[논문 리뷰] Wideband Beamforming with Rainbow Beam Training using Reconfigurable True-Time-Delay Arrays for Millimeter-Wave Wireless

Chung-Ching Lin, Veljko Boljanovic외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 30.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 74인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터파 무선 시스템을 위한 재구성 가능한 진짜 시간 지연(TTD) 어레이를 제안하며, '레인보우 비임' 기법을 통해 광대역 빔포밍과 빠르고 저지연의 빔 트레이닝을 가능하게 한다. 주파수 의존성 빔 스쿼이트를 활용하기 위해 조정 가능한 TTD 요소를 사용함으로써 시스템은 정밀한 3차원 빔 방향 검출을 실현하고, 교통 과부하가 적은 대량 다중 액세스를 지원하며, 광대역 및 고속 이동 환경에서 기존의 위상 이동자 기반 어레이보다 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

The decadal research in integrated true-time-delay arrays have seen organic growth enabling realization of wideband beamformers for large arrays with wide aperture widths. This article introduces highly reconfigurable delay elements implementable at analog or digital baseband that enables multiple SSP functions including wideband beamforming, wideband interference cancellation, and fast beam training. Details of the beam-training algorithm, system design considerations, system architecture and circuits with large delay range-to-resolution ratios are presented leveraging integrated delay compensation techniques. The article lays out the framework for true-time-delay based arrays in next-generation network infrastructure supporting 3D beam training in planar arrays, low latency massive multiple access, and emerging wireless communications standards.

연구 동기 및 목표

• 광대역 mmWave 시스템에서 위상 이동자 기반 진동 어레이의 한계, 특히 빔 스쿼이트와 제한된 분수 대역폭 문제를 해결한다.
• 의도적인 주파수 의존성 빔 스쿼이트를 활용해 이동성 및 대량 액세스 시나리오에서 고정밀, 저지연 빔 트레이닝을 가능하게 한다.
• 다양한 공간 신호 처리 기능을 지원하는 재구성 가능한 TTD 어레이 아키텍처를 개발한다: 광대역 빔포밍, 간섭 제거, 빠른 빔 트레이닝.
• TTD 기반 빔 트레이닝을 위해 동기화 신호(SS) 블록을 재설계함으로써 5G 뉴 라디오(NR) 표준과의 호환성을 확보한다.
• 통합 지연 보정 기술을 통해 큰 지연 범위 대 해상도 비율을 달성함으로써 고정밀 빔 제어를 실현한다.

제안 방법

• 아날로그 또는 디지털 베이스밴드에서 재구성 가능한 TTD 요소를 구현하여 어레이 요소 간 신호 전파 시간을 동적으로 제어한다.
• 서브밴드 간 제어된 캘리브레이션된 시간 지연을 도입함으로써 주파수 의존성 빔 스쿼이트를 활용하여, 서로 다른 주파수 성분에 대해 별도의 빔을 형성하는 '레인보우 비임'을 생성한다.
• 광대역 신호 전반에 걸쳐 기준 신호(PSS, SSS, DMRS)를 반복하는 새로운 SS 블록 웨이브폼을 설계하여, 사용자 equipment(UE)가 주파수 선택적 빔 스위칭을 통해 최소한 하나의 전체 블록을 감지할 수 있도록 한다.
• 데이터 통신 중 빔 스쿼이트를 최소화하기 위해 지연 보정 회로를 통합하여 광대역에서 빔 방향성과 이득을 유지한다.
• 서브어레이 아키텍처를 갖춘 평면 TTD 어레이를 활용하여 3차원 빔포밍을 실현하고, 동적인 환경에서 이동 중 사용자에 대한 지원을 가능하게 한다.
• 다양한 주파수 서브밴드가 서로 다른 방향으로 향하도록 설계된 TTD 기반 오р토곤럴 주파수 분할 다중접근(OFDMA) 체계를 제안하여, 시간 분할 빔 스위칭 없이도 동시에 다중 사용자 액세스를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진짜 시간 지연 어레이가 광대역 mmWave 통신에서 빔 스쿼이트 문제를 해결하면서도 빔 방향성과 이득을 유지할 수 있는가?
• RQ2 TTD 어레이를 활용한 광대역 mmWave 시스템에서 서브빔 해상도와 저지연 방향 도착 추정을 가능하게 하는 빔 트레이닝 알고리즘은 무엇인가?
• RQ3 TTD 기반 빔 트레이닝은 기존의 5G NR 표준, 특히 SS 블록 구조와 동기화 절차와 호환될 수 있는가?
• RQ4 통합 TTD 어레이에서 실용적인 mmWave 시스템을 위해 지연 범위 대 해상도 비율을 극대화하는 아키텍처 및 회로 수준 설계 선택은 무엇인가?
• RQ5 TTD 기반 레인보우 비임은 대량 기계 유형 통신(mMTC) 시나리오에서 효율적이고 과도한 오버헤드 없이 다중 액세스를 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 TTD 어레이는 통합 지연 보정을 통해 빔 스쿼이트를 최소화하고, 10GHz 이상의 대역폭에서 빔 패턴 안정성을 유지함으로써 광대역 빔포밍을 실현한다.
• 레인보우 비임 트레이닝 방법은 전면 빔 스위핑을 제거함으로써 빔 트레이닝 지연을 감소시키며, 주파수 선택적 빔 스위칭을 통한 빠른 도착 방향 추정을 가능하게 한다.
• 모의 실험 결과, 10개의 서브밴드를 갖춘 4×2 평면 TTD 어레이는 각 서브밴드에 대해 별도의 3dB 빔 윤곽을 갖는 제어된 주파수 의존성 빔 패턴을 나타내어 레인보우 비임 개념을 검증한다.
• 다시 설계된 SS 블록은 주파수 의존성 빔을 통해 UE가 레거시 SS 블록을 전체적으로 감지할 수 있도록 하여, SS 버스트 없이도 동기화 및 빔 방향 추정을 가능하게 한다.
• TTD 기반 OFDMA 체계는 서로 다른 주파수 자원이 빔 분산을 통해 암묵적으로 다른 사용자에게 향하도록 하여, 빔 관리 오버헤드를 감소시키며 동시에 다중 사용자 액세스를 실현한다.
• 시스템은 3차원 빔포밍과 이동 중 통신을 지원하며, 향후 mmWave 네트워크 및 새로운 무선 표준에 통합될 잠재력을 지닌다.