[论文解读] A Brief Survey And Investigation Of Hybrid Beamforming For Millimeter Waves In 5G Massive MIMO Systems

Qazwan Abdullah, Adeb Salh+7 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2021

Millimeter-Wave Propagation and ModelingEngineering被引用 18

一句话总结

本文提出了一种用于毫米波（mmWave）频段5G大规模MIMO系统的混合波束成形架构，以缓解高路径损耗、穿透损耗和高能耗问题。通过结合模拟与数字波束成形，并在小型小区间分配功率，该方法减少了射频链路数量，提高了频谱效率，并在瑞利衰落信道中增强了能量效率，证明了混合波束成形是下一代mmWave网络的可行解决方案。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mm-wave) is a promising technique to enhance the network capacity and coverage of next-generation (5G) based on utilizing a great number of available spectrum resources in mobile communication. Improving the 5G network requires enhancing and employing mm-wave beamforming channel propagation characteristics. To achieve high data rates, system performance remains a challenge given the impact of propagation channels in mm-wave that is insufficient in both path loss, delay spread, and penetration loss. Additional challenges arise due to high cost and energy consumption, which require combining both analog and digital beamforming (hybrid beamforming) to reduce the number of radio frequency (RF) chains. In this paper, the distributed powers in the small cell to suppress path loss by specifying a considerable power and controlling the distributed power to reduce the high cost and energy consumption was proposed. The hybrid beamforming in mm-wave exploits a large bandwidth which reduces the large path loss in Rayleigh fading channel. Also, the trade-off between the energy consumption of RF chains and cost efficiency depends on reducing the number of RF chains and the distributed number of users. This paper finds that hybrid beamforming for massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems constitute a promising platform for advancing and capitalizing on 5G networks

研究动机与目标

• 解决mmWave 5G大规模MIMO系统中的高路径损耗、穿透损耗和高能耗问题。
• 在保持高谱效率和数据速率的同时，减少昂贵的射频链路数量。
• 通过混合架构结合模拟与数字波束成形，提升系统性能。
• 探索小型小区中的分布式功率控制，以抑制路径损耗并降低运营成本。
• 评估mmWave波束成形系统中能量效率与成本效益之间的权衡。

提出的方法

• 提出一种结合模拟与数字波束成形的混合波束成形架构，以减少射频链路数量。
• 利用小型小区间的分布式功率分配来抑制路径损耗并改善覆盖范围。
• 在mmWave频段使用大带宽以抵消瑞利衰落信道中的路径损耗。
• 优化波束成形设计，以平衡能耗与系统性能。
• 分析mmWave大规模MIMO系统中射频链路数量、能量效率与成本之间的权衡。
• 应用功率控制策略以管理干扰并提升多用户场景下的频谱效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 混合波束成形如何在保持mmWave大规模MIMO系统高谱效率的同时减少射频链路数量？
• RQ2 小型小区中的分布式功率控制对mmWave 5G网络中路径损耗抑制有何影响？
• RQ3 与完全数字或模拟波束成形相比，混合波束成形在mmWave频段如何提升能量效率？
• RQ4 mmWave波束成形中射频链路减少、能耗与系统性能之间存在哪些权衡？
• RQ5 混合波束成形在瑞利衰落mmWave信道中能在多大程度上提升数据速率和覆盖范围？

主要发现

• 混合波束成形能有效减少射频链路数量，降低mmWave大规模MIMO系统的硬件成本和能耗。
• 小型小区中的分布式功率控制显著抑制了路径损耗，并改善了mmWave频段的信号覆盖。
• 模拟与数字波束成形的结合提升了频谱效率，并在瑞利衰落环境中支持高速率传输。
• 通过最小化射频链路数量，该方法在不牺牲性能的前提下实现了能量效率与成本效益之间的有利权衡。
• 混合波束成形被认定为推进5G mmWave网络的有前景平台，因其具备可扩展性和高效性。
• 该系统在mmWave传播条件下表现出对穿透损耗和延迟扩展的更强鲁棒性。