[논문 리뷰] Joint Inter-path and Intra-path Multiplexing for Terahertz Widely-spaced Multi-subarray Hybrid Beamforming Systems

Longfei Yan, Yuhang Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 20.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 천재파(THz) 통신을 위한 광범위하게 간격을 둔 다중서브어레이(WSMS) 하이브리드 빔포밍 아키텍처를 제안하며, 기존 아키텍처보다 k배의 다중화 이득을 달성하기 위해 상호경로 및 내경로 다중화를 동시에 활용한다. 서브어레이 수, 간격, 빔포밍 행렬을 닫힌 형태의 해법과 주된 LoS 완화 알고리즘을 통해 최적화함으로써 WSMS 시스템은 기존 FC 및 AoSA 아키텍처 대비 스펙트럼 효율성 189% 향상과 에너지 효율성 91% 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Terahertz (THz) communications with multi-GHz bandwidth are envisioned as a key technology for 6G systems. Ultra-massive (UM) MIMO with hybrid beamforming architectures are widely investigated to provide a high array gain to overcome the huge propagation loss. However, most of the existing hybrid beamforming architectures can only utilize the multiplexing offered by the multipath components, i.e., inter-path multiplexing, which is very limited due to the spatially sparse THz channel. In this paper, a widely-spaced multi-subarray (WSMS) hybrid beamforming architecture is proposed, which improves the multiplexing gain by exploiting a new type of intra-path multiplexing provided by the spherical-wave propagation among k widely-spaced subarrays, in addition to the inter-path multiplexing. The resulting multiplexing gain of WSMS architecture is k times of the existing architectures. To harness WSMS hybrid beamforming, a novel design problem is formulated by optimizing the number of subarrays, subarray spacing, and hybrid beamforming matrices to maximize the spectral efficiency, which is decomposed into two subproblems. An optimal closed-form solution is derived for the first hybrid beamforming subproblem, while a dominant-line-of-sight-relaxation algorithm is proposed for the second array configuration subproblem. Extensive simulation results demonstrate that the WSMS architecture and proposed algorithms substantially enhance the spectral efficiency and energy efficiency.

연구 동기 및 목표

• 공간적으로 희박한 채널에서 다중 경로가 적어 스펙트럼 효율성이 제한되는 천재파 하이브리드 빔포밍 문제 해결.
• 기존 아키텍처가 상호경로 다중화만을 활용하는 데서 비롯되는 제약 극복 — 이는 희박한 천재파 채널에서 심각하게 제한됨.
• 광범위하게 간격을 둔 서브어레이 간의 구면파 전파를 활용해 새로운 내경로 다중화 이득 도입.
• 서브어레이 수, 간격, 빔포밍 행렬을 동시에 최적화하여 스펙트럼 효율성을 극대화하는 공동 설계 문제 수립.
• 실제 구현을 위한 저복잡도 알고리즘 — 닫힌 형태의 해법과 주된 LoS 완화 알고리즘 개발.

제안 방법

• 서브어레이를 파장의 반보다 큰 간격으로 배치하여 구면파 전파와 내경로 다중화를 가능하게 하는 광범위하게 간격을 둔 다중서브어레이(WSMS) 하이브리드 빔포밍 아키텍처 제안.
• 서브어레이 수(k), 서브어레이 간격(ds), 하이브리드 빔포밍 행렬을 동시에 최적화하는 스펙트럼 효율성 극대화 문제 수립.
• 문제를 두 개의 하위문제로 분해: (1) 채널 구조를 활용해 최적의 닫힌 형태 해법을 도출한 하이브리드 빔포밍 최적화.
• 천재파 대역에서 일반적으로 강한 선로직선(LoS) 성분을 갖는 점을 활용해 주된 LoS 완화(DLR) 알고리즘으로 어레이 구성 설계.
• 장치별 전력 소비 값을 사용하고 총 전력 소비를 송신기 및 수신기 구성 요소의 합으로 모델링하여 하드웨어 전력 소비 모델링.
• 로그형 스펙트럼 효율성 모델과 선형 전력 스케일링을 사용해 다양한 아키텍처 간 에너지 효율성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 천재파 하이브리드 빔포밍에서 내경로 다중화를 효과적으로 활용할 수 있는가? — 이는 희박한 상호경로 다중화의 제약를 극복하기 위함.
• RQ2 광범위하게 간격을 둔 서브어레이 수(k)와 그 간격(ds)이 천재파 WSMS 시스템의 스펙트럼 효율성에 어떻게 동시에 영향을 미치는가?
• RQ3 구면파 전파를 고려한 WSMS 아키텍처에서 스펙트럼 효율성을 극대화하는 최적의 빔포밍 설계는 무엇인가?
• RQ4 실제 구현을 위해 어레이 구성과 빔포밍을 동시에 최적화할 수 있는 저복잡도 알고리즘을 개발할 수 있는가?
• RQ5 제안된 WSMS 아키텍처는 기존 FC 및 AoSA 하이브리드 빔포밍 아키텍처와 비교해 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• WSMS 아키텍처는 상호경로 및 내경로 다중화를 동시에 활용함으로써 서브어레이 수 k에 비례하는 k배의 다중화 이득을 달성한다.
• 제안된 하이브리드 빔포밍에 대한 닫힌 형태의 해법은 기존 방법보다 훨씬 낮은 계산 복잡도로 최적의 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 어레이 구성 설계를 위한 주된 LoS 완화(DLR) 알고리즘은 근사 최적 성능을 유지하면서도 낮은 복잡도를 확보한다.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 알고리즘을 적용한 WSMS 시스템은 기존 FC 및 AoSA 아키텍처 대비 스펙트럼 효율성 189% 향상됨.
• 서브어레이 수 k와 간격 ds를 최적화함으로써 기준 WSMS 시스템(서브어레이 수 k=2) 대비 스펙트럼 효율성 96% 향상됨.
• 에너지 효율성은 대응 아키텍처 대비 91% 향상되었으며, 주로 높은 스펙트럼 효율성 향상과 효율적인 하드웨어 전력 모델링 덕분이다.