[논문 리뷰] Hybrid Beamforming for 5G Millimeter-Wave Multi-Cell Networks

Shu Sun, Theodore S. Rappaport외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 11.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 17인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자, 다중 스트림 통신을 위한 5G mmWave 다셀 네트워크를 대상으로, CoMP 전송을 사용하는 세 가지 및 기준선 하나를 포함한 네 가지 하이브리드 비컨포밍(HBF) 방식을 제안한다. 완전한 CSI 교환을 통한 신호 대 누설 잡음비(SLNR) 비컨포밍을 사용하여, 비-CoMP 방식 대비 가장 약한 5% 사용자에서 최대 67% 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다. 이는 특히 밀도가 높고 소셀이 많은 환경에서 두드러진다.

ABSTRACT

Multi-cell wireless systems usually suffer both intra-cell and inter-cell interference, which can be mitigated via coordinated multipoint (CoMP) techniques. Previous works on multi-cell analysis for the microwave band generally consider fully digital beamforming that requires a complete radio-frequency chain behind each antenna, which is less practical for millimeter-wave (mmWave) systems where large amounts of antennas are necessary to provide sufficient beamforming gain and to enable transmission and reception of multiple data streams per user. This paper proposes four analog and digital hybrid beamforming schemes for multi-cell multi-user multi-stream mmWave communication, leveraging CoMP. Spectral efficiency performances of the proposed hybrid beamforming approaches are investigated and compared using both the 3rd Generation Partnership Project and NYUSIM channel models. Simulation results show that CoMP based on maximizing signal-to-leakage-plus-noise ratio can improve spectral efficiency as compared to the no-coordination case, and spectral efficiency gaps between different beamforming approaches depend on the interference level that is influenced by the cell radius and the number of users per cell.

연구 동기 및 목표

• mmWave 다셀 네트워크에서 고경로 손실과 비컨포밍 제약으로 인해 스펙트럼 효율이 제한되는 간섭을 줄이기 위해.
• 큰 안테나 어레이를 갖춘 mmWave 시스템에서 하드웨어 복잡도와 성능의 균형을 잡는 실용적인 하이브리드 비컨포밍(HBF) 전략을 설계하기 위해.
• 실제 3GPP 및 NYUSIM 채널 모델 하에서 CoMP 조율이 스펙트럼 효율에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 네트워크 조건(셀 반경, 사용자 수, 사용자당 스트림 수)에서 SLNR, ZF, LSP, 고유모드 비컨포밍을 포함한 여러 HBF 방식을 비교하기 위해.

제안 방법

• 기지국에서 256개 요소의 균일 직사각형 어레이(URA), 사용자 단에서 8개 요소의 URA를 사용하는 다셀 mmWave MIMO 프레임워크를 수립하며, 셀당 3~12명의 사용자를 가진다.
• 네 가지 HBF 방식을 구현한다: (1) SLNR 기반 CoMP, (2) ZF 기반 CoMP, (3) LSP 기반 CoMP, (4) 비-CoMP 고유모드 비컨포밍을 기준선으로 삼는다.
• 기지국 간 완전한 채널 상태 정보(CSI) 교환을 통해 RF 및 베이스밴드 프리코딩기를 공동으로 설계하여 이셀 간 간섭을 최소화한다.
• 신호 대 누설 잡음비(SLNR) 최대화를 통해 여러 셀에 걸쳐 비컨포밍 벡터를 공동 최적화하여 이셀 간 간섭을 억제한다.
• 100 MHz의 OFDM 유사 대역폭과 동일한 전력 할당 방식을 적용한 정규화된 주파수 분할 multiplexing(OFDM)을 사용한다.
• 3GPP 및 NYUSIM 채널 모델을 모두 사용하여 시뮬레이션을 수행하며, 셀 반경은 50 m 및 200 m로 설정하고, 10번째, 50번째, 90번째 백분위수 사용자들의 스펙트럼 효율을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CoMP 기반 하이브리드 비컨포밍은 비협조적 방식 대비 mmWave 다셀 네트워크에서 스펙트럼 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 다양한 간섭 및 신호 대 잡음비(SNR) 조건에서 mmWave HBF에서 SLNR, ZF, LSP, 고유모드 비컨포밍의 상대적 성능은 어떠한가?
• RQ3 셀 반경, 셀당 사용자 수, 사용자당 데이터 스트림 수가 HBF 방식 간의 스펙트럼 효율 격차에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 이론적으로 유리한데도 mmWave HBF 시스템에서 ZF 비컨포밍이 비현실적인 이유는 무엇이며, LSP와 기준선 간의 성능 격차는 어떤 원인에서 비롯되는가?
• RQ5 3GPP 및 NYUSIM 채널 모델은 HBF 성능에 대해 어떻게 다르게 영향을 미치며, 특히 주요 고유채널과 스펙트럼 효율 측면에서 어떤 차이를 보이는가?

주요 결과

• SLNR 기반 CoMP는 비-CoMP 기준선 대비 가장 약한 5% 사용자에서 최대 67% 높은 스펙트럼 효율을 달성하며, 특히 50 m 반경의 밀도 높은 소셀 환경에서 두드러진다.
• 셀당 사용자 수가 증가할수록 SLNR와 기준선 간의 스펙트럼 효율 격차가 감소한다—3명 사용자 케이스에서는 간섭 비율이 140배에서 12명 사용자 케이스에서는 16배로 감소하며, 이는 기준선에서 간섭 전력 증가로 인해 SINR 격차가 줄어들기 때문이다.
• LSP 기반 CoMP는 기준선 대비 미미한 향상을 보이며, 비컨포밍 이득과 채널 특성의 제한으로 인해 누설 전력이 크게 감소하지 않는다.
• ZF 비컨포밍은 RF 프리코딩 이후 효과적 채널 행렬의 질량 결함으로 인해 비현실적이며, 완전한 간섭 제거가 불가능하다.
• NYUSIM 채널 모델은 3GPP 모델보다 더 높은 스펙트럼 효율을 제공하며, 가장 약한 50% 사용자 기준 최대 150% 향상을 보인다. 이는 더 강력한 주요 고유채널 때문이며.
• 사용자당 4개 스트림 운영 조건에서, 낮은 SNR(예: 10번째 백분위수)에서는 GMR(일반화된 최대 비율)가 다른 방식보다 우수하며, 수신 신호 전력을 최대화하기 때문이다. 반면 SLNR는 높은 SNR 및 간섭 제한 환경에서 뛰어난 성능을 보인다.