[论文解读] Beamforming Technologies for Ultra-Massive MIMO in Terahertz Communications

Boyu Ning, Zhongbao Tian+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Antenna Design and Analysis参考文献 265被引用 10

一句话总结

本文全面综述了太赫兹（THz）通信中超大规模MIMO（UM-MIMO）的波束成形技术，重点通过高增益定向波束克服严重的路径损耗。提出了一系列先进波束成形策略——包括波束训练、智能反射面（IRS）辅助联合波束成形、多用户波束成形以及宽带波束成形解决方案——以实现高容量、低时延的THz链路，主要贡献涵盖系统建模、码本设计以及硬件感知的波束成形架构。

ABSTRACT

Terahertz (THz) communications with a frequency band $0.1-10$ THz are envisioned as a promising solution to future high-speed wireless communication. Although with tens of gigahertz available bandwidth, THz signals suffer from severe free-spreading loss and molecular-absorption loss, which limit the wireless transmission distance. To compensate for the propagation loss, the ultra-massive multiple-input-multiple-output (UM-MIMO) can be applied to generate a high-gain directional beam by beamforming technologies. In this paper, a review of beamforming technologies for THz UM-MIMO systems is provided. Specifically, we first present the system model of THz UM-MIMO and identify its channel parameters and architecture types. Then, we illustrate the basic principles of beamforming via UM-MIMO and discuss the far-field and near-field assumptions in THz UM-MIMO. Moreover, an important beamforming strategy in THz band, i.e., beam training, is introduced wherein the beam training protocol and codebook design approaches are summarized. The intelligent-reflecting-surface (IRS)-assisted joint beamforming and multi-user beamforming in THz UM-MIMO systems are studied, respectively. The spatial-wideband effect and frequency-wideband effect in the THz beamforming are analyzed and the corresponding solutions are provided. Further, we present the corresponding fabrication techniques and illuminate the emerging applications benefiting from THz beamforming. Open challenges and future research directions on THz UM-MIMO systems are finally highlighted.

研究动机与目标

• 通过超大规模MIMO（UM-MIMO）系统实现高增益波束成形，以应对太赫兹频段（0.1–10 THz）的严重路径损耗挑战。
• 构建太赫兹UM-MIMO波束成形的系统性框架，涵盖远场与近场假设下的信道建模、架构设计及波束管理。
• 通过新型波束成形技术（如混合TTD-相移器架构和定制化宽带码本）克服宽带太赫兹系统中的带宽与波束squint限制。
• 在密集且高移动性的环境中，实现高效多用户与三维波束成形，以支持高容量、低干扰通信。
• 探索智能反射面（IRS）与先进制造技术的集成，以提升频谱效率与系统实用性。

提出的方法

• 建立了详细的太赫兹UM-MIMO系统模型，对信道参数、天线阵列几何结构及收发器架构（如全数字、混合及混合TTD-相移器设计）进行了细致表征。
• 提出了专用于太赫兹频段的波束训练协议与码本设计，包括基于网格与自适应的方法，以降低开销并提升波束对准精度。
• 通过建模反射与直射信道，引入了IRS辅助的联合波束成形，并提出了协作式波束训练方案，以优化信号干扰加噪声比（SINR）。
• 采用线性预编码算法（如ZF、MMSE）开发了多用户波束成形策略，并分析了其在高移动性与多用户场景下的性能表现。
• 通过分析波束squint效应，研究了太赫兹波束成形中的空间宽带与频率宽带影响，并提出了基于AoSA架构的波束分裂聚合与复用（BSAM）等解决方案。
• 将太赫兹MIMO阵列制造技术分类为电子、光子及新型材料基方法，评估了其在增益、带宽与硬件复杂度之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太赫兹UM-MIMO系统中，如何通过波束成形有效补偿严重的自由空间路径损耗与分子吸收损耗？
• RQ2 在超宽带与高方向性约束下，太赫兹频段的最优波束训练与码本设计策略是什么？
• RQ3 如何利用智能反射面（IRS）提升太赫兹UM-MIMO系统的覆盖范围与容量？
• RQ4 在高移动性与高密度连接的太赫兹环境中，多用户波束成形面临的关键挑战与解决方案是什么？
• RQ5 空间超宽带与频率超宽带效应如何影响波束成形性能？何种架构可有效缓解波束squint与对准偏差？

主要发现

• 太赫兹UM-MIMO系统可通过波束成形实现高方向性与路径损耗补偿，在视 Line-of-Sight（LoS）条件下可实现超过100 Gbps的潜在数据速率。
• 混合TTD-相移器架构可降低波束成形的开销与能耗，同时支持超宽带波束成形，在性能与硬件复杂度之间提供了实用的折中方案。
• 采用覆盖宽角度区域而非窄波束的定制化超宽带码本，可显著减少超宽带太赫兹系统中因波束squint导致的波束对准偏差。
• IRS辅助波束成形通过支持非视 Line-of-Sight（非LoS）链路并实现低反馈开销的协作式波束训练，提升了覆盖范围与频谱效率。
• 三维波束成形在空对地网络中可实现更高方向性与容量，但需要新型码本设计与快速波束管理以应对高移动性场景。
• 通过采用AoSA架构支持波束分裂聚合与复用，可有效缓解模拟波束成形器中的波束squint效应，实现在无波束对准偏差情况下的超宽带信号接收。