[论文解读] Energy-efficient Dynamic-subarray with Fixed True-time-delay Design for Terahertz Wideband Hybrid Beamforming

Longfei Yan, Chong Han+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2022

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 6

一句话总结

本文提出了一种用于太赫兹（THz）宽带混合波束成形的节能型动态子阵列固定真延时（DS-FTTD）架构，以应对超大带宽、大规模THz MIMO系统中的波束squint这一关键问题。通过采用低复杂度的固定真延时和行分解（RD）算法，DS-FTTD设计在实现接近最优阵列增益的同时，显著提升了能量效率，且在信道状态信息不完善的情况下仍保持优异的频谱效率。

ABSTRACT

Hybrid beamforming for Terahertz (THz) ultra-massive multiple-input multiple-output (UM-MIMO) systems is a promising technology for 6G space-air-ground integrated networks, which can overcome huge propagation loss and offer unprecedented data rates. With ultra-wide bandwidth and ultra-large-scale antennas array in THz band, the beam squint becomes one of the critical problems which could reduce the array gain and degrade the data rate substantially. However, the traditional phase-shifters-based hybrid beamforming architectures cannot tackle this issue due to the frequency-flat property of the phase shifters. In this paper, to combat the beam squint while keeping high energy efficiency, a novel dynamic-subarray with fixed true-time-delay (DS-FTTD) architecture is proposed. Compared to the existing studies which use the complicated adjustable TTDs, the DS-FTTD architecture has lower power consumption and hardware complexity, thanks to the low-cost FTTDs. Furthermore, a low-complexity row-decomposition (RD) algorithm is proposed to design hybrid beamforming matrices for the DS-FTTD architecture. Extensive simulation results show that, by using the RD algorithm, the DS-FTTD architecture achieves near-optimal array gain and significantly higher energy efficiency than the existing architectures. Moreover, the spectral efficiency of DS-FTTD architecture with the RD algorithm is robust to the imperfect channel state information.

研究动机与目标

• 解决由频率相关波束成形向量和频率平坦移相器引起的超大带宽、大规模THz MIMO系统中严重的波束squint效应。
• 克服传统移相器基混合波束成形架构在太赫兹频段下阵列增益损失大和能量效率低的局限性。
• 设计一种低功耗、低复杂度的混合波束成形架构，确保在信道状态信息不完善时仍具备高谱效率和鲁棒性。
• 开发一种专为DS-FTTD架构设计的高效波束成形算法，实现在最小计算开销下的近最优性能。
• 证明固定真延时（FTTD）能够有效缓解波束squint，同时相比可调TTD显著降低硬件复杂度和功耗。

提出的方法

• 提出一种新型动态子阵列固定真延时（DS-FTTD）架构，用低成本、固定TTD替代复杂的可调TTD单元，以降低功耗和硬件复杂度。
• 引入一种低复杂度的行分解（RD）算法，将非凸、混合整数的混合波束成形设计问题转化为基于排序的欧氏距离最小化问题。
• 将频谱效率最大化问题表述为秩约束优化问题，随后通过RD算法迭代松弛求解，获得近似最优的数字与模拟波束成形矩阵。
• 通过将原始问题（12）转换为最小化期望波束成形向量与实际波束成形向量之间欧氏距离（13）的方式，实现高效计算。
• 采用随机误差模型对不完美CSI进行建模，其中估计的信道矩阵为真实信道与复高斯误差矩阵的加权组合（24）。
• 在不同CSI精度（ξ）下评估性能，以评估鲁棒性，使用频谱效率作为关键性能指标，覆盖不同带宽和发射功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 固定真延时（FTTD）架构是否能有效缓解超大带宽THz混合波束成形系统中大规模阵列引起的波束squint？
• RQ2 与现有混合波束成形架构（如全连接TTD和移相器基设计）相比，所提出的DS-FTTD架构在能量效率和谱效率方面表现如何？
• RQ3 行分解（RD）算法在保持低计算复杂度的同时，能在多大程度上实现近似最优阵列增益？
• RQ4 在实际THz通信环境中，DS-FTTD架构结合RD算法对不完美信道状态信息（CSI）的鲁棒性如何？
• RQ5 发射功率和天线数量的变化对DS-FTTD架构能量效率的影响如何？

主要发现

• 结合RD算法后，DS-FTTD架构在所有载波上均实现了接近最优的阵列增益，显著优于移相器基架构在阵列增益和谱效率方面的表现。
• DS-FTTD架构的能量效率显著高于现有架构，尤其得益于使用低功耗固定TTD替代复杂可调TTD。
• DS-FTTD架构的谱效率随带宽增加而缓慢下降，表明波束squint得到有效缓解，与移相器基架构的快速退化形成鲜明对比。
• RD算法在约8次迭代内收敛，表明其收敛速度快，且能有效将非凸波束成形问题转化为可解的排序问题。
• 在不完美CSI下（ξ = 0.6，中等误差），DS-FTTD架构保持了完美CSI下（ξ = 1）82%的谱效率，表现出强鲁棒性。
• 即使在大频带分数和大规模阵列（如1024个元素）条件下，DS-FTTD架构仍能保持高谱效率，证实其适用于6G空-天-地一体化网络。