[논문 리뷰] Mitigating Hand Blockage with Non-Directional Beamforming Codebooks

Vasanthan Raghavan, Ricardo A. Motos외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 13.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 22인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터 웨이브 시스템에서 손 블로킹을 완화하기 위해 진폭과 양자화된 위상을 공동으로 최적화하는 비방향성 beamforming 코드북을 제안한다. 손에 의해 유도되는 위상 왜곡을 추정하고 보정함으로써, 코드북은 안테나 요소들 간에 신호를 응집적으로 합성하여, 28 GHz에서 4×1 어레이를 사용한 측정 시나리오에서 최대 10 dB의 블로킹 유도 SNR 열화를 감소시킨다.

ABSTRACT

Hand blockage leads to significant performance impairments at millimeter wave carrier frequencies. A number of prior works have characterized the loss in signal strength with the hand using studies with horn antennas and form-factor user equipments (UEs). However, the impact of the hand on the effective phase response seen by the antenna elements has not been studied so far. Towards this goal, we consider a measurement framework that uses a hand phantom holding the UE in relaxed positions reflective of talk mode, watching videos, and playing games. We first study the impact of blockage on a directional beam steering codebook. The tight phase relationship across antenna elements needed to steer beams leads to a significant performance degradation as the hand surface can distort the observed amplitudes and phases across the antenna elements, which cannot be matched by this codebook. To overcome this loss, we propose a non-directional beamforming codebook made of amplitudes and/or quantized phases with both these quantities estimated as necessary. Theoretical as well as numerical studies show that the proposed codebook can de-randomize the phase distortions induced by the hand and coherently combine the energy across antenna elements and thus help in mitigating hand blockage losses.

연구 동기 및 목표

• 손 블로킹이 mmWave 안테나 요소들 간 위상 응답에 미치는 영향에 대한 이해 부족을 해결한다. 이는 단순한 진폭 손실을 넘어서서 발생한다.
• 고정된 위상 관계로 인해 손 블로킹 상황에서 실패하는 전통적인 방향성 beamforming 코드북의 한계를 극복한다.
• 완전한 CSI 피드백이 필요 없이 손에 의한 위상 왜곡에 적응할 수 있는 실용적인 beamforming 전략을 개발한다.
• 추정된 진폭과 위상 정보를 사용해 요소들 간에 에너지를 응집적으로 합성함으로써, 블로킹 관련 SNR 열화를 크게 감소시킬 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 측정된 채널 상태 정보를 기반으로 각각의 진폭과 양자화된 위상을 독립적으로 최적화하는 비방향성 beamforming 코드북을 설계한다.
• 편안한 사용자 자세(통화, 영상 시청, 게임)에서 손 페르포이드를 사용한 측정 프레임워크를 활용해 실제적인 위상 및 진폭 왜곡을 캡처한다.
• 요소별 진폭과 위상에 대한 수신 SNR를 정의하고, 위상 성분의 실수부 및 허수부를 모두 포함하여 응집적 합성 모델링한다.
• 위상 양자화(B 비트)와 진폭 보정이 건설적 간섭에 미치는 영향을 분석함으로써 SNR 향상의 이론적 한계를 유도한다.
• 손에 의한 위상 왜곡을 비랜덤화하는 위상 보정 항목을 도입하여, 블로킹 조건에서도 응집적 합성을 가능하게 한다.
• 이론적 분석과 측정 데이터 기반 수치 시뮬레이션을 통해 접근법을 검증한다. 시험은 28 GHz에서 4×1 이중 편광 패치 어레이에서 수행되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 손 블로킹은 mmWave 안테나 요소들 간의 위상 응답에 어떻게 영향을 미치며, 왜 전통적인 방향성 코드북은 이러한 조건에서 실패하는가?
• RQ2 진폭과 양자화된 위상을 공동으로 최적화하는 비방향성 beamforming 코드북이 손 블로킹 조건에서 방향성 코드북을 능가할 수 있는가?
• RQ3 손에 의한 위상 왜곡을 적응형 beamforming으로 보정함으로써 이론적으로 달성 가능한 SNR 향상은 어느 정도인가?
• RQ4 위상 양자화 비트 수(B)는 블로킹 손실 완화 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 사용자 시나리오에서 요소들 간의 응집적 신호 합성은 블로킹 유도 SNR 열화를 어느 정도 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 비방향성 beamforming 코드북은 측정된 28 GHz 시나리오에서 손 블로킹 조건에서 기존의 방향성 코드북 대비 최대 10 dB의 SNR 향상을 달성한다.
• 손에 의한 위상 왜곡은 방향성 코드북의 성능을 심각하게 떨어뜨리며, 이는 요소들 간 위상 관계의 불일치 때문이다.
• 진폭과 양자화된 위상의 공동 최적화를 통해 신호의 응집적 합성이 가능해지며, 손에 의한 위상 왜곡을 효과적으로 비랜덤화한다.
• 이론적 분석 결과, SNR 향상은 위상 양자화 비트 수(B)에 비례하며, B가 증가함에 따라 이론적 한계에 가까워진다.
• 수치 결과는 제안된 방법이 제한된 피드백 조건에서도 높은 성능을 유지함을 확인하여, 실용적인 mmWave 시스템에 적합함을 보여준다.
• 이 방법은 다양한 사용자 자세(통화, 영상 시청, 게임)에 대해 강건하며, 편안한 손 자세에서 일관된 성능 향상을 보여준다.