[论文解读] MIMO Beamforming in Millimeter-Wave Directional Wi-Fi

Keang-Po Ho, Shi Cheng+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 17被引用 6

一句话总结

本文提出了一种用于60-GHz毫米波定向Wi-Fi中MIMO系统的交替最小二乘（ALS）波束成形算法，支持多波束传输与接收，以提升频谱效率。该方法在共享与分离MIMO架构下，均能在频率平坦与频率选择性衰落信道中有效运行，并在分离架构中近似最大化MIMO信道容量。

ABSTRACT

Beamforming is indispensable in the operation of 60-GHz millimeter-wave directional multi-gigabit Wi-Fi. Simple power method and its extensions enable the transmitting and receiving antenna arrays to form a beam for single spatial stream. To further improve the spectral efficiency in future 60-GHz directional Wi-Fi, alternating least square (ALS) algorithm can form multiple beams between the transmitter and receiver for multi-input-multi-output (MIMO) operations. For both shared and split MIMO architecture, the ALS beamforming algorithm can be operated in both frequency-flat and frequency-selective channels. In the split architecture, MIMO beamforming approximately maximizes the capacity of the beam-formed MIMO channel.

研究动机与目标

• 在60-GHz定向Wi-Fi中超越单流波束成形，提升频谱效率。
• 解决简单功率波束成形在多流MIMO操作中的局限性。
• 开发一种在频率平坦与频率选择性衰落环境中均有效的波束成形算法。
• 在共享与分离MIMO系统架构中评估性能。
• 在实际毫米波部署中最大化波束成形MIMO信道的容量。

提出的方法

• 采用交替最小二乘（ALS）算法，联合优化多流MIMO传输的发射与接收波束成形波束。
• 该算法通过迭代更新发射端与接收端的波束成形向量，以最小化均方误差。
• 支持共享与分离MIMO架构，其中波束成形在基带或射频域执行。
• 通过适当建模信道响应，该方法可适用于频率平坦与频率选择性衰落信道。
• 波束成形设计在实际硬件约束下，确保空间复用增益最大化。
• 该算法在发射端与接收端均具备完美信道状态信息的假设下推导得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在60-GHz毫米波定向Wi-Fi中有效实现MIMO波束成形，以支持多流传输？
• RQ2 何种波束成形算法可在频率平坦与频率选择性衰落信道中实现高效运行？
• RQ3 基于ALS的波束成形在共享与分离MIMO架构中的性能表现如何？
• RQ4 波束成形在毫米波系统中能在多大程度上最大化MIMO信道容量？
• RQ5 信道估计精度与硬件限制对波束成形性能有何影响？

主要发现

• ALS波束成形算法成功实现了60-GHz MIMO Wi-Fi系统中的多波束传输与接收。
• 该算法通过在多条数据流之间支持空间复用，实现了高频频谱效率。
• 在分离MIMO架构中，波束成形设计近似最大化了波束成形MIMO信道的容量。
• 该方法在频率平坦与频率选择性衰落环境中均表现出鲁棒性。
• 该算法在实际系统约束下（包括有限反馈与硬件损伤）仍能保持良好性能。
• 仿真结果表明，与单流波束成形方法相比，其频谱效率得到显著提升。