[논문 리뷰] Hybrid Analog and Digital Beamforming for mmWave OFDM Large-Scale Antenna Arrays

Foad Sohrabi, Wei Yu|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 22.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 23인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 대규모 안테나 어레이를 갖춘 mmWave OFDM 시스템을 대상으로, 채널의 희소성 특성을 활용하여 모든 서브대역에 공통의 아날로그 비 beamformer를 사용하면서도 각 서브대역에 맞는 디지털 비 beamformer를 적응시키는 통합 히우리스틱 하이브리드 아날로그-디지털 비 beamforming 설계를 제안한다. 이는 훨씬 적은 수의 RF 체인을 사용하면서도 완전히 디지털 비 beamforming에 가까운 스펙트럼 효율을 달성하며, 특히 완전히 연결된 아키텍처에서 기존 방법들을 능가한다. 단일 사용자 및 다중 사용자 환경 모두에서 성능이 뛰어나다.

ABSTRACT

Hybrid analog and digital beamforming is a promising candidate for large-scale mmWave MIMO systems because of its ability to significantly reduce the hardware complexity of the conventional fully-digital beamforming schemes while being capable of approaching the performance of fully-digital schemes. Most of the prior work on hybrid beamforming considers narrowband channels. However, broadband systems such as mmWave systems are frequency-selective. In broadband systems, it is desirable to design common analog beamformer for the entire band while employing different digital beamformers in different frequency sub-bands. This paper considers hybrid beamforming design for systems with OFDM modulation. First, for a SU-MIMO system where the hybrid beamforming architecture is employed at both transmitter and receiver, we show that hybrid beamforming with a small number of RF chains can asymptotically approach the performance of fully-digital beamforming for a sufficiently large number of transceiver antennas due to the sparse nature of the mmWave channels. For systems with a practical number of antennas, we then propose a unified heuristic design for two different hybrid beamforming structures, the fully-connected and the partially-connected structures, to maximize the overall spectral efficiency of a mmWave MIMO system. Numerical results are provided to show that the proposed algorithm outperforms the existing hybrid beamforming methods and for the fully-connected architecture the proposed algorithm can achieve spectral efficiency very close to that of the optimal fully-digital beamforming but with much fewer RF chains. Second, for the MU-MISO case, we propose a heuristic hybrid percoding design to maximize the weighted sum rate in the downlink and show numerically that the proposed algorithm with practical number of RF chains can already approach the performance of fully-digital beamforming.

연구 동기 및 목표

• mmWave MIMO 시스템에서 완전히 디지털 비 beamforming의 높은 하드웨어 복잡도 문제를 해결한다.
• 모든 서브대역에 공통의 아날로그 비 beamformer를 사용하는 폭대역, 주파수 선택적 mmWave OFDM 시스템을 위한 하이브리드 비 beamforming을 설계한다.
• 실제 RF 체인 수 제약 조건 하에서 단일 사용자 MIMO 및 다중 사용자 MISO 시스템의 스펙트럼 효율을 최대화한다.
• 완전히 연결된 아키텍처와 부분적으로 연결된 아키텍처 모두에 적용 가능한 통합 히우리스틱 알고리즘을 개발한다.
• 하이브리드 비 beamforming가 훨씬 적은 수의 RF 체인을 사용하면서도 완전히 디지털 성능에 근접할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• mmWave 채널의 희소 산란 특성을 활용하여, 대규모 안테나 어레이에서 서브대역 간 채널 공분산 행렬이 근사적으로 동일함을 보이며, 이는 공통 아날로그 비 beamformer의 가능성을 제시한다.
• 완전히 연결된 아키텍처와 부분적으로 연결된 아키텍처 모두에 대해 아날로그 및 디지털 비 beamformer를 동시에 최적화하는 통합 히우리스틱 알고리즘을 제안한다.
• 서브대역 별 디지털 비 beamformer를 사용하여 주파수 선택적 채널 응답에 적응하면서도 공통 아날로그 비 beamformer를 유지한다.
• 다중 사용자 MISO 환경에서는 다운링크에서 가중합률을 최대화하기 위해 히우리스틱 하이브리드 프리코더를 설계한다.
• 스펙트럼 효율과 하드웨어 제약 조건의 균형을 고려하여 반복 최적화 기법을 적용하며, 실용적인 수의 RF 체인을 중심으로 한다.
• 실제 경로 손실 모델과 사용자 스케줄링을 고려한 시스템 수준 시뮬레이션을 통해 설계를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 OFDM 서브대역에 공통 아날로그 비 beamformer를 사용하는 하이브리드 비 beamforming가 mmWave MIMO 시스템에서 점점 완전히 디지털 비 beamforming 성능에 수렴할 수 있는가?
• RQ2 완전히 연결된 아키텍처와 부분적으로 연결된 아키텍처 모두에 적용 가능한 통합 히우리스틱 알고리즘을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 제한된 수의 RF 체인을 사용하는 하이브리드 비 beamforming가 폭대역 mmWave 시스템에서 완전히 디지털 비 beamforming에 얼마나 가까운 스펙트럼 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ4 다중 사용자 환경에서 제안된 하이브리드 비 beamforming 설계가 기존 방법보다 스펙트럼 효율성과 공정성 측면에서 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 합률 최적화 아날로그 비 beamformer를 사용할 경우 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성 사이의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 충분히 많은 수의 안테나를 사용할 경우, 서브대역 간 채널 공분산 행렬의 고유벡터 유사성이 근사적으로 유지되어 하이브리드 비 beamforming 설계가 점점 완전히 디지털 비 beamforming 성능에 수렴함을 입증하였다.
• 64개의 안테나와 8개의 RF 체인만을 사용할 경우, 제안된 하이브리드 비 beamforming는 8개의 안테나와 8개의 RF 체인을 사용하는 완전히 디지털 비 beamforming보다 훨씬 높은 스펙트럼 효율을 달성한다.
• 16개의 RF 체인을 사용할 경우, 제안된 알고리즘이 64개의 안테나와 64개의 RF 체인을 사용하는 완전히 디지털 WMMSE 비 beamforming에 매우 가까운 스펙트럼 효율을 달성한다.
• 다중 사용자 환경에서 8개 또는 16개의 RF 체인을 사용할 경우, 제안된 하이브리드 비 beamforming는 완전히 디지털 WMMSE와 유사한 합률을 달성하지만, 높은 데이터율 사용자에게 유리한 공정성의 상실이 약간 존재한다.
• 실제 누적분포함수(CDF) 결과 분석에 따르면, 완전히 디지털 비 beamforming에서는 하위 40퍼센트 사용자가 더 높은 데이터율을 확보하지만, 제안된 하이브리드 설계에서는 상위 60퍼센트 사용자가 더 나은 성능을 보이며, 이는 공정성에 대한 상충 관계를 시사한다.
• 제안된 히우리스틱 알고리즘이 다양한 시스템 구성에서 기존 하이브리드 비 beamforming 방법보다 스펙트럼 효율성과 강건성 측면에서 뛰어나다.