[논문 리뷰] Energy-efficient Dynamic-subarray with Fixed True-time-delay Design for Terahertz Wideband Hybrid Beamforming

Longfei Yan, Chong Han외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 07.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초광대역, 대규모 THz MIMO 시스템에서 발생하는 비추상성 문제를 해결하기 위해, 주파수 비례성 빔 포지셔닝 벡터와 주파수 평탄한 위상 시프터로 인해 발생하는 심각한 빔 스쿼이트 현상을 완화하기 위한 에너지 효율적인 동적 서브어레이 고정 진타이밍 지연(DS-FTTD) 아키텍처를 제안한다. 저복잡도 고정 진타이밍 지연과 행 분해(RD) 알고리즘을 사용함으로써, 기존 아키텍처에 비해 근사 최적의 어레이 이득과 훨씬 높은 에너지 효율성을 달성하며, 불완전한 채널 상태 정보 하에서도 뛰어난 스펙트럼 효율성을 유지를 한다.

ABSTRACT

Hybrid beamforming for Terahertz (THz) ultra-massive multiple-input multiple-output (UM-MIMO) systems is a promising technology for 6G space-air-ground integrated networks, which can overcome huge propagation loss and offer unprecedented data rates. With ultra-wide bandwidth and ultra-large-scale antennas array in THz band, the beam squint becomes one of the critical problems which could reduce the array gain and degrade the data rate substantially. However, the traditional phase-shifters-based hybrid beamforming architectures cannot tackle this issue due to the frequency-flat property of the phase shifters. In this paper, to combat the beam squint while keeping high energy efficiency, a novel dynamic-subarray with fixed true-time-delay (DS-FTTD) architecture is proposed. Compared to the existing studies which use the complicated adjustable TTDs, the DS-FTTD architecture has lower power consumption and hardware complexity, thanks to the low-cost FTTDs. Furthermore, a low-complexity row-decomposition (RD) algorithm is proposed to design hybrid beamforming matrices for the DS-FTTD architecture. Extensive simulation results show that, by using the RD algorithm, the DS-FTTD architecture achieves near-optimal array gain and significantly higher energy efficiency than the existing architectures. Moreover, the spectral efficiency of DS-FTTD architecture with the RD algorithm is robust to the imperfect channel state information.

연구 동기 및 목표

• 주파수 비례성 빔 포지셔닝 벡터와 주파수 평탄한 위상 시프터로 인해 발생하는 초광대역, 대규모 THz MIMO 시스템에서의 심각한 빔 스쿼이트 효과를 해결한다.
• THz 주파수 대역에서 어레이 이득 손실과 에너지 효율성 측면에서 기존 위상 시프터 기반 하이브리드 빔포밍 아키텍처의 한계를 극복한다.
• 불완전한 채널 상태 정보 하에서도 높은 스펙트럼 효율성과 강건성을 유지하는 저전력, 저복잡도 하이브리드 빔포밍 아키텍처를 설계한다.
• DS-FTTD 아키텍처에 특화된 효율적인 빔포밍 알고리즘을 개발하여 최소한의 계산 부하로 근사 최적의 성능을 달성한다.
• 고정 진타이밍 지연(FTTD)이 가변 TTD에 비해 하드웨어 복잡도와 전력 소모를 크게 줄이며, 빔 스쿼이트를 효과적으로 완화할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 복잡한 가변 진타이밍 지연(TTD) 유닛을 저비용 고정 TTD로 대체하여 전력 소모와 하드웨어 복잡도를 감소시키는 새로운 동적 서브어레이 고정 진타이밍 지연(DS-FTTD) 아키텍처를 제안한다.
• 비볼록이고 혼합정수인 하이브리드 빔포밍 설계 문제를 순위 기반 유클리드 거리 최소화 문제로 변환하는 저복잡도 행 분해(RD) 알고리즘을 도입한다.
• 스펙트럼 효율성 최대화 문제를 질서 제약 최적화 문제로 수식화하고, 이를 RD 알고리즘을 통해 반복적으로 완화 및 해를 구하여 근사 최적의 디지털 및 어날로그 빔포밍 행렬을 도출한다.
• 원래 문제(12)를 목적과 실제 빔포밍 벡터 간 유클리드 거리 최소화 문제(13)로 변환함으로써 효율적인 계산을 가능하게 한다.
• 추정된 채널 행렬이 진짜 채널과 복소수 가우시안 오차 행렬의 스케일된 조합으로 구성된 확률적 오차 모델을 사용해 불완전한 CSI를 모델링한다(24).
• 다양한 CSI 정확도(ξ)에서 성능을 평가하여 강건성을 평가하며, 다양한 대역폭과 송신 전력에서 스펙트럼 효율성을 주요 성능 지표로 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정 진타이밍 지연(FTTD) 아키텍처가 초광대역 THz 하이브리드 빔포밍 시스템에서 대규모 안테나 어레이를 갖는 경우 빔 스쿼이트를 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ2 기존 하이브리드 빔포밍 아키텍처인 완전 연결 TTD 및 위상 시프터 기반 설계와 비교할 때, 제안된 DS-FTTD 아키텍처는 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 행 분해(RD) 알고리즘이 저복잡도를 유지하면서 근사 최적의 어레이 이득을 얼마나 잘 달성하는가?
• RQ4 실제 THz 통신 환경에서 불완전한 채널 상태 정보(CSI)에 대해 DS-FTTD 아키텍처는 어떤 정도의 강건성을 보이는가?
• RQ5 송신 전력과 안테나 수의 변화가 DS-FTTD 아키텍처의 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• DS-FTTD 아키텍처는 RD 알고리즘과 조합될 경우 모든 주파수 대역에서 근사 최적의 어레이 이득을 달성하며, 어레이 이득과 스펙트럼 효율성 측면에서 기존 위상 시프터 기반 아키텍처에 비해 뚜렷한 우월성을 보인다.
• DS-FTTD 아키텍처의 에너지 효율성은 기존 아키텍처에 비해 상당히 높으며, 특히 복잡한 가변 TTD가 아닌 저전력 고정 TTD를 사용하기 때문이다.
• DS-FTTD 아키텍처의 스펙트럼 효율성은 대역폭 증가에 따라 천천히 저하되며, 이는 빔 스쿼이트가 효과적으로 완화되었음을 시사한다. 반면 위상 시프터 기반 아키텍처는 급격한 효율 저하를 보인다.
• RD 알고리즘은 약 8회 반복 이내에 수렴하여 빠른 수렴 속도와 비볼록 빔포밍 문제를 해결 가능한 순위 문제로 효과적으로 변환함을 보여준다.
• 불완전한 CSI(ξ = 0.6, 중간 오차) 조건에서도 DS-FTTD 아키텍처는 완전한 CSI(ξ = 1) 조건에서 달성한 스펙트럼 효율성의 82%를 유지하여 강력한 강건성을 입증한다.
• DS-FTTD 아키텍처는 큰 분수 대역폭과 대규모 안테나 어레이(예: 1024개 요소) 조건에서도 높은 스펙트럼 효율성을 유지하며, 6G 공중-지상-우주 통합 네트워크에 적합함을 확인한다.