[论文解读] Terahertz Ultra-Massive MIMO-Based Aeronautical Communications in Space-Air-Ground Integrated Networks

Anwen Liao, Zhen Gao+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 52被引用 5

一句话总结

本文提出了一种太赫兹超大规模MIMO（UM-MIMO）航空通信在空-天-地一体化网络中的新型信道估计与跟踪框架。通过利用导航辅助的波束赋形角度估计以及分组真延时单元（GTTDU），该方法有效缓解了三重延迟-波束-多普勒张量效应，实现了精确的波束对准与有效的多普勒补偿，仿真结果验证了在高速移动环境下高精度信道状态信息（CSI）获取的可行性。

ABSTRACT

The emerging space-air-ground integrated network has attracted intensive research and necessitates reliable and efficient aeronautical communications. This paper investigates terahertz Ultra-Massive (UM)-MIMO-based aeronautical communications and proposes an effective channel estimation and tracking scheme, which can solve the performance degradation problem caused by the unique {\emph{triple delay-beam-Doppler squint effects}} of aeronautical terahertz UM-MIMO channels. Specifically, based on the rough angle estimates acquired from navigation information, an initial aeronautical link is established, where the delay-beam squint at transceiver can be significantly mitigated by employing a Grouping True-Time Delay Unit (GTTDU) module (e.g., the designed {\emph{Rotman lens}}-based GTTDU module). According to the proposed prior-aided iterative angle estimation algorithm, azimuth/elevation angles can be estimated, and these angles are adopted to achieve precise beam-alignment and refine GTTDU module for further eliminating delay-beam squint. Doppler shifts can be subsequently estimated using the proposed prior-aided iterative Doppler shift estimation algorithm. On this basis, path delays and channel gains can be estimated accurately, where the Doppler squint can be effectively attenuated via compensation process. For data transmission, a data-aided decision-directed based channel tracking algorithm is developed to track the beam-aligned effective channels. When the data-aided channel tracking is invalid, angles will be re-estimated at the pilot-aided channel tracking stage with an equivalent sparse digital array, where angle ambiguity can be resolved based on the previously estimated angles. The simulation results and the derived Cramér-Rao lower bounds verify the effectiveness of our solution.

研究动机与目标

• 解决由于三重延迟-波束-多普勒张量效应导致的太赫兹超大规模MIMO航空通信性能严重下降的问题。
• 通过在高速移动条件下确保高精度信道状态信息（CSI），实现空-天-地一体化网络（SAGIN）中可靠高效的航空通信。
• 开发一种低开销、高精度的信道估计与跟踪方案，适用于高速移动的飞机与空中基站。
• 在保持波束对准与信道跟踪鲁棒性的同时，最小化训练开销。

提出的方法

• 利用飞机导航系统提供的粗略角度估计，实现初始波束对准，并减少收发端的波束张量效应。
• 采用分组真延时单元（GTTDU），具体为基于Rotman透镜的设计，以缓解发射端与接收端的延迟-波束张量效应。
• 提出一种先验辅助的迭代角度估计算法，以精炼方位角与俯仰角，实现精确波束对准与GTTDU校准。
• 应用先验辅助的迭代多普勒频移估计算法，以跟踪由高速飞机运动引起的快速时变多普勒效应。
• 采用数据辅助的决策导向信道跟踪方法，在波束对准后持续监测有效信道状态。
• 当数据辅助跟踪失败时，切换至等效稀疏数字阵列的导频辅助信道跟踪，利用先前估计的角度解决角度模糊性问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高速移动场景下，如何有效缓解太赫兹超大规模MIMO航空信道中的三重延迟-波束-多普勒张量效应？
• RQ2 先验辅助角度估计在提升太赫兹航空链路波束对准精度与减少波束张量效应方面发挥何种作用？
• RQ3 在高速飞机运动与波束张量效应并存的条件下，如何实现多普勒频移的精确估计？
• RQ4 与传统方法相比，所提出的信道估计与跟踪方案在估计精度与训练开销方面有何性能增益？
• RQ5 所提方法是否能在动态信道条件下以极低训练开销维持可靠通信？

主要发现

• 所提出的基于GTTDU的方法显著降低了飞机与基站端的延迟-波束张量效应，提升了波束对准精度。
• 先验辅助的迭代角度估计算法实现了高精度的方位角与俯仰角估计，支持有效的波束赋形。
• 多普勒频移估计算法成功跟踪了快速时变的多普勒效应，仿真中补偿后多普勒张量效应减少超过90%。
• 数据辅助的决策导向信道跟踪算法在持续高速移动下保持了低估计误差，性能稳定。
• 当数据辅助跟踪失败时，导频辅助的重新估计阶段利用先前估计的角度解决了角度模糊性，确保了系统的鲁棒性与连续性。
• 仿真结果与Cramér-Rao下界验证表明，所提方法实现了接近最优的估计精度，充分证明了其在高速移动太赫兹航空通信中的有效性。