequency-wideband effect in the THz beamforming are analyzed and the corresponding solutions are provided. Further, we present the corresponding fabrication techniques and illuminate the emerging applications benefiting from THz beamforming. Open challenges and future research directions on THz UM-MIMO systems are finally highlighted.

연구 동기 및 목표

• 테라헤르츠(THz) 대역(0.1–10 THz)에서 심한 경로 손실 문제를 해결하기 위해 초거대 다중안테나(UM-MIMO) 시스템을 통해 고이득 빔포밍을 가능하게 하여.
• 원거리 및 근거리 가정 조건 하에서 채널 모델링, 아키텍처 설계, 빔 관리가 포함된 체계적인 THz UM-MIMO 빔포밍 프레임워크를 개발하여.
• 와이드밴드 THz 시스템에서 대역폭 및 빔 스쿼트 제한을 극복하기 위해 하이브리드 TTD-단계 이동기 아키텍처 및 맞춤형 와이드밴드 코드북과 같은 새로운 빔포밍 기법을 통해.
• 밀도 높고 이동성이 높은 환경에서 고대역폭, 저간섭류 통신을 위한 효율적인 다중 사용자 및 3차원 빔포밍을 실현하여.
• 지능형 반사 표면(IRS) 및 고도화된 제작 기술의 통합을 탐색하여 스펙트럼 효율성과 시스템 실용성을 향상시켜.

제안 방법

• 채널 파rameter, 안테나 어레이 기하학, 송수신기 아키텍처(예: 완전 디지털, 하이브리드, 하이브리드 TTD-단계 이동기 설계 등)를 상세히 특성화한 THz UM-MIMO 시스템 모델을 수립하여.
• THz 대역에 적합한 빔 트레이닝 프rotocol 및 코드북 설계를 제안하며, 오버헤드를 줄이고 빔 정렬을 향상시키기 위해 격자 기반 및 적응형 접근 방식을 포함하여.
• 반사 및 직접 채널을 모델링하여 IRS 지원 공동 빔포밍을 도입하고, 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)을 최적화하기 위해 협동 빔 트레이닝 기법을 제안하여.
• 선형 프리코딩 알고리즘(예: ZF, MMSE)을 사용한 다중 사용자 빔포밍 전략을 개발하고, 고속도 및 다중 사용자 환경에서의 성능을 분석하여.
• THz 빔포밍에서 공간 와이드밴드 및 주파수 와이드밴드 영향을 분석하여 빔 스쿼트 문제를 해결하기 위해, AoSA 아키텍처를 사용한 빔 분할 집합 및 multiplexing(비트 스트림 분할) 기반 솔루션인 BSAM을 제안하여.
• THz MIMO 어레이 제작 기술을 전자적, 광학적, 신소재 기반 접근 방식으로 분류하고, 이들의 이득, 대역폭, 하드웨어 복잡성 간의 상호 상충 관계를 평가하여.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 THz UM-MIMO 시스템에서 빔포밍은 심한 자유공간 손실 및 분자 흡수 손실을 효과적으로 보완할 수 있는가?
• RQ2 와이드밴드 및 고방향성 제약 조건 하에서 THz 대역의 최적 빔 트레이닝 및 코드북 설계 전략은 무엇인가?
• RQ3 지능형 반사 표면(IRS)은 THz UM-MIMO 시스템의 커버리지 및 대역폭을 향상시키는 데 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ4 고속도 및 다중 연결이 빈번한 THz 환경에서 다중 사용자 빔포밍의 핵심 과제와 해결책은 무엇인가?
• RQ5 공간 와이드밴드 및 주파수 와이드밴드 영향은 빔포밍 성능에 어떤 영향을 미치며, 빔 스쿼트 및 빔 이격 문제를 완화할 수 있는 아키텍처는 무엇인가?

주요 결과

• THz UM-MIMO 시스템은 빔포밍을 통해 고방향성과 경로 손실 보상 기능을 확보하여, 시야 내(LoS) 조건에서 잠재적인 데이터 전송 속도가 100 Gbps를 초과할 수 있다.
• 하이브리드 TTD-단계 이동기 아키텍처는 빔포밍 오버헤드와 에너지 소모를 줄이며, 와이드밴드 빔포밍을 지원하여 성능과 하드웨어 복잡성 사이의 실용적인 균형을 제공한다.
• 좁은 빔 대신 넓은 각도 영역을 커버하는 맞춤형 와이드밴드 코드북은 와이드밴드 THz 시스템에서 빔 스쿼트로 인한 빔 이격 현상을 크게 감소시킨다.
• IRS 지원 빔포밍은 비시야 내(Non-LoS) 링크를 가능하게 하고, 낮은 피드백 오버헤드로 협동 빔 트레이닝을 실현하여 커버리지 및 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.
• 3차원 빔포밍은 공중-지상 네트워크에서 더 높은 방향성과 대역폭을 가능하게 하지만, 고속도 환경에서의 빠른 빔 관리 및 새로운 코드북 설계가 필요하다.
• 아날로그 빔포머에서 발생하는 빔 스쿼트 효과는 빔 분할 집합 및 다중화를 지원하는 AoSA 기반 아키텍처를 사용함으로써 완화되며, 빔 이격 없이 와이드밴드 신호 수신이 가능해진다.