[论文解读] Hybrid Beamforming for 5G and Beyond Millimeter-Wave Systems: A Holistic View

Jun Zhang, Xianghao Yu+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 51被引用 17

一句话总结

本文提出了一种面向5G及太赫兹系统中混合波束成形的综合性框架，引入了一种新型硬件结构分类法，并评估了硬件效率、计算效率与频谱效率之间的权衡。FPS（全预编码组连接）结构脱颖而出，成为领先候选方案，可在仅使用少量射频链路和固定相移器硬件的前提下实现接近全数字波束成形的性能，同时保持低复杂度并实现高频频谱效率。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mm-wave) communication is a key technology for future wireless networks. To combat significant path loss and exploit the abundant mm-wave spectrum, effective beamforming is crucial. Nevertheless, conventional fully digital beamforming techniques are inapplicable, as they demand a separate radio frequency (RF) chain for each antenna element, which is costly and consumes too much energy. Hybrid beamforming is a cost-effective alternative, which can significantly reduce the hardware cost and power consumption by employing a small number of RF chains. This paper presents a holistic view on hybrid beamforming for 5G and beyond mm-wave systems, based on a new taxonomy for different hardware structures. We take a pragmatic approach and compare different proposals from three key aspects: 1) hardware efficiency, i.e., the required hardware components; 2) computational efficiency of the associated beamforming algorithm; and 3) achievable spectral efficiency, a main performance indicator. Through systematic comparisons, the interplay and trade-off among these three design aspects are demonstrated, and promising candidates for hybrid beamforming in future wireless networks are identified.

研究动机与目标

• 解决太赫兹系统中全数字波束成形带来的高硬件成本与高能耗问题。
• 基于硬件效率、计算效率与频谱效率，评估并比较不同混合波束成形结构。
• 识别在性能与实际约束之间实现平衡的有前景混合波束成形架构。
• 提出一种灵活的映射策略，实现复杂度与频谱效率之间的权衡。
• 为未来研究在信道状态信息获取、深度学习集成、有限精度ADC以及算法-硬件协同设计方面提供指导。

提出的方法

• 提出一种新型混合波束成形硬件结构分类法，包括全预编码、部分预编码和组连接架构。
• 引入一种灵活的映射策略，通过参数η实现硬件复杂度与频谱效率之间的可调权衡。
• 分析FPS（全预编码结构）的组连接实现方式，该方式采用少量固定相移器与射频链路，其数量与数据流数相当。
• 利用压缩感知、基于码本的设计与流形优化等现有技术评估算法效率。
• 通过表III与表IV比较不同结构的硬件组件与算法复杂度。
• 采用务实的多维评估框架，聚焦于三个关键性能指标：硬件成本、计算负载与频谱效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同混合波束成形硬件结构在硬件效率、计算复杂度与频谱效率方面如何比较？
• RQ2 模拟网络架构对波束成形算法设计与可实现频谱效率有何影响？
• RQ3 灵活的映射策略是否能有效平衡混合波束成形系统中的硬件复杂度与频谱性能？
• RQ4 哪种混合波束成形结构最接近在仅使用少量射频链路与相移器硬件的前提下实现全数字波束成形性能？
• RQ5 在太赫兹网络中实现混合波束成形实际部署的关键挑战与未来研究方向是什么？

主要发现

• FPS组连接结构在仅使用少量射频链路与固定相移器组件的前提下，实现了接近全数字波束成形的频谱效率。
• 通过所提出的映射策略，调节参数η可有效实现硬件复杂度与频谱效率之间的权衡。
• FPS实现方式与现有低复杂度算法（如压缩感知与流形优化）兼容，增强了其实际可行性。
• 研究表明，当与最优结构结合时，少量固定相移器（约10个）已足够实现高频频谱效率。
• 由于在性能与硬件效率之间实现了良好平衡，FPS组连接结构被证明是5G及未来太赫兹系统中最具前景的候选方案。
• 未来研究应聚焦于信道状态信息获取、基于深度学习的算法、有限精度ADC以及算法-硬件协同设计，以推动实际部署。