[论文解读] Wideband Beamforming with Rainbow Beam Training using Reconfigurable True-Time-Delay Arrays for Millimeter-Wave Wireless

Chung-Ching Lin, Veljko Boljanovic+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 74被引用 5

一句话总结

本文提出一种用于毫米波无线系统的可重构真时延（TTD）波束成形阵列，通过采用‘彩虹波束’技术实现宽带波束成形与快速、低延迟的波束训练。通过利用可调TTD单元引入的频率依赖性波束张力，系统实现了精确的三维波束指向定位，并支持大规模多址接入，同时降低了训练开销，在宽带和高速移动场景下优于传统移相器波束成形阵列。

ABSTRACT

The decadal research in integrated true-time-delay arrays have seen organic growth enabling realization of wideband beamformers for large arrays with wide aperture widths. This article introduces highly reconfigurable delay elements implementable at analog or digital baseband that enables multiple SSP functions including wideband beamforming, wideband interference cancellation, and fast beam training. Details of the beam-training algorithm, system design considerations, system architecture and circuits with large delay range-to-resolution ratios are presented leveraging integrated delay compensation techniques. The article lays out the framework for true-time-delay based arrays in next-generation network infrastructure supporting 3D beam training in planar arrays, low latency massive multiple access, and emerging wireless communications standards.

研究动机与目标

• 解决基于移相器的相控阵在超宽带毫米波系统中的局限性，特别是波束张力和有限的相对带宽问题。
• 通过有意引入频率依赖性的波束张力，实现移动和大规模接入场景下的高精度、低延迟波束训练。
• 设计一种可重构TTD阵列架构，支持多种空间信号处理功能：超宽带波束成形、干扰消除和快速波束训练。
• 通过重新设计同步信号（SS）块以适配TTD波束训练，确保与5G新空口（NR）标准的兼容性。
• 通过集成延迟补偿技术实现大延迟范围与高分辨率之比，从而实现高精度波束控制。

提出的方法

• 在基带或射频前端实现可重构TTD单元，以实现阵列各单元间信号传播时间的动态控制。
• 通过在子载波上引入受控且校准的时间延迟，利用频率依赖性波束张力，生成具有不同频率分量对应不同波束的‘彩虹波束’。
• 设计一种新型SS块波形，将参考信号（PSS、SSS、DMRS）在宽带信号中重复，使用户设备（UE）可通过频率选择性波束成形检测至少一个完整SS块。
• 集成延迟补偿电路，以最小化数据通信过程中的波束张力，保持宽频带内的波束方向性和增益稳定性。
• 采用平面TTD阵列与子阵列架构，实现三维波束成形，并支持动态环境中移动用户的需求。
• 提出一种基于TTD的正交频 division 多址接入（OFDMA）方案，其中不同频带子带被导向不同方向，实现无需时分波束切换的多用户同时接入。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保持波束方向性和增益的同时，利用真时延阵列克服超宽带毫米波通信中的波束张力？
• RQ2 何种波束训练算法可实现子波束分辨率与低延迟波束到达方向估计，适用于基于TTD阵列的超宽带毫米波系统？
• RQ3 如何使基于TTD的波束训练与现有5G NR标准兼容，特别是SS块结构与同步流程？
• RQ4 在集成TTD阵列中，何种架构与电路级设计选择可最大化延迟范围与分辨率之比，以适用于实际的毫米波系统？
• RQ5 基于TTD的彩虹波束是否可在大规模机器类通信（mMTC）场景中实现高效、低开销的多址接入？

主要发现

• 所提出的TTD阵列通过集成延迟补偿技术，实现了极小波束张力的超宽带波束成形，在超过10 GHz带宽范围内保持了波束图稳定性。
• 彩虹波束训练方法通过消除全范围波束扫描，显著降低了波束训练延迟，实现了基于频率选择性波束成形的快速波束到达方向估计。
• 仿真结果表明，4×2平面TTD阵列在10个子载波下表现出受控的、频率依赖的波束图，各子载波具有独立的3 dB波束轮廓，验证了彩虹波束概念的可行性。
• 重新设计的SS块使UE能够通过频率依赖性波束检测完整传统SS块，从而在无需SS突发的情况下实现同步与波束方向估计。
• 基于TTD的OFDMA方案实现了多用户同时接入，且波束管理开销更低，因为不同频率资源通过波束展宽被隐式导向不同用户。
• 该系统支持三维波束成形与移动中通信，具备集成到下一代毫米波网络及新兴无线标准的潜力。