[论文解读] Two-Stage Hybrid Transceiver Design Relying on Low-Resolution ADCs in Partially Connected MU Terahertz (THz) MIMO Systems

Abhisha Garg, Akash Kumar+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2026

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 0

一句话总结

提出一个两阶段混合波束成形框架，用于部分连接的 MU THz MIMO，配合低分辨率 ADC，通过真时延实现对双宽带信道的波束分裂（beam-split）抑制，获得约13%的频谱效率提升。

ABSTRACT

A two-stage hybrid transceiver is designed by considering a partially connected architecture at the base station (BS) for a low-resolution multi-user (MU) THz massive multiple input multiple output (MIMO) system. Due to its high bandwidth coupled with a high number of antennas, the THz band suffers from the deleterious spatial-wideband and frequency-wideband effects jointly termed as the dual-wideband effect. To address this undesired phenomenon, we rigorously model the THz MIMO channel at each subarray corresponding to each user by incorporating the absorption, reflection, and free-space losses. Subsequently, a novel beamforming technique is proposed that employs only a few true time delay (TTD) lines for eliminating the beam-split effect, which is the manifestation of the spatial-wideband effect in the frequency domain. Our simulation results demonstrate a performance improvement of around 13% in terms of spectral efficiency over the existing state-of-the-art techniques.

研究动机与目标

• 驱动具备大阵列与低分辨率 ADC 的高带宽 THz MU-MIMO 系统的动机。
• 对包含吸收、反射与自由空间损耗的双宽带 THz 信道进行建模。
• 开发一个实用的两阶段混合波束成形方案，利用真时延线来缓解 beam-split。
• 引入 Bussgang 分解以线性化量化接收模型并实现可处理的优化。
• 在仿真中展示相较于最新技术的频谱效率提升。

提出的方法

• 在每个子阵列对 THz MU-MIMO 信道进行建模，包含吸收、反射和自由空间损耗，以捕捉双宽带效应。
• 使用带零填充的SC-FDE以实现循环卷积和基于 FFT 的每子载波处理。
• 应用 Bussgang 分解以线性化基于低分辨率 ADC 的接收模型。
• 阶段1：基于角度稀疏性，使用区域稀疏字典方法（类似 SOMP）从角度稀疏性中计算每个射频链的频率无关波束对齐角。
• 阶段2：利用时延元件将阶段1的波束形成器转换为频率相关的前向/后向成形器，以对抗跨子载波的 beam-split。
• 在对射频/射线相关矩阵施加恒定幅度约束下对收发器进行优化并推导 MMSE 组合器；通过 SE = (1/K) sum log2(|I + (1/Ns) C^{-1}[k] S[k]|) 计算等效通道并给出每个子载波的谱效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在部分连接的 MU THz MIMO 系统中，采用低分辨率 ADC 时，两阶段混合收发架构如何缓解 beam-split 与双宽带效应？
• RQ2 在 THz 信道的 SC-FDE 和 ZP 下，基于 TTD 的频率相关前/后向处理对谱效率的影响如何？
• RQ3 双宽带 THz 信道模型（LoS 与 NLoS 组件）在实际硬件约束下如何影响可达到的 SE？
• RQ4 在多用户、部分连接的架构中，利用稀疏的前/后向设计是否能有效从字典中选择波束方向？
• RQ5 与现有技术相比，采用 Bussgang 线性化与 TTD 补偿的性能提升有多大？

主要发现

• 所提出的两阶段框架在仿真中显著提升了相较于现有技术的频谱效率。
• 通过使用时延元件实现频率相关波束形成，显著缓解双宽带 THz 通道中的 beam-split 效应。
• 在低分辨率 ADC 与恰当设计的 TTD 基前/后向成形的组合下，部分连接的 BS 架构是可行的。
• 阶段1 的 SOMP-样角度选择从发射字典中识别每个射频链的最佳波束方向，降低复杂度。
• 阶段2 的时延补偿将频率不变的波束转换为频率相关波束，使其与跨子载波的实际射线方向对齐。