[논문 리뷰] Towards an Appropriate Receiver Beamforming Scheme for Millimeter Wave Communication: A Power Consumption Based Comparison

Waqas Bin Abbas, Michele Zorzi|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 18.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 13인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터파(mmWave) 수신기에서 디지털 빔포밍(DBF)이 너무 전력 소모가 많아서 부적절하다는 기존의 믿음을 도전하며, 아날로그(ABF), 디지털(DBF), 하이브리드 빔포밍(HBF) 방식의 총 전력 소비를 분석한다. 특정 대역폭(B), ADC 해상도(b), 안테나 수(N_ANT) 조건 하에서 DBF가 HBF 및 ABF와 비교해 유사하거나 더 낮은 전력 소비를 보일 수 있음을 보여주며, 특히 저전력 ADC 모델과 저SNR 환경에서 DBF는 전체 디지털 처리 유연성이 필요한 경우 실용적인 선택이 될 수 있다.

ABSTRACT

At millimeter wave (mmW) frequencies, beamforming and large antenna arrays are an essential requirement to combat the high path loss for mmW communication. Moreover, at these frequencies, very large bandwidths are available to fulfill the data rate requirements of future wireless networks. However, utilization of these large bandwidths and of large antenna arrays can result in a high power consumption which is an even bigger concern for mmW receiver design. In a mmW receiver, the analog-to-digital converter (ADC) is generally considered as the most power consuming block. In this paper, primarily focusing on the ADC power, we analyze and compare the total power consumption of the complete analog chain for Analog, Digital and Hybrid beamforming (ABF, DBF and HBF) based receiver design. We show how power consumption of these beamforming schemes varies with a change in the number of antennas, the number of ADC bits (b) and the bandwidth (B). Moreover, we compare low power (as in [1]) and high power (as in [2]) ADC models, and show that for a certain range of number of antennas, b and B, DBF may actually have a comparable and lower power consumption than ABF and HBF, respectively. In addition, we also show how the choice of an appropriate beamforming scheme depends on the signal-to-noise ratio regime.

연구 동기 및 목표

• 디지털 빔포밍(DBF)이 mmWave 수신기에서 너무 전력 소모가 많다는 일반적인 가정을 도전하기 위해.
• 아날로그(ABF), 디지털(DBF), 하이브리드(HBF) 빔포밍 방식 간의 총 전력 소비를 종합적으로 비교하기 위해.
• DBF가 HBF 및 ABF와 유사하거나 더 낮은 전력 소비를 보이는 시스템 파라미터 영역(B, b, N_ANT)을 규명하기 위해.
• 신호 대 잡음비(SNR)와 ADC 전력 모델(저전력 대비 고전력)이 최적의 빔포밍 방식 선택에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 ABF, DBF, HBF에 대한 mmWave 수신기 체인의 총 전력 소비를 모델링하며, 주로 ADC 전력 소모를 중심으로 분석한다.
• 저전력(LPADC) 및 고전력(HPADC) 모델 두 가지 ADC 모델을 사용하여 그 영향을 전체 시스템 전력에 미치는 영향을 평가한다.
• 수신 안테나 수(N_ANT), ADC 해상도(b 비트), 시스템 대역폭(B)를 고려하여 각 빔포밍 아키텍처에 대한 전력 소비 식을 유도한다.
• B, b, N_ANT를 변화시켜 전력 소비를 비교하고, DBF가 HBF 및 ABF보다 에너지 효율성이 높은 영역을 규명한다.
• SNR를 성능 지표로 포함하여 ADC 해상도가 SNR에 미치는 영향과 그로 인한 시스템 성능에 미치는 영향을 평가한다.
• 시뮬레이션과 수치 결과를 통해 연구 결과를 검증하여, 특정 조건 하에서 DBF가 최적일 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대역폭(B), ADC 해상도(b), 안테나 수(N_ANT)가 어떤 조건일 때 디지털 빔포밍(DBF)이 하이브리드 빔포밍(HBF)보다 유사하거나 더 낮은 전력 소비를 보일 수 있는가?
• RQ2 저전력 및 고전력 ADC 모델이 mmWave 수신기 설계에서 ABF, DBF, HBF의 상대적 전력 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전체 수신기 체인 전력 소비를 고려할 때, DBF는 안테나 수만큼 ADC가 필요함에도 불구하고 ABF와 비교해 유사하거나 더 낮은 전력 소비를 달성할 수 있는가?
• RQ4 신호 대 잡음비(SNR)가 최적의 빔포밍 방식 선택과 필요한 ADC 해상도(b)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 에너지 효율성과 시스템 유연성 측면에서 DBF가 HBF 또는 ABF보다 유리한 시나리오는 어떤 경우인가?

주요 결과

• 저전력 ADC 모델의 경우, RF 체인 수(N_RF)가 낮고 안테나 수(N_ANT)가 중간 수준(예: N_ANT ≤ 16)일 경우 DBF는 HBF와 유사하거나 더 낮은 전력 소비를 보일 수 있다.
• N_ANT = 16일 경우 DBF의 전력 소비는 ABF와 유사하여, 다중 빔 기능으로 인해 초기 셀 검색 지연을 줄일 수 있는 이동국에서 실용적인 선택이 될 수 있다.
• N_ANT ≥ 64인 기지국 환경에서는 DBF가 동시에 더 많은 빔을 형성할 수 있어 HBF보다 더 높은 시스템 용량을 달성할 수 있으며, 특히 N_RF를 늘릴 경우 전력이 더 높더라도 여전히 유리하다.
• 고전력 ADC(HPADC)의 경우, DBF의 최적 ADC 해상도(b*)와 대역폭(B*)은 상대적으로 낮지만, 특정 B 및 b 조건 하에서는 여전히 HBF와 경쟁력이 있다.
• DBF가 HBF의 전력 소비를 따라잡기 위해 필요한 ADC 비트 수(b)는 성능 저하를 심각하게 유발하지 않도록 충분히 높아야 하며, 이는 성능 손실 없이도 가능함을 보여준다.
• 저SNR 환경과 다중 동시 빔이 필요한 응용 분야(예: 초기 셀 검색, 다중 사용자 통신)에서는 DBF가 특히 유리하다.