[論文レビュー] Beamforming Technologies for Ultra-Massive MIMO in Terahertz Communications

Boyu Ning, Zhongbao Tian+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Antenna Design and Analysis参考文献 265被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、太赫茲（THz）通信における超大規模MIMO（UM-MIMO）のビームフォーミング技術について包括的なレビューを提供し、高い利得を持つ指向性ビームを用いて深刻な経路損失を克服することに焦点を当てている。高容量・低遅延なTHzリンクを実現するため、ビームトレーニング、IRS支援連携ビームフォーミング、マルチユーザー・ビームフォーミング、広帯域ビームフォーミングソリューションといった高度なビームフォーミング戦略を提案しており、システムモデリング、コードブック設計、ハードウェアに配慮したビームフォーミングアーキテクチャにおける主な貢献がなされている。

ABSTRACT

Terahertz (THz) communications with a frequency band $0.1-10$ THz are envisioned as a promising solution to future high-speed wireless communication. Although with tens of gigahertz available bandwidth, THz signals suffer from severe free-spreading loss and molecular-absorption loss, which limit the wireless transmission distance. To compensate for the propagation loss, the ultra-massive multiple-input-multiple-output (UM-MIMO) can be applied to generate a high-gain directional beam by beamforming technologies. In this paper, a review of beamforming technologies for THz UM-MIMO systems is provided. Specifically, we first present the system model of THz UM-MIMO and identify its channel parameters and architecture types. Then, we illustrate the basic principles of beamforming via UM-MIMO and discuss the far-field and near-field assumptions in THz UM-MIMO. Moreover, an important beamforming strategy in THz band, i.e., beam training, is introduced wherein the beam training protocol and codebook design approaches are summarized. The intelligent-reflecting-surface (IRS)-assisted joint beamforming and multi-user beamforming in THz UM-MIMO systems are studied, respectively. The spatial-wideband effect and frequency-wideband effect in the THz beamforming are analyzed and the corresponding solutions are provided. Further, we present the corresponding fabrication techniques and illuminate the emerging applications benefiting from THz beamforming. Open challenges and future research directions on THz UM-MIMO systems are finally highlighted.

研究の動機と目的

• 太赫茲帯域（0.1–10 THz）における深刻な経路損失に取り組むために、超大規模MIMO（UM-MIMO）システムによる高利得ビームフォーミングを可能にする。
• 遠方場と近方場の仮定の下で、チャネルモデリング、アーキテクチャ設計、ビーム管理を含む、THz UM-MIMO ビームフォーミングの体系的フレームワークを構築する。
• ハイブリッドTTD位相シフターアーキテクチャやカスタム広帯域コードブックを含む、新しいビームフォーミング技術を通じて、広帯域THzシステムにおける帯域制限およびビームスクイント制限を克服する。
• 高密度かつ移動性の高い環境における高容量・低干渉通信を実現するため、効率的なマルチユーザーおよび3次元ビームフォーミングを可能にする。
• 知能反射表面（IRS）と高度なプロセス技術の統合を検討し、スペクトル効率とシステム実用性を向上させる。

提案手法

• チャネルパラメータ、アレイアレイジオメトリ、受信機・送信機アーキテクチャ（例：完全デジタル、ハイブリッド、ハイブリッドTTD位相シフターデザイン）の詳細な特徴付けを伴うTHz UM-MIMOシステムモデルを確立した。
• THz帯域に特化したビームトレーニングプロトコルおよびコードブック設計を提案し、グリッドベースおよび適応的アプローチを用いてオーバーヘッドを低減し、ビームアライメントを向上させた。
• 反射チャネルと直接チャネルのモデル化を通じて、IRS支援連携ビームフォーミングを導入し、信号対インターフェレンス＋ノイズ比（SINR）を最適化する協調的ビームトレーニング方式を提案した。
• 線形プリコーディングアルゴリズム（例：ZF、MMSE）を用いたマルチユーザー・ビームフォーミング戦略を開発し、高移動性およびマルチユーザー環境における性能を分析した。
• THzビームフォーミングにおける空間的広帯域および周波数的広帯域効果を分析し、ビームスクイントを緩和するための解決策（例：ビームスプリット集約および多重化（BSAM））を提案した。AoSAアーキテクチャを用いた。
• THz MIMOアレイのプロセス技術を電子的、光子的、新素材に基づくアプローチに分類し、利得、帯域、ハードウェア複雑性のトレードオフを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THz UM-MIMOシステムにおけるビームフォーミングは、深刻な自由空間損失および分子吸収損失を効果的に補償できるか？
• RQ2 広帯域および高指向性制約下で、THz帯域における最適なビームトレーニングおよびコードブック設計戦略は何か？
• RQ3 知能反射表面（IRS）は、THz UM-MIMOシステムにおけるカバレッジおよびキャパシティをどのように向上させられるか？
• RQ4 高移動性および高密度接続環境におけるマルチユーザー・ビームフォーミングの主な課題と解決策は何か？
• RQ5 空間的広帯域および周波数的広帯域効果は、ビームフォーミング性能にどのように影響を与え、ビームスクイントおよびアライメントずれを緩和するためのアーキテクチャは何か？

主な発見

• THz UM-MIMOシステムは、ビームフォーミングにより高い指向性と経路損失補償を実現でき、視線（LoS）条件下で100 Gbpsを超える潜在的データレートを達成できる。
• ハイブリッドTTD位相シフターアーキテクチャは、ビームフォーミングのオーバーヘッドとエネルギー消費を低減し、広帯域ビームフォーミングをサポートするため、性能とハードウェア複雑性の実用的トレードオフを提供する。
• 狭いビームではなく広い角度領域をカバーするカスタム広帯域コードブックは、広帯域THzシステムにおけるビームスクイントに起因するビームアライメントずれを顕著に低減する。
• IRS支援ビームフォーミングは、非視線（NLoS）リンクを可能にし、低フィードバックオーバーヘッドで協調的ビームトレーニングを実現することで、カバレッジとスペクトル効率を向上させる。
• 3次元ビームフォーミングは、空中・地上ネットワークにおけるより高い指向性とキャパシティを実現できるが、高移動性環境に対応するためには、新たなコードブック設計と高速ビーム管理が必要である。
• アナログビームフォーマーにおけるビームスクイント効果は、ビームスプリット集約および多重化を可能にするAoSAベースのアーキテクチャを用いることで緩和され、ビームアライメントずれを伴わずに広帯域信号受信が可能になる。