[论文解读] A Modified Zero-Forcing Max-Power Design for Hybrid Beamforming Full-Duplex Systems

Elyes Balti, Neji Mensi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2020

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 11被引用 9

一句话总结

本文提出了一种改进的零迫零最大功率混合波束成形设计，用于全双工毫米波系统，可在恒定幅度移相器约束下完全消除自干扰，同时最小化性能损失。该方法通过结合数字预编码与模拟波束成形，实现了接近最优的频谱效率，并以全数字基准进行验证。

ABSTRACT

Full-duplex (FD) systems gained enormous attention because of the potential to double the spectral efficiency. In the context of 5G technology, FD systems operating at millimeter-wave (mmWave) frequencies become one of the most promising solutions to further increase the spectral efficiency and reduce the latency. However, such systems are vulnerable to the self-interference (SI) that significantly degrades the performance. To overcome this shortcoming, analog-only beamforming techniques have been developed to mitigate the SI. Because of the huge power consumption, systems operating at mmWave frequencies beamform the power by only tunning the phase shifters while maintaining constant amplitudes. Such a hardware constraint, known as the constant amplitude (CA) constraint, severely limits the system performance. In this work, we propose a digital and analog hybrid beamforming design that completely eliminates the SI while substantially minimizing the losses imposed by the CA constraint. Further, we develop a fully-digital beamforming design and derive the upper bound for the spectral efficiency as benchmarking tools to quantify the losses of our proposed hybrid design.

研究动机与目标

• 解决毫米波全双工系统中自干扰带来的挑战，该问题严重限制了频谱效率和系统性能。
• 克服模拟波束成形中恒定幅度移相器约束导致的性能退化，该约束限制了功率自适应能力。
• 设计一种混合数字-模拟波束成形方案，完全抑制自干扰，同时最小化由硬件约束引起的频谱效率损失。
• 建立全数字波束成形设计作为性能上限，以评估所提混合方案的性能损失。
• 提供性能基准，量化实际混合波束成形系统中硬件复杂度与频谱效率之间的权衡。

提出的方法

• 提出一种改进的零迫零最大功率波束成形算法，联合设计数字预编码器与模拟合并器，以在收发器端完全消除自干扰。
• 通过将移相器限制在固定幅度值，强制实现模拟波束成形器的恒定幅度约束，以反映实际硬件限制。
• 优化数字预编码器以在零迫条件下的接收信号功率最大化，确保完全的自干扰消除。
• 将模拟波束成形设计与数字预编码器集成，实现自干扰的完全空间零陷，同时保持阵列增益。
• 推导出全数字波束成形解作为频谱效率的理论上限，以支持性能比较。
• 使用全数字波束成形的频谱效率作为基准，量化混合波束成形方法的性能损失。

实验结果

研究问题

• RQ1 在恒定幅度移相器约束下，如何在混合波束成形全双工毫米波系统中完全消除自干扰？
• RQ2 与理论上限相比，所提出的混合波束成形设计可实现的频谱效率是多少？
• RQ3 恒定幅度约束在毫米波全双工系统中对系统性能的退化程度如何？
• RQ4 与全数字波束成形基准相比，所提出的混合波束成形设计在频谱效率方面表现如何？
• RQ5 所提出的方法是否能在保持实际毫米波系统硬件可行性的同时，实现接近最优的频谱效率？

主要发现

• 所提出的混合波束成形设计通过联合优化数字与模拟波束成形，完全消除了自干扰。
• 系统实现的频谱效率接近全数字波束成形设计提供的上限，表明性能损失极小。
• 恒定幅度约束显著限制了性能，但所提方法通过优化波束成形设计有效缓解了这一损失。
• 该方法在遵循仅移相器硬件约束的前提下，仍保持了较高的频谱效率。
• 所提混合设计与全数字基准之间的性能差距在数值上非常小，验证了该方法的有效性。
• 所提设计为毫米波全双工系统提供了一种实用且高性能的解决方案，频谱效率退化极小。