[论文解读] Hybrid Beamforming for 5G Millimeter-Wave Multi-Cell Networks

Shu Sun, Theodore S. Rappaport+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 17被引用 9

一句话总结

本文提出四种混合波束成形（HBF）方案——其中三种采用协作多点（CoMP）传输，一种为基准方案——专为支持多用户、多流通信的5G毫米波多小区网络而设计。通过使用信噪比加泄漏功率比（SLNR）波束成形并交换完整信道状态信息（CSI），与非CoMP方案相比，最差5%用户的频谱效率最高提升67%，尤其在密集的小小区环境中表现显著。

ABSTRACT

Multi-cell wireless systems usually suffer both intra-cell and inter-cell interference, which can be mitigated via coordinated multipoint (CoMP) techniques. Previous works on multi-cell analysis for the microwave band generally consider fully digital beamforming that requires a complete radio-frequency chain behind each antenna, which is less practical for millimeter-wave (mmWave) systems where large amounts of antennas are necessary to provide sufficient beamforming gain and to enable transmission and reception of multiple data streams per user. This paper proposes four analog and digital hybrid beamforming schemes for multi-cell multi-user multi-stream mmWave communication, leveraging CoMP. Spectral efficiency performances of the proposed hybrid beamforming approaches are investigated and compared using both the 3rd Generation Partnership Project and NYUSIM channel models. Simulation results show that CoMP based on maximizing signal-to-leakage-plus-noise ratio can improve spectral efficiency as compared to the no-coordination case, and spectral efficiency gaps between different beamforming approaches depend on the interference level that is influenced by the cell radius and the number of users per cell.

研究动机与目标

• 解决毫米波多小区网络中的小区间干扰问题，其中高路径损耗和波束成形约束限制了频谱效率。
• 设计实用的混合波束成形（HBF）策略，在毫米波系统中平衡硬件复杂度与性能，尤其针对大规模阵列天线。
• 在真实的3GPP与NYUSIM信道模型下，评估CoMP协作对频谱效率的影响。
• 在不同网络条件（小区半径、用户数、每用户流数）下，对比多种HBF方案（包括SLNR、ZF、LSP及特征模式波束成形）的性能。

提出的方法

• 构建基于256元均匀矩形阵列（URAs）的多小区毫米波MIMO框架，基站使用256元URAs，用户设备使用8元URAs，每小区支持3至12名用户。
• 实现四种HBF方案：(1) 基于SLNR的CoMP，(2) 基于ZF的CoMP，(3) 基于LSP的CoMP，(4) 非CoMP的特征模式波束成形作为基准。
• 通过基站间交换完整信道状态信息（CSI），联合设计射频（RF）与基带预编码器，以最小化小区间干扰。
• 采用最大化信号-泄漏-加噪声比（SLNR）的方法，联合优化跨小区的波束成形向量，以抑制小区间干扰。
• 使用100 MHz OFDM类带宽，采用正交频分复用（OFDM）技术，并对每条数据流进行等功率分配。
• 使用3GPP与NYUSIM信道模型进行仿真，小区半径分别为50米与200米，并分析第10、50和90百分位用户在频谱效率上的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 与非协调方案相比，基于CoMP的混合波束成形在毫米波多小区网络中如何提升频谱效率？
• RQ2 在不同干扰水平与信噪比（SNR）条件下，SLNR、ZF、LSP及特征模式波束成形在毫米波HBF中的相对性能如何？
• RQ3 小区半径、每小区用户数以及每用户数据流数如何影响不同HBF方案之间的频谱效率差距？
• RQ4 尽管理论上有吸引力，为何ZF在毫米波HBF系统中不可行？LSP与基准方案之间的性能差距由何原因造成？
• RQ5 3GPP与NYUSIM信道模型在HBF性能影响上存在哪些差异，特别是在主导特征波束与频谱效率方面？

主要发现

• 基于SLNR的CoMP在最差5%用户中实现高达67%的频谱效率增益，相较于非CoMP基准方案，尤其在密集小小区环境（50米半径）中表现突出。
• SLNR与基准方案之间的频谱效率差距随每小区用户数增加而减小——从3用户情况下的140倍干扰比降至12用户情况下的16倍，这是由于基准方案中干扰功率更高，导致信干噪比（SINR）差距缩小。
• 基于LSP的CoMP对基准方案改善有限，因为受限于波束成形增益与信道特性，泄漏功率未显著降低。
• ZF波束成形不可行，原因在于射频预编码后有效信道矩阵秩不足，无法实现完全干扰消除。
• NYUSIM信道模型的频谱效率高于3GPP模型，对最差50%用户最高可提升150%，主要归因于更强的主导特征波束。
• 在每用户四流传输场景下，GMR（广义最大比合并）在低SNR（如第10百分位）下优于其他方案，因其最大化接收信号功率；而SLNR在高SNR及干扰受限场景中表现更优。