[论文解读] Adaptive Millimeter Wave Beam-Alignment for Dual-Polarized Broadcast MIMO Systems.

Jiho Song, Junil Choi+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2014

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 2

一句话总结

本文提出了一种用于双极化毫米波MIMO系统的软决策波束对准算法，通过在信道探测期间利用正交极化分集来放松 Welch 限定等式约束。通过根据波束失准概率自适应调整探测观测次数，该方法能够高效扫描用户信道子空间，在动态毫米波环境中显著提高波束对准精度和系统可靠性。

ABSTRACT

Abstract—Fifth generation wireless systems are expected to employ multiple antenna communication at millimeter wave (mmWave) frequencies for smaller cells within heterogeneous cellular networks (HCNs). The high path-loss of mmWave as well as physical obstructions make it difficult to access mobile users using mmWave. To compensate for the severe path loss, mmWave systems may employ a beam-alignment algorithm that facilitates highly directional transmission by aligning the beam direction of multiple antenna arrays. This paper discusses a mmWave system employing dual-polarized antennas. First, we propose a practical soft-decision beam-alignment (soft-alignment) algorithm that exploits orthogonal polarizations. By sounding the dual-polarized channel over orthogonal polarizations in parallel, the equality criterion of the Welch bound for training sequences is relaxed. Second, we propose a method to efficiently adapt the number of channel sounding observations to the specific channel environment based on an approximate probability of beam misalignment. Simulation results show the proposed soft-alignment algorithm with adaptive sounding time effectively scans the channel subspace of a mobile user by exploiting polarization diversity. Index Terms—Millimeter-wave wireless, Dual-polarized chan-nel, Beam-alignment algorithm.

研究动机与目标

• 为解决毫米波通信中的高路径损耗和阻塞问题，通过改进双极化MIMO系统的波束对准来应对挑战。
• 通过在信道探测期间利用正交极化分集，放松训练序列上的Welch限定等式约束。
• 开发一种自适应探测时间机制，根据波束失准概率动态调整，以提高系统效率。
• 在时分双工毫米波系统中，利用极化分集实现对移动用户信道子空间的高效扫描。

提出的方法

• 所提出的软对准算法通过在正交极化上并行进行信道探测，以利用极化分集并减少训练序列约束。
• 通过利用双极化天线的正交性，放松Welch限定等式准则，从而允许更灵活的训练序列设计。
• 引入一种自适应探测时间机制，根据波束失准的近似概率动态调整信道探测观测次数。
• 该算法实时估计波束失准概率，以在训练开销与对准精度之间实现最优权衡。
• 系统采用一种波束训练框架，利用双极化阵列响应来增强空间分辨率和对准鲁棒性。
• 该方法将波束对准与信道状态信息反馈集成，以在时分双工毫米波系统中优化波束选择。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用双极化天线在毫米波波束训练中放松Welch限定约束？
• RQ2 在毫米波系统中，如何根据变化的信道条件自适应调整探测观测次数？
• RQ3 在移动毫米波环境中，极化分集在多大程度上提升了波束对准精度和扫描效率？
• RQ4 自适应探测时间机制如何在最小化训练开销的同时减少波束失准？

主要发现

• 软对准算法通过在信道探测期间利用正交极化分集，成功放松了Welch限定等式约束。
• 基于波束失准概率的自适应探测时间显著提高了扫描效率并减少了训练开销。
• 所提方法通过在毫米波MIMO系统中利用极化分集，实现了对移动用户信道子空间的有效扫描。
• 仿真结果证实，该算法提升了波束对准的可靠性并减少了在动态毫米波环境中的失准。