[논문 리뷰] Two-Stage Hybrid Transceiver Design Relying on Low-Resolution ADCs in Partially Connected MU Terahertz (THz) MIMO Systems

Abhisha Garg, Akash Kumar외 3명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 10.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 0

한 줄 요약

두 단계 하이브리드 빔포밍 프레임워크를 제안하여 저해상도 ADC를 갖춘 부분적으로 연결된 MU THz MIMO에서 빔-스플릿을 완화하기 위해 true time delay(TTD)을 활용하고 dual-wideband 채널에서 약 13%의 스펙트럴 효율 향상을 달성한다.

ABSTRACT

A two-stage hybrid transceiver is designed by considering a partially connected architecture at the base station (BS) for a low-resolution multi-user (MU) THz massive multiple input multiple output (MIMO) system. Due to its high bandwidth coupled with a high number of antennas, the THz band suffers from the deleterious spatial-wideband and frequency-wideband effects jointly termed as the dual-wideband effect. To address this undesired phenomenon, we rigorously model the THz MIMO channel at each subarray corresponding to each user by incorporating the absorption, reflection, and free-space losses. Subsequently, a novel beamforming technique is proposed that employs only a few true time delay (TTD) lines for eliminating the beam-split effect, which is the manifestation of the spatial-wideband effect in the frequency domain. Our simulation results demonstrate a performance improvement of around 13% in terms of spectral efficiency over the existing state-of-the-art techniques.

연구 동기 및 목표

• 대형 어레이와 저해상도 ADC를 갖춘 고대역폭 THz MU-MIMO 시스템의 필요성 및 동기를 제시한다.
• 흡수, 반사 및 자유공간 손실을 포함한 dual-wideband THz 채널을 모델링한다.
• 빔-스플릿을 상쇄하기 위해 true time delay 라인을 활용한 실용적인 두 단계 하이브리드 빔포밍 스킴을 개발한다.
• 양자화된 시스템을 선형화하고 최적화를 용이하게 하기 위해 Bussgang 분해를 포함시킨다.
• 시뮬레이션에서 최첨단 기법들에 비해 스펙트럴 효율 향상을 입증한다.

제안 방법

• dual-wideband 효과를 반영하기 위해 흡수, 반사 및 자유공간 손실을 포함하여 각 서브 어레이의 THz MU-MIMO 채널을 모델링한다.
• ZP가 있는 SC-FDE를 통해 원형 합성 및 서브캐리어별 FFT 기반 처리를 가능하게 한다.
• 저해상도 ADC 기반 수신기 모델을 선형화하기 위해 Bussgang 분해를 적용한다.
• Stage-1: 각 RF 체인당 공간적으로 희소한 사전(Dictionary) 기반 접근법(SOMP 유사)을 이용해 각도 스파스성으로부터 주파수에 독립적인 빔 스티어링 각을 계산한다.
• Stage-2: stage-1 빔포머를 시간 지연 요소를 사용해 주파수 의존적 프리코더/콤바이너로 변환하여 서브캐리어 간 빔-스플릿을 상쇄한다.
• RF/RC 행렬의 크기 고정 제약 하에 트랜시버를 최적화하고 MMSE 콤바이너를 도출하며 등가 채널을 구성하고 Subcarrier (k)별 스펙트럴 효율 SE = (1/K) sum log2(|I + (1/Ns) C^{-1}[k] S[k]|)로 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저해상도 ADC를 갖춘 부분적으로 연결된 MU THz MIMO 시스템에서 두 단계 하이브리드 트랜시버 설계가 빔-스플릿 및 dual-wideband 효과를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ2 THz 채널에서 ZP가 있는 SC-FDE에 대해 TTD 기반 주파수 의존적 프리코딩/콤바이닝을 사용할 때 스펙트럴 효율에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 실용 하드웨어 제약 하에서 LoS 및 NLoS 구성요소를 포함하는 dual-wideband THz 채널 모델이 달성 가능한 SE에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다중 사용자, 부분적으로 연결된 아키텍처에서 공간적으로 희소한 프리코더/콤바이너 설계가 사전에 있는 사전(Dictionary)에서 빔 방향을 효율적으로 선택할 수 있는가?
• RQ5 Bussgang 기반 선형화와 TTD 보상을 채택할 때 기존 기법에 비해 성능 이득은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 두 단계 프레임워크는 시뮬레이션에서 기존 기법에 비해 상당한 스펙트럴 효율 향상을 제공합니다.
• 빔-스플릿 효과는 시간 지연 소자를 사용하여 주파수 의존적 빔포밍으로 구현함으로써 크게 감소합니다.
• 저해상도 ADC를 갖춘 부분적으로 연결된 BS 아키텍처는 Bussgang 기반 선형화와 제대로 설계된 TTD 기반 프리코더/콤바이너와 함께 유효합니다.
• Stage-1 SOMP 유사 각도 선택은 각 RF 체인에 대해 송신 사전에 있는 최적의 빔 방향을 식별하여 복잡도를 감소시킵니다.
• Stage-2 시간지연 보상은 주파수 불변 빔을 주파수 의존 빔으로 변환하여 서브캐리어 전반의 실제 광선 방향과 일치시킵니다.