[논문 리뷰] Efficient Beam Alignment for mmWave Single-Carrier Systems with Hybrid MIMO Transceivers

Xiaoshen Song, Saeid Haghighatshoar외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 17.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 35인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 디지털-아날로그(HDA) 변환기와 함께 사용되는 밀리미터파(mmWave) 싱글-carrier MIMO 시스템을 대상으로, 희박한 채널 측정치에서 비음수 최소 제곱법(Non-Negative Least Squares, NNLS)을 활용해 가장 강한 도착각/출발각(AoA-AoD) 쌍을 효율적으로 추정하는 시간 도메인 빔 어드밴스먼트(BA) 방식을 제안한다. 이 방법은 높은 도플러 스프레드 조건에서도 강건한 성능을 보이며, 어드밴스먼트 후 주파수 평탄한 단일 터치 채널을 생성하여 시간 도메인 에큐얼라이제이션의 필요성을 제거한다.

ABSTRACT

Communication at millimeter wave (mmWave) bands is expected to become a key ingredient of next generation (5G) wireless networks. Effective mmWave communications require fast and reliable methods for beamforming at both the User Equipment (UE) and the Base Station (BS) sides, in order to achieve a sufficiently large Signal-to-Noise Ratio (SNR) after beamforming. We refer to the problem of finding a pair of strongly coupled narrow beams at the transmitter and receiver as the Beam Alignment (BA) problem. In this paper, we propose an efficient BA scheme for single-carrier mmWave communications. In the proposed scheme, the BS periodically probes the channel in the downlink via a pre-specified pseudo-random beamforming codebook and pseudo-random spreading codes, letting each UE estimate the Angle-of-Arrival / Angle-of-Departure (AoA-AoD) pair of the multipath channel for which the energy transfer is maximum. We leverage the sparse nature of mmWave channels in the AoA-AoD domain to formulate the BA problem as the estimation of a sparse non-negative vector. Based on the recently developed Non-Negative Least Squares (NNLS) technique, we efficiently find the strongest AoA-AoD pair connecting each UE to the BS. We evaluate the performance of the proposed scheme under a realistic channel model, where the propagation channel consists of a few multipath scattering components each having different delays, AoAs-AoDs, and Doppler shifts.The channel model parameters are consistent with experimental channel measurements. Simulation results indicate that the proposed method is highly robust to fast channel variations caused by the large Doppler spread between the multipath components. Furthermore, we also show that after achieving BA the beamformed channel is essentially frequency-flat, such that single-carrier communication needs no equalization in the time domain.

연구 동기 및 목표

• 큰 등방성 경로 손실로 인해 고경로 손실 및 낮은 신호대역비(SNR)가 발생하는 mmWave 시스템에서의 빠른 빔 어드밴스먼트 문제를 해결하기 위해.
• 粗초적 동기화는 가정되지만 정밀한 타이밍 및 도플러 보정이 이루어지지 않는 mmWave 네트워크에서의 효율적 초기 액세스를 가능하게 하기 위해.
• mmWave 채널의 희박한 각도 구조를 활용하여 교육 오버헤드를 감소시키고 어드밴스먼트의 강건성을 향상시키기 위해.
• 빈도 평탄한 채널을 확보하여 단일 캐리어 전송을 위한 에큐얼라이제이션 없이도 가능하게 하기 위해.
• 제한된 RF 체인과 큰 안테나 어레이를 사용하는 하이브리드 MIMO 아키텍처와 호환되는 실용적인 BA 방식 개발을 위해.

제안 방법

• 기지국은 의사난수 빔포밍 코드북과 의사난수 스프레딩 코드를 사용하여 주기적으로 패ilot 신호를 전송한다.
• 사용자 단말은 수신 신호 에너지를 관찰하여 가장 강한 다중 경로 성분에 해당하는 AoA-AoD 쌍을 추정한다.
• 빈도 도메인에서의 빔 어드밴스먼트 문제를 각도 영역에서의 희박한 비음수 벡터 추정 문제로 수식화하며, 채널의 AoA-AoD 공간에서의 희박성을 활용한다.
• 최대 채널 이득을 갖는 주요 AoA-AoD 쌍을 효율적으로 식별하기 위해 비음수 최소 제곱법(Non-Negative Least Squares, NNLS)을 적용한다.
• 실제 mmWave 전파를 모델링하기 위해 랜덤 이득과 도플러 시프트를 포함한 2차 채널 통계를 통합한다.
• 성공적인 어드밴스먼트 이후, 유효 채널은 거의 주파수 평탄하고 단일 터치에 의해 지배되며, 표준 동기화를 사용하는 단일 캐리어 전송이 가능해진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 MIMO 아키텍처를 갖춘 mmWave 싱글-carrier 시스템에서 낮은 SNR와 높은 도플러 스프레드 조건 하에서도 어떻게 효율적으로 빔 어드밴스먼트를 수행할 수 있는가?
• RQ2 mmWave 채널의 희박한 각도 구조를 활용하여 교육 오버헤드를 줄이고 어드밴스먼트의 강건성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 빈도 선택성이고 시간에 따라 변하는 채널이 빔 어드밴스먼트를 통해 어느 정도 주파수 평탄하고 준정적 상태의 채널로 변환되는가?
• RQ4 빈도 선택성 채널에서 빔 어드밴스먼트 이후 단일 캐리어 전송의 실현 가능한 스펙트럼 효율은 얼마이며, 이론적 상한선에 얼마나 가까운가?
• RQ5 제안된 NNLS 기반 방법은 교육 오버헤드와 도플러 시프트에 대한 강건성 측면에서 전수 탐색과 비교해 볼 때 어떻게 성능을 내는가?

주요 결과

• 제안된 BA 방식은 다중 경로 성분 간에 큰 도플러 스프레드가 존재하는 조건에서도 최소한의 교육 오버헤드로 강건한 성능을 달성한다.
• 빈도 평탄한 채널로 변환되어 단일 주요 지연 터치에 의해 지배되며, 시간 도메인 에큐얼라이제이션의 필요성이 제거된다.
• 낮은 전-빔포밍 SNR(예: -30 ~ -20 dB) 조건에서도 제안된 방법의 에르고딕 가용률은 이론적 상한선과 작은 갭만을 유지한다.
• 표준 타이밍 및 주파수 동기화를 사용하는 단일 캐리어 전송은 빔포밍 이후 낮은 SNR 영역에서 높은 스펙트럼 효율(1–2 bit/s/Hz)을 달성한다.
• 2차 통계와 NNLS 기반 추정을 통해 빠른 채널 변화에 매우 강건하다.
• 시뮬레이션 결과는 빔포밍된 채널가 결정론적 고이득 단일 터치로 잘 근사됨을 확인하여, 이동 중 외부 환경에서도 효율적인 통신이 가능함을 보여준다.