[논문 리뷰] Hybrid Beamforming for 5G and Beyond Millimeter-Wave Systems: A Holistic View

Jun Zhang, Xianghao Yu외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 07.

Millimeter-Wave Propagation and ModelingEngineering참고 문헌 51인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 5G 및 그 이상의 mm-wave 시스템에서 하이브리드 비트포밍을 위한 통합 프레임워크를 제안하며, 하드웨어 구조의 새로운 분류 체계를 도입하고 하드웨어 효율성, 계산 효율성, 스펙트럼 효율성 간의 트레이드오프를 평가한다. FPS 그룹연결 구조가 뚜렷한 유력 후보로 부상하여, 최소한의 RF 체인과 고정 위상시프터 하드웨어를 사용하면서도 거의 완전 디지털 성능을 달성하며, 높은 스펙트럼 효율성과 낮은 복잡도를 동시에 유지한다.

ABSTRACT

Millimeter-wave (mm-wave) communication is a key technology for future wireless networks. To combat significant path loss and exploit the abundant mm-wave spectrum, effective beamforming is crucial. Nevertheless, conventional fully digital beamforming techniques are inapplicable, as they demand a separate radio frequency (RF) chain for each antenna element, which is costly and consumes too much energy. Hybrid beamforming is a cost-effective alternative, which can significantly reduce the hardware cost and power consumption by employing a small number of RF chains. This paper presents a holistic view on hybrid beamforming for 5G and beyond mm-wave systems, based on a new taxonomy for different hardware structures. We take a pragmatic approach and compare different proposals from three key aspects: 1) hardware efficiency, i.e., the required hardware components; 2) computational efficiency of the associated beamforming algorithm; and 3) achievable spectral efficiency, a main performance indicator. Through systematic comparisons, the interplay and trade-off among these three design aspects are demonstrated, and promising candidates for hybrid beamforming in future wireless networks are identified.

연구 동기 및 목표

• mm-wave 시스템에서 완전 디지털 비트포밍의 높은 하드웨어 비용과 에너지 소비 문제를 해결하기 위해.
• 하드웨어 효율성, 계산 효율성, 스펙트럼 효율성 기준으로 하이브리드 비트포밍 구조를 평가하고 비교하기 위해.
• 성능과 실용적 제약 조건의 균형을 고려한 유망한 하이브리드 비트포밍 아키텍처를 규명하기 위해.
• 복잡도와 스펙트럼 효율성 간의 트레이드오프를 가능하게 하는 융통성 있는 매핑 전략을 제안하기 위해.
• CSI 획득, 딥러닝 통합, 유한 정밀도 ADC, 알고리즘-하드웨어 공동 설계 분야의 향후 연구를 안내하기 위해.

제안 방법

• 완전 예측, 부분 예측, 그룹연결 아키텍처를 포함한 하이브리드 비트포밍 하드웨어 구조의 새로운 분류 체계를 제안한다.
• 매개변수 η를 통해 하드웨어 복잡도와 스펙트럼 효율성 간 조절 가능한 트레이드오프를 허용하는 융통성 있는 매핑 전략을 도입한다.
• 작은 수의 고정 위상시프터와 데이터 스트림 수준과 유사한 수의 RF 체인을 사용하는 FPS(완전 예측 구조) 그룹연결 구현을 분석한다.
• 압축 측정, 코드북 기반 설계, 다양체 최적화와 같은 기존 기법을 활용해 알고리즘 효율성을 평가한다.
• 표 III 및 표 IV를 활용해 다양한 구조 간 하드웨어 구성 요소와 알고리즘 복잡도를 비교한다.
• 하드웨어 비용, 계산 부담, 스펙트럼 효율성의 세 가지 핵심 성능 지표에 중점을 두고 실용적인 다차원 평가 프레임워크를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 하이브리드 비트포밍 하드웨어 구조는 하드웨어 효율성, 계산 복잡도, 스펙트럼 효율성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 아날로그 네트워크 아키텍처의 영향은 비트포밍 알고리즘 설계와 달성 가능한 스펙트럼 효율성에 어떤가?
• RQ3 융통성 있는 매핑 전략은 하이브리드 비트포밍 시스템에서 하드웨어 복잡도와 스펙트럼 성능 간 효과적인 균형을 이룰 수 있는가?
• RQ4 어느 하이브리드 비트포밍 구조가 최소한의 RF 체인과 위상시프터 하드웨어로 완전 디지털 성능에 가장 가까이 갈 수 있는가?
• RQ5 mm-wave 네트워크에서 하이브리드 비트포밍의 실용적 구현을 위한 주요 과제와 향후 연구 방향은 무엇인가?

주요 결과

• FPS 그룹연결 구조는 매우 적은 수의 RF 체인과 고정 위상시프터 구성 요소를 사용하면서도 완전 디지털 비트포밍에 가까운 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 제안된 매핑 전략을 통해 매개변수 η를 조절함으로써 하드웨어 복잡도와 스펙트럼 효율성 간 효과적인 트레이드오프를 실현할 수 있다.
• FPS는 압축 측정 및 다양체 최적화와 같은 기존 저복잡도 알고리즘과 호환되어 실용성을 향상시킨다.
• 최적의 아키텍처와 함께 고정 위상시프터 약 10개만으로도 높은 스펙트럼 효율성을 달성하는 데 충분하다는 점을 연구에서 입증하였다.
• FPS 그룹연결 구조는 성능와 하드웨어 효율성의 균형을 고려할 때 5G 및 그 이상의 mm-wave 시스템에 가장 유망한 후보로 떠올랐다.
• 향후 연구는 CSI 획득, 딥러닝 기반 알고리즘, 유한 정밀도 ADC, 알고리즘-하드웨어 공동 설계에 집중하여 실용적 구현을 가능하게 해야 한다.