[论文解读] Hybrid Analog and Digital Beamforming for mmWave OFDM Large-Scale Antenna Arrays

Foad Sohrabi, Wei Yu|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 23被引用 10

一句话总结

本文提出了一种针对大规模阵列毫米波OFDM系统的统一启发式混合模拟-数字波束成形设计，利用信道稀疏性，实现子载波间的通用模拟波束成形器，同时为每个子载波自适应调整数字波束成形器。该方法在远少于射频链路数量的情况下，实现了接近全数字波束成形的频谱效率，尤其在全连接架构中表现优异，并在单用户与多用户场景下均优于现有方法。

ABSTRACT

Hybrid analog and digital beamforming is a promising candidate for large-scale mmWave MIMO systems because of its ability to significantly reduce the hardware complexity of the conventional fully-digital beamforming schemes while being capable of approaching the performance of fully-digital schemes. Most of the prior work on hybrid beamforming considers narrowband channels. However, broadband systems such as mmWave systems are frequency-selective. In broadband systems, it is desirable to design common analog beamformer for the entire band while employing different digital beamformers in different frequency sub-bands. This paper considers hybrid beamforming design for systems with OFDM modulation. First, for a SU-MIMO system where the hybrid beamforming architecture is employed at both transmitter and receiver, we show that hybrid beamforming with a small number of RF chains can asymptotically approach the performance of fully-digital beamforming for a sufficiently large number of transceiver antennas due to the sparse nature of the mmWave channels. For systems with a practical number of antennas, we then propose a unified heuristic design for two different hybrid beamforming structures, the fully-connected and the partially-connected structures, to maximize the overall spectral efficiency of a mmWave MIMO system. Numerical results are provided to show that the proposed algorithm outperforms the existing hybrid beamforming methods and for the fully-connected architecture the proposed algorithm can achieve spectral efficiency very close to that of the optimal fully-digital beamforming but with much fewer RF chains. Second, for the MU-MISO case, we propose a heuristic hybrid percoding design to maximize the weighted sum rate in the downlink and show numerically that the proposed algorithm with practical number of RF chains can already approach the performance of fully-digital beamforming.

研究动机与目标

• 解决毫米波MIMO系统中全数字波束成形带来的高硬件复杂度挑战。
• 为宽带、频率选择性毫米波OFDM系统设计混合波束成形，其中单个模拟波束成形器覆盖所有子载波。
• 在实际射频链路数量限制下，最大化单用户MIMO与多用户MISO系统的频谱效率。
• 设计一种适用于全连接与部分连接混合波束成形架构的统一启发式算法。
• 证明混合波束成形可在显著减少射频链路数量的前提下，逼近全数字波束成形性能。

提出的方法

• 利用毫米波信道的稀疏散射特性，证明在大规模天线阵列下，各子载波的协方差矩阵近似相同，从而支持使用统一的模拟波束成形器。
• 提出一种统一的启发式算法，联合优化全连接与部分连接混合架构下的模拟与数字波束成形器。
• 通过子载波特定的数字波束成形器适应频率选择性信道响应，同时保持共享的模拟波束成形器。
• 在多用户MISO系统中，设计一种启发式混合预编码器，以最大化下行链路加权和速率。
• 应用迭代优化技术，在频谱效率与硬件约束之间取得平衡，重点关注实际射频链路数量。
• 通过系统级仿真验证设计，采用真实的路径损耗模型与用户调度策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 在毫米波MIMO系统中，是否可通过所有OFDM子载波共享同一模拟波束成形器的混合波束成形，渐近逼近全数字波束成形性能？
• RQ2 如何设计一种统一的启发式算法，以优化全连接与部分连接架构下的混合波束成形？
• RQ3 在宽带毫米波系统中，使用有限数量射频链路的混合波束成形，其频谱效率能多接近全数字波束成形？
• RQ4 在多用户场景下，所提出的混合波束成形设计是否在频谱效率与公平性方面优于现有方法？
• RQ5 当使用基于和速率优化的模拟波束成形器时，频谱效率与用户公平性之间的权衡如何？

主要发现

• 当天线数量足够大时，由于各子载波间信道协方差矩阵的特征向量近似相似，该混合波束成形设计可渐近逼近全数字波束成形性能。
• 在64根天线与仅8条射频链路条件下，所提出的混合波束成形性能显著优于8根天线与8条射频链路的全数字波束成形。
• 所提出的算法在16条射频链路下，频谱效率非常接近于64根天线与64条射频链路的全数字WMMSE波束成形。
• 在多用户场景中，使用8条或16条射频链路的所提混合波束成形方案，其和速率与全数字WMMSE相当，尽管对高数据率用户略有偏向。
• 经验累积分布函数（CDF）结果表明，尽管全数字波束成形对最低40%用户速率更优，但所提混合设计在上半部分60%用户中表现更佳，表明存在公平性权衡。
• 所提出的启发式算法在不同系统配置下，均优于现有混合波束成形方法，在频谱效率与鲁棒性方面表现更优。