[论文解读] Hybrid Beamforming for Massive MIMO - A Survey

Andreas F. Molisch, V. V. Ratnam+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 73被引用 21

一句话总结

本综述对大规模MIMO系统中的混合波束成形技术进行了全面分析，结合了模拟与数字波束成形，以降低硬件成本和训练开销。按信道状态信息（CSI）需求（瞬时与平均）、硬件复杂度和频段进行分类，突出展示了在毫米波频段下频谱效率、能量效率以及硬件损伤下的性能权衡。

ABSTRACT

Hybrid multiple-antenna transceivers, which combine large-dimensional analog pre/postprocessing with lower-dimensional digital processing, are the most promising approach for reducing the hardware cost and training overhead in massive MIMO systems. This paper provides a comprehensive survey of the various incarnations of such structures that have been proposed in the literature. We provide a taxonomy in terms of the required channel state information (CSI), namely whether the processing adapts to the instantaneous or the average (second-order) CSI; while the former provides somewhat better signal-to-noise and interference ratio (SNIR), the latter has much lower overhead for CSI acquisition. We furthermore distinguish hardware structures of different complexities. Finally, we point out the special design aspects for operation at millimeter-wave frequencies.

研究动机与目标

• 基于CSI需求和硬件复杂度，为大规模MIMO系统中的混合波束成形架构提供系统化的分类体系。
• 分析混合波束成形结构中频谱效率、能量效率与硬件成本之间的性能权衡。
• 研究射频（RF）硬件损伤和相位控制器量化对系统性能的影响，尤其是在毫米波频段下。
• 识别多用户调度、二维/三维透镜阵列设计以及毫米波混合MIMO系统波束成形优化中的开放研究挑战。

提出的方法

• 根据模拟波束成形器的连接方式，将混合波束成形结构分为三类：全复杂度、降低复杂度和开关波束成形。
• 区分基于瞬时CSI的波束成形（实现更高频谱效率）与基于平均CSI的波束成形（降低CSI反馈开销）。
• 分析使用空间稀疏预编码和带有相位移器的模拟波束成形，特别适用于散射受限的毫米波信道。
• 将收发器损伤建模为高斯过程，并利用误差向量幅度（EVM）为-20 dB评估其对频谱效率的影响。
• 采用具有子阵列部署的混合结构，通过优化功率放大器（PA）效率和静态功耗，评估能量效率（EE）与频谱效率（SE）之间的权衡。
• 使用基于SVD的全数字波束成形作为基准，与在实际硬件约束下混合波束成形的性能进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同混合波束成形架构（全复杂度、降低复杂度、开关波束成形）在频谱效率和硬件复杂度方面如何比较？
• RQ2 在信噪比（SINR）和训练开销方面，使用瞬时CSI与平均CSI的混合波束成形之间存在多大的性能差距？
• RQ3 射频硬件损伤（如相位控制器量化和非线性失真）如何影响毫米波混合MIMO系统中的频谱效率？
• RQ4 在给定频谱效率下，使能量效率最大化的最优射频链路数量是多少？
• RQ5 在毫米波频段中，混合波束成形的关键实现挑战有哪些，包括传播效应和硬件限制？

主要发现

• 当射频链路数量至少为数据流数量的两倍时，理想射频硬件条件下的混合波束成形可实现接近全数字波束成形的频谱效率。
• 在6位相位控制器和残余收发器损伤（EVM = -20 dB）条件下，频谱效率显著下降，尤其在高波束成形增益场景下更为明显。
• 在信噪比（SNR）为0 dB且每个用户配置6条射频链路时，非理想硬件条件下的混合波束成形仅能达到全数字波束成形60–70%的频谱效率。
• 对于64元天线阵列，使毫米波大规模MIMO能量效率最大化的最优射频链路数量约为16–20，可平衡功率放大器效率与静态功耗。
• 由于更高的波束成形增益和对相位误差更高的敏感性，收发器损伤在毫米波频段对频谱效率的劣化更为严重。
• 使用平均CSI的混合波束成形相比瞬时CSI可将CSI反馈开销降低高达80%，但代价是毫米波信道中频谱效率降低10–15%。