[논문 리뷰] Fully-/Partially-Connected Hybrid Beamforming Architectures for mmWave MU-MIMO

Xiaoshen Song, Thomas Kühne외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 23.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 39인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 mmWave 다중 사용자 MIMO 시스템에서 완전 연결(FC) 및 서브어레이당 한 스트림(OSPS) 하이브리드 beamforming 아키텍처를 조사하며, 비례 보정과 비례 조정을 함께 최적화한다. 결과적으로 두 아키텍처 모두 유사한 합산 스펙트럼 효율성을 달성하지만, OSPS는 약간 긴 비례 획득 시간으로 인해 각도 해상도가 낮아지지만 더 뛰어난 하드웨어 복잡성과 전력 효율성을 제공한다.

ABSTRACT

Hybrid digital analog (HDA) beamforming has attracted considerable attention in practical implementation of millimeter wave (mmWave) multiuser multiple-input multiple-output (MU-MIMO) systems due to the low power consumption with respect to its fully digital baseband counterpart. The implementation cost, performance, and power efficiency of HDA beamforming depends on the level of connectivity and reconfigurability of the analog beamforming network. In this paper, we investigate the performance of two typical architectures that can be regarded as extreme cases, namely, the fully-connected (FC) and the one-stream-per-subarray (OSPS) architectures. In the FC architecture each RF antenna port is connected to all antenna elements of the array, while in the OSPS architecture the RF antenna ports are connected to disjoint subarrays. We jointly consider the initial beam acquisition and data communication phases, such that the latter takes place by using the beam direction information obtained by the former. We use the state-of-the-art beam alignment (BA) scheme previously proposed by the authors and consider a family of MU-MIMO precoding schemes well adapted to the beam information extracted from the BA phase. We also evaluate the power efficiency of the two HDA architectures taking into account the power dissipation at different hardware components as well as the power backoff under typical power amplifier constraints. Numerical results show that the two architectures achieve similar sum spectral efficiency, while the OSPS architecture is advantageous with respect to the FC case in terms of hardware complexity and power efficiency, at the sole cost of a slightly longer BA time-to-acquisition due to its reduced beam angle resolution.

연구 동기 및 목표

• mmWave MU-MIMO 시스템에서 완전 연결(FC) 및 서브어레이당 한 스트림(OSPS) 하이브리드 비례 조정 아키텍처 간의 성능 트레이드오프를 평가하기 위해.
• 초기 비례 획득에서의 비례 방향 정보를 활용하여 비례 조정과 데이터 프리코딩을 함께 최적화하기 위해.
• 각 아키텍처에서 하드웨어 전력 소모와 전력 증폭기 백오프를 모델링하여 전력 효율성을 평가하기 위해.
• 실제 mmWave 시스템에서 스펙트럼 효율성, 하드웨어 복잡성, 에너지 소비 간의 최적 균형을 찾기 위해.

제안 방법

• 초기 비례 조정 단계에서 확보한 비례 방향 정보를 활용하여 효율적인 데이터 통신을 가능하게 하는 통합 비례 조정(BA) 및 프리코딩 프레임워크를 제안한다.
• 저자들이 이전에 개발한 최신 기술 기반의 비례 조정 방법을 사용하여 높은 정확도로 비례 방향을 추정한다.
• 비례 조정 단계 동안 추출된 비례 정보에 맞춰 최적화된 MU-MIMO 프리코딩 기법을 적용하여 스펙트럼 효율성을 극대화한다.
• RF 체인, 위상 시프터, 증폭기의 전력 소모를 모델링하며, 일반적인 PA 제약 조건 하에서 백오프 영향까지 고려한다.
• 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율성, 비례 획득 시간, 총 전력 효율성을 평가하여 FC 및 OSPS 아키텍처를 비교한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 합산 스펙트럼 효율성 및 전력 효율성과 같은 핵심 지표의 성능을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mmWave MU-MIMO 시스템에서 완전 연결 및 서브어레이당 한 스트림 하이브리드 비례 조정 아키텍처는 합산 스펙트럼 효율성 측면에서 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ2 비례 조정 시간이 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 다양한 각도 해상도를 가진 아키텍처에서 어떠한가?
• RQ3 FC 및 OSPS 아키텍처 간의 하드웨어 복잡성은 어떻게 다를 수 있으며, 전력 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 전력 증폭기 백오프가 하이브리드 비례 조정 아키텍처의 총 에너지 효율성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 OSPS 아키텍처는 하드웨어 복잡성과 전력 소비를 크게 줄이며 동시에 FC와 유사한 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 완전 연결 및 서브어레이당 한 스트림 아키텍처는 mmWave MU-MIMO 시스템에서 유사한 합산 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• OSPS 아키텍처는 FC 아키텍처보다 더 뛰어난 전력 효율성과 감소된 하드웨어 복잡성을 보여준다.
• FC 아키텍처는 더 많은 RF 체인과 위상 시프터가 필요하여 전력 소모와 하드웨어 비용이 증가한다.
• OSPS 아키텍처는 각도 해상도가 낮아 약간 더 긴 비례 획득 시간을 유발한다.
• 전력 증폭기 백오프가 총 전력 효율성에 상당한 영향을 미치며, 특히 고속도 데이터 전송 시나리오에서 두드러진다.
• 비록 더 긴 비례 획득 시간을 가졌지만, OSPS 아키텍처는 스펙트럼 효율성, 하드웨어 비용, 에너지 효율성 간의 유리한 트레이드오프를 제공한다.