[논문 리뷰] Joint Delay-Phase Precoding Under True-Time Delay Constraints in Wideband Sub-THz Hybrid Massive MIMO Systems

Dang Qua Nguyen, Taejoon Kim|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 14.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실용적인 TTD 하드웨어 제약 조건 하에서 광대역 서브-THz 대량 MIMO 시스템에서 비전이 효과를 완화하기 위해 병행 하이브리드 진짜 시간 지연(TTD) 및 위상 시프터(PS) 예비코드 설계 기법을 제안한다. 무한대의 시간 지연을 가정하는 것 대신 TTD와 PS 예비코드기구를 동시에 최적화함으로써, 근사적으로 이상적인 어레이 이득 성능을 달성하고 목표 성능 수준을 확보하기 위한 최소 TTD 수를 정량화하였다. 이는 이전 방법에 비해 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In wideband sub-Terahertz (sub-THz) massive multiple-input multiple-output (MIMO) communication systems, the beam squint effect manifests as a substantial degradation in array gain. To mitigate the aforementioned beam squint effect, a hybrid precoding approach leveraging both true-time delay (TTD) and phase shifters (PS) has been proposed. However, existing methods operate under the assumption that the TTD device can generate any desired time delay value. These methods subsequently design the TTD precoder while fixing the PS precoder. This work presents a novel optimization framework for the joint TTD and PS precoder design, incorporating realistic time delay constraints for each TTD device. Unlike previous methods, our framework does not rely on the unbounded time delay assumption and optimizes the TTD and PS values jointly to cope with the practical limitations. Furthermore, within the context of our proposed framework, we mathematically determine the minimum number of TTD devices necessitated to achieve a predetermined target array gain. Simulations confirm the proposed approach exhibits performance improvement, guarantees array gain, and achieves computational efficiency.

연구 동기 및 목표

• 광대역 서브-THz 대량 MIMO 시스템에서 발생하는 비전이 효과로 인한 서브채널 간 어레이 이득 손실 문제를 해결한다.
• 이전의 TTD 기반 예비코드 방법이 무한대의 시간 지연을 가정하는 데서 비롯되는 실용성 부족 문제를 해결한다.
• 각 장치의 시간 지연 제약 조건 하에서 TTD와 PS 예비코드기구를 병행 최적화하는 프레임워크를 개발하여 스펙트럼 효율성과 하드웨어 실현 가능성을 향상시킨다.
• 광대역 THz 시스템에서 정해진 어레이 이득 성능을 달성하기 위해 필요한 최소 TTD 수를 정량화한다.
• 대규모 시스템 근사에서 도달 가능한 데이터 전송률 하한을 최대화하는 최적의 예비코드기구 설계를 위한 닫힌 형태의 해를 제공한다.

제안 방법

• TTD 및 PS 제약 조건 하에서 하이브리드 예비코드 시스템의 도달 가능한 전송률에 대한 하한을 유도한다.
• 각 TTD의 시간 지연 제약 조건 하에서 도달 가능한 전송률 하한을 최대화하는 TTD 및 PS 예비코드기구의 병행 최적화 문제를 수립한다.
• 라그랑주 이중성과 카룩-쿤-터커(KKT) 조건을 이용하여 최적의 TTD 및 PS 예비코드기구 계수에 대한 닫힌 형태의 해를 유도한다.
• 대규모 시스템 영역에서 이상적인 아날로그 예비코드기구(비전이를 완전히 보상하는 것)와 도달 가능한 전송률 하한을 최대화하는 예비코드기구가 동치임을 증명한다.
• 각 TTD 장치의 시간 지연 범위가 유한함을 모델링하여 하드웨어 제약 조건을 통합함으로써 이전 연구에서 사용된 무한대 지연 가정을 피한다.
• 최적화 문제의 구조를 활용하여 지연이 제한되지 않은 경우와 포화된 경우로 나누어 해를 단순화함. 이는 임계값 $\vartheta_{\text{max}}$ 기반으로 수행된다.

(c)

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 시간 지연 제약 조건 하에서 TTD와 PS 예비코드기구를 병행 최적화하면 기존의 TTD 전용 설계보다 성능이 뛰어나게 되는가?
• RQ2 광대역 THz 대량 MIMO 시스템에서 목표 어레이 이득 성능을 달성하기 위해 필요한 최소 TTD 수는 얼마인가?
• RQ3 대규모 시스템 근사에서 도달 가능한 전송률 하한은 비전이 보상 능력과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 무한대 시간 지연 가정 없이도 근사적으로 이상적인 어레이 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ5 스펙트럼 효율성과 하드웨어 효율성 측면에서 제안된 TTD-PS 병행 예비코드 기법은 이전의 하이브리드 예비코드 방법보다 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 TTD-PS 병행 예비코드 기법은 엄격한 시간 지연 제약 조건 하에서도 근사적으로 이상적인 어레이 이득 성능을 달성하며, 무한대 TTD를 가정하는 이전 방법보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 병행 최적화를 통해 유도된 최적의 예비코드기구는 대규모 시스템 근사에서 비전이를 완전히 보상하는 이상적인 아날로그 예비코드기구와 동치이다.
• 정의된 어레이 이득 성능을 확보하기 위해 필요한 최소 TTD 수를 정량화하였으며, 이 수치는 PS 수가 증가할수록 감소한다.
• 시뮬레이션 결과는 어레이 이득과 스펙트럼 효율성에서 뚜렷한 성능 향상을 확인하였으며, 제한된 TTD 수 조건에서도 높은 성능 유지를 보였다.
• KKT 조건과 행렬 역행렬을 이용하여 예비코드기구 계수에 대한 닫힌 형태의 해를 유도함으로써 반복 최적화 없이도 효율적인 구현이 가능해졌다.
• 성능을 유지하면서도 필요한 TTD 수를 최소화함으로써 전체 TTD 아키텍처 대비 하드웨어 비용과 전력 소모를 감소시켰다.

Figure 2: Comparison between beam squint compensation methods in the prior works [ 8 , 9 , 10 ] (left) and the proposed method in this work (right).