[论文解读] Common Codebook Millimeter Wave Beam Design: Designing Beams for Both Sounding and Communication with Uniform Planar Arrays

Jiho Song, Junil Choi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 29被引用 6

一句话总结

本文提出一种针对使用均匀平面阵列（UPA）和混合波束成形的毫米波系统通用码本设计，实现对信道探测与数据通信的高效波束成形。通过推导最小化理想波束图与实际波束图之间均方误差的最优波束成形波束成形器，该方法在最小化开销的同时确保高波束成形增益与可靠性，通过旋转对称性与相位移优化实现性能增益。

ABSTRACT

Fifth generation (5G) wireless networks are expected to utilize wide bandwidths available at millimeter wave (mmWave) frequencies for enhancing system throughput. However, the unfavorable channel conditions of mmWave links, e.g., higher path loss and attenuation due to atmospheric gases or water vapor, hinder reliable communications. To compensate for these severe losses, it is essential to have a multitude of antennas to generate sharp and strong beams for directional transmission. In this paper, we consider mmWave systems using uniform planar array (UPA) antennas, which effectively place more antennas on a two-dimensional grid. A hybrid beamforming setup is also considered to generate beams by combining a multitude of antennas using only a few radio frequency chains. We focus on designing a set of transmit beamformers generating beams adapted to the directional characteristics of mmWave links assuming a UPA and hybrid beamforming. We first define ideal beam patterns for UPA structures. Each beamformer is constructed to minimize the mean squared error from the corresponding ideal beam pattern. Simulation results verify that the proposed codebooks enhance beamforming reliability and data rate in mmWave systems.

研究动机与目标

• 解决在使用均匀平面阵列（UPA）的毫米波系统中，为信道探测与数据传输设计单一码本的挑战。
• 克服相互冲突的设计需求：信道探测需要宽波束，而高速率通信需要窄波束。
• 通过保持码本规模较小，同时维持波束成形性能，最小化系统开销。
• 为UPA设计一种可扩展的分层码本，支持在方位角与俯仰角两个维度上的三维波束成形。
• 确保与使用有限射频链路和移相器的混合波束成形架构兼容。

提出的方法

• 基于毫米波信道的定向特性，为UPA结构定义理想波束图。
• 将波束成形器设计建模为实际波束图与理想波束图之间均方误差（MSE）最小化问题。
• 利用旋转对称性与相位移函数，从单一最优（1,1）波束成形器推导出所有波束的最优模拟波束成形器。
• 使用相位移矩阵生成不同角度方向的波束，确保码本中所有波束的波束质量一致。
• 通过数学变换与向量分解，证明所有波束共享相同的最优基带波束成形器。
• 通过仿真结果验证该方法，显示波束成形可靠性与数据速率的提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为使用UPA的毫米波系统设计一个通用码本，以同时支持信道探测与数据传输？
• RQ2 在二维阵列中，何种波束图特性可实现信道探测覆盖范围与通信波束成形增益之间的最佳平衡？
• RQ3 在射频链路有限的混合波束成形约束下，如何使波束成形设计具备可扩展性与高效性？
• RQ4 一个波束的最优波束成形器是否可通过对相位移进行变换，推导出码本中所有其他波束？
• RQ5 何种数学特性可确保MSE最小化波束成形器在所有角度方向上保持一致的性能？

主要发现

• 所提出的码本设计通过使用相位移变换从单一最优（1,1）波束成形器推导出所有波束，实现最优波束成形性能。
• 该方法确保码本中所有波束均使用相同的基带波束成形器，显著降低设计复杂度与开销。
• 仿真结果证实，采用所提出的通用码本后，毫米波系统中的波束成形可靠性与数据速率均得到提升。
• 波束图显示与理想波束图高度匹配，均方误差最小化，波束成形增益最大化。
• 该方法具备可扩展性，且与混合波束成形架构兼容，支持在方位角与俯仰角两个维度上的三维波束成形。
• 理论证明表明，所有波束的最优波束成形器在相位移变换下等价，验证了该方法的对称性与高效性。