[논문 리뷰] Performance Analysis of 6G Multiuser Massive MIMO-OFDM THz Wireless Systems with Hybrid Beamforming under Intercarrier Interference

Md Saheed Ullah, Zulqarnain Bin Ashraf외 1명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 22.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 대량 MIMO-OFDM 테라헤르츠(THz) 시스템을 위한 이중 단계 히브리드 beamforming 설계를 제안하며, 고전적 beamforming에 대한 간섭 간섭(ICI) 완화를 위해 리emannian 다양체 최적화를 활용하고, 디지털 beamforming으로 제로포싱(ZF)을 적용한다. 주요 기여는 ICI를 고려할 경우 스펙트럼 효율성이 상당히 향상됨을 입증한 것으로, 특히 고 SNR 및 증가한 RF 체인과 안테나 수에서 성능 향상이 두드러지며, 시스템 복잡도와 지연 시간도 감소시킨다.

ABSTRACT

6G networks are expected to provide more diverse capabilities than their predecessors and are likely to support applications beyond current mobile applications, such as virtual and augmented reality (VR/AR), AI, and the Internet of Things (IoT). In contrast to typical multiple-input multiple-output (MIMO) systems, THz MIMO precoding cannot be conducted totally at baseband using digital precoders due to the restricted number of signal mixers and analog-to-digital converters that can be supported due to their cost and power consumption. In this thesis, we analyzed the performance of multiuser massive MIMO-OFDM THz wireless systems with hybrid beamforming. Carrier frequency offset (CFO) is one of the most well-known disturbances for OFDM. For practicality, we accounted for CFO, which results in Intercarrier Interference. Incorporating the combined impact of molecular absorption, high sparsity, and multi-path fading, we analyzed a three-dimensional wideband THz channel and the carrier frequency offset in multi-carrier systems. With this model, we first presented a two-stage wideband hybrid beamforming technique comprising Riemannian manifolds optimization for analog beamforming and then a zero-forcing (ZF) approach for digital beamforming. We adjusted the objective function to reduce complexity, and instead of maximizing the bit rate, we determined parameters by minimizing interference. Numerical results demonstrate the significance of considering ICI for practical implementation for the THz system. We demonstrated how our change in problem formulation minimizes latency without compromising results. We also evaluated spectral efficiency by varying the number of RF chains and antennas. The spectral efficiency grows as the number of RF chains and antennas increases, but the spectral efficiency of antennas declines when the number of users increases.

연구 동기 및 목표

• 다중 사용자 대량 MIMO-OFDM THz 시스템에서 스펙트럼 효율성과 시스템 성능를 떨어뜨리는 간섭 간섭(ICI) 문제를 해결하기 위해.
• 실제 6G 구현에 적합한 저복잡도, 저지연 히브리드 beamforming 아키텍처를 설계하기 위해, 아날로그 및 디지털 프리코딩을 조합한다.
• ICI, 캐리어 주파수 오프셋(CFO), 그리고 RF 체인, 안테나, 사용자 수 등의 시스템 파라미터가 스펙트럼 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 스펙트럼 효율을 극대화하는 대신 간섭을 최소화하는 목표로 beamforming을 최적화하여 계산 복잡도를 감소시키면서도 높은 성능를 유지하기 위해.
• 실제 3차원 대역폭 THz 채널 특성(분자 흡수, 다중 경로 fading, 고경로 손실 포함)을 기반으로 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 주파수 선택적 페이딩, 분자 흡수, 고스파arsity를 고려한 3차원 대역폭 THz 채널 모델을 개발하였다.
• 이중 단계 히브리드 beamforming 프레임워크를 제안: 아날로그 beamforming에 대해 리emannian 다양체 최적화, 디지털 beamforming에 대해 제로포싱(ZF)을 적용하였다.
• 스펙트럼 효율을 극대화하는 대신 간섭을 최소화하는 목표로 beamforming 문제를 재정의하여 계산 복잡도를 감소시켰다.
• OFDM 시스템에서 고속도 또는 주파수 불확실 환경에서 중요한 간섭 간섭(ICI)을 모델링하기 위해 캐리어 주파수 오프셋(CFO) 영향을 통합하였다.
• 완전 연결형 히브리드 beamforming 아키텍처를 사용하여 하드웨어 비용을 줄이면서도 전체 공간 multiplexing 이득을 확보하였다.
• SNR, 거리, RF 체인 및 안테나 수와 같은 실제 시스템 파라미터를 기반으로 샤논 용량 공식을 사용하여 스펙트럼 효율성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 히브리드 beamforming를 적용한 대량 MIMO-OFDM THz 시스템에서 간섭 간섭(ICI)은 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 ICI 모델링을 beamforming 설계에 통합할 경우 이를 무시했을 때에 비해 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 RF 체인 수와 안테나 수가 히브리드 beamforming THz 시스템의 스펙트럼 효율성과 시스템 지연 시간에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 스펙트럼 효율을 극대화하는 대신 간섭을 최소화하는 목표로 재정의한 beamforming 목적함수는 성능 손실 없이 복잡도를 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 실내 THz MIMO-OFDM 시스템에서 히브리드 beamforming과 ICI를 고려할 경우 전송 거리가 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• beamforming 설계에 ICI를 고려할 경우 고신호대노이즈비(SNR)에서 스펙트럼 효율성이 상당히 향상되며, 실질적인 THz 시스템 설계에서 ICI의 핵심적 역할을 입증한다.
• RF 체인 수와 송신 안테나 수가 증가할수록 스펙트럼 효율성이 향상되지만, 사용자 수가 증가함에 따라 간섭과 자원 공유로 인해 감소한다.
• 본 논문에서 제안한 방법은 스펙트럼 효율을 극대화하는 대신 간섭을 최소화하는 목표로 beamforming 목적함수를 재정의함으로써 시스템 지연을 감소시켰으며, 복잡도는 낮추면서도 성능 저하가 미미하다.
• 전송 거리가 5미터를 초과하면 스펙트럼 효율이 급격히 감소하여 고데이터 전송 속도를 위한 THz 통신의 범위가 제한됨을 시사한다.
• 수치 결과는 ICI를 무시할 경우 최적의 beamforming 성능에 도달하지 못하며, 특히 고SNR 및 고밀도 사용자 환경에서 스펙트럼 효율성이 뚜렷하게 저하됨을 보여준다.
• ICI가 적절히 모델링되고 완화된 경우 고SNR 조건에서도 높은 스펙트럼 효율성을 확보할 수 있으며, 이는 제안된 이중 단계 히브리드 beamforming 접근법의 효과성을 확인한다.