[論文レビュー] Towards an Appropriate Receiver Beamforming Scheme for Millimeter Wave Communication: A Power Consumption Based Comparison

Waqas Bin Abbas, Michele Zorzi|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 13被引用数 21

ひとこと要約

この論文は、帯域幅（B）、ADC分解能（b）、アンテナ数（N_ANT）の特定の条件下で、特に低消費電力ADCモデルや低SNR環境において、DBFがHBFやABFと同等または低い消費電力を示すことを示唆することで、mmWave受信機においてデジタル beamforming（DBF）が過度に消費電力が高いという一般的な信念に挑戦している。DBFは完全なデジタル処理の柔軟性が求められる状況で実用的である可能性を示している。

ABSTRACT

At millimeter wave (mmW) frequencies, beamforming and large antenna arrays are an essential requirement to combat the high path loss for mmW communication. Moreover, at these frequencies, very large bandwidths are available to fulfill the data rate requirements of future wireless networks. However, utilization of these large bandwidths and of large antenna arrays can result in a high power consumption which is an even bigger concern for mmW receiver design. In a mmW receiver, the analog-to-digital converter (ADC) is generally considered as the most power consuming block. In this paper, primarily focusing on the ADC power, we analyze and compare the total power consumption of the complete analog chain for Analog, Digital and Hybrid beamforming (ABF, DBF and HBF) based receiver design. We show how power consumption of these beamforming schemes varies with a change in the number of antennas, the number of ADC bits (b) and the bandwidth (B). Moreover, we compare low power (as in [1]) and high power (as in [2]) ADC models, and show that for a certain range of number of antennas, b and B, DBF may actually have a comparable and lower power consumption than ABF and HBF, respectively. In addition, we also show how the choice of an appropriate beamforming scheme depends on the signal-to-noise ratio regime.

研究の動機と目的

• デジタル beamforming（DBF）がmmWave受信機において過度に消費電力が高いという一般的な仮定に挑戦すること。
• アナログ（ABF）、デジタル（DBF）、ハイブリッド（HBF）beamforming方式の全消費電力の包括的比較を行うこと。
• DBFがHBFおよびABFと同等または低い消費電力を示すシステムパラメータの範囲（帯域幅B、ADC分解能b、アンテナ数N_ANT）を特定すること。
• 信号対雑音比（SNR）およびADC消費電力モデル（低消費電力型対高消費電力型）が最適なbeamforming方式の選択に与える影響を評価すること。

提案手法

• 著者らは、ADC消費電力が主要要因であることを踏まえ、ABF、DBF、HBFのmmWave受信チェーンの全消費電力モデルを構築した。
• 低消費電力（LPADC）および高消費電力（HPADC）の2種類のADCモデルを用い、それらがシステム全体の消費電力に与える影響を評価した。
• アンテナ数（N_ANT）、ADC分解能（bビット）、システム帯域幅（B）を考慮し、各beamformingアーキテクチャの消費電力式を導出した。
• B、b、N_ANTを変化させながら各方式の消費電力を比較し、DBFがHBFおよびABFのエネルギー効率において優れるパラメータ領域を同定した。
• SNRを性能指標として用い、ADC分解能がSNRに与える影響、ひいてはシステム性能に与える影響を評価した。
• シミュレーションおよび数値結果を通じて、本研究の結論を検証した。その結果、特定の条件下でDBFが最適であることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 帯域幅（B）、ADC分解能（b）、アンテナ数（N_ANT）がどの程度の条件下で、デジタル beamforming（DBF）がハイブリッド beamfoming（HBF）と同等または低い消費電力を示すか。
• RQ2 低消費電力型および高消費電力型ADCモデルが、mmWave受信機設計におけるABF、DBF、HBFの相対的な消費電力効率にどのように影響を与えるか。
• RQ3 全受信チェーン消費電力に鑑みた場合、1アンテナあたり1つのADCを必要とするDBFが、ABFと同等または低い消費電力を実現できるか。
• RQ4 信号対雑音比（SNR）が最適なbeamforming方式の選択および必要なADC分解能（b）に与える影響は何か。
• RQ5 どのような状況でDBFがHBFやABFよりも優位であるか、特にエネルギー効率およびシステムの柔軟性の観点から。

主な発見

• 低消費電力ADCモデルでは、RFチェーン数（N_RF）が低く、アンテナ数（N_ANT）が中程度（例：N_ANT ≤ 16）である場合、DBFの消費電力はHBFと同等または低い。
• N_ANT = 16の場合、DBFの消費電力はABFと同等となり、マルチビーム機能により初期セル検索遅延が短縮されるモバイルステーション用途において実用的である。
• N_ANT ≥ 64の基地局環境では、DBFが同時に多数のビームを形成できるため、HBFよりも高いシステム容量を達成できる。これは、N_RFを増加させた場合に特に顕著である。
• 高消費電力ADC（HPADC）の場合、DBFの最適ADC分解能（b*）および帯域幅（B*）は相対的に低いが、Bおよびbの特定の条件下ではDBFは依然としてHBFと競合可能である。
• 本研究では、DBFがHBFの消費電力と同等に保つために必要なADCビット数（b）は、SNRの著しい低下を避けるのに十分であることが示された。これにより、性能の劣化は回避される。
• DBFは特に低SNR環境や、初期セル検索やマルチユーザー通信など、複数同時ビームが必要な用途において顕著な利点を示す。