[论文解读] Dual Sub-6 GHz -- Millimeter Wave Beamforming and Communications to Achieve Low Latency and High Energy Efficiency in 5G Systems

Morteza Hashemi, C. Emre Koksal+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 22被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种双频段射频/毫米波架构，利用Sub-6 GHz波束成形实现5G系统中低时延、高能效的毫米波通信。通过利用射频与毫米波信道之间的空时相关性，该系统降低了毫米波波束训练开销，并利用射频链路作为备用方案以维持吞吐量并最小化延迟，通过具有已证明单调结构的阈值调度策略实现最优性能。

ABSTRACT

We propose a hybrid architecture that integrates RF (i.e., sub-6 GHz) and millimeter wave (mmWave) technologies for 5G cellular systems. In particular, communications in the mmWave band faces significant challenges due to variable channels, intermittent connectivity, and high energy usage. On the other hand, speeds for electronic processing of data is of the same order as typical rates for mmWave interfaces which makes the use of complex algorithms for tracking channel variations and adjusting resources accordingly impractical. Our proposed architecture integrates the RF and mmWave interfaces for beamforming and data transfer, and exploits the spatio-temporal correlations between the interfaces. Based on extensive experimentation in indoor and outdoor settings, we demonstrate that an integrated RF/mmWave signaling and channel estimation scheme can remedy the problem of high energy usage and delay associated with mmWave beamforming. In addition, cooperation between two interfaces at the higher layers effectively addresses the high delays caused by highly intermittent mmWave connectivity. We design a scheduler that fully exploits the mmWave bandwidth, while the RF link acts as a fallback mechanism to prevent high delay. To this end, we formulate an optimal scheduling problem over the RF and mmWave interfaces where the goal is to maximize the delay-constrained throughput of the mmWave interface. We prove using subadditivity analysis that the optimal scheduling policy is based on a single threshold that can be easily adopted despite high link variations.

研究动机与目标

• 解决由于复杂信号训练和硬件限制导致的毫米波通信中高能耗和波束成形延迟问题。
• 克服移动环境中因遮挡和快速信道变化导致的毫米波连接间歇性问题。
• 通过射频辅助波束成形和数据传输，实现对毫米波高带宽的高效利用，同时保持低延迟。
• 制定一种最优调度策略，以在射频和毫米波接口上最大化延迟约束下的吞吐量。
• 设计一种实用且低复杂度的基于阈值的准入控制机制，以在吞吐量和延迟之间取得平衡。

提出的方法

• 使用射频频段进行粗略到达角（AoA）估计，将毫米波波束成形的方位角搜索范围从180°减少至≤20°。
• 利用射频与毫米波信号之间强烈的空域相关性——94%的测量结果显示在视 Line-of-Sight（LOS）条件下AoA精度为±10°。
• 在毫米波上实现全模拟波束成形，初始波束对准由射频估计引导，从而降低ADC功耗。
• 在高层集成射频与毫米波接口，实现协同数据传输，在毫米波链路中断时使用射频作为备用。
• 将受限吞吐量最大化问题建模为奖励优化问题，通过子可加性分析证明最优策略具有单一阈值结构。
• 应用子可加性分析推导出一种单调且易于实现的阈值策略，可自适应动态信道条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 射频辅助波束成形是否能显著降低毫米波系统中的波束训练开销和能耗？
• RQ2 射频与毫米波信道特性之间的相关性如何影响波束对准的精度与效率？
• RQ3 当毫米波链路间歇性中断时，如何实现毫米波吞吐量与延迟之间的最优调度策略？
• RQ4 射频接口是否能有效作为可靠备用链路，在毫米波中断期间维持低时延通信？
• RQ5 在延迟和能耗约束下，毫米波队列的最优准入控制策略具有何种结构？

主要发现

• 在视 Line-of-Sight（LOS）条件下，94%的射频与毫米波AoA测量值在±10°以内，验证了强空域相关性。
• 通过基于射频的粗略波束对准，毫米波波束成形的方位角搜索范围从180°减少至平均≤20°。
• 最优调度策略为单一阈值策略，通过子可加性分析证明，支持低复杂度实现。
• 提高拒绝成本会降低最优阈值，从而减少毫米波队列延迟，但以降低吞吐量为代价。
• 提高奖励值会提高阈值，从而增加毫米波吞吐量，但以更高的等待时间为代价，表明实现了有效的权衡控制。
• 通过最小化毫米波波束训练并利用射频在链路中断期间进行可靠数据传输，该集成射频/毫米波架构实现了高能效与低延迟。