[论文解读] Joint Delay-Phase Precoding Under True-Time Delay Constraints in Wideband Sub-THz Hybrid Massive MIMO Systems

Dang Qua Nguyen, Taejoon Kim|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2022

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对宽带亚太赫兹大规模MIMO系统的联合混合真时延（TTD）与移相器（PS）预编码方案，以在实际TTD硬件约束下缓解波束squint效应。通过联合优化TTD与PS预编码器而非假设时延无界，该方法实现了接近理想的阵列增益性能，并量化了实现目标性能水平所需的最少TTD数量，显著提升了频谱效率。

ABSTRACT

In wideband sub-Terahertz (sub-THz) massive multiple-input multiple-output (MIMO) communication systems, the beam squint effect manifests as a substantial degradation in array gain. To mitigate the aforementioned beam squint effect, a hybrid precoding approach leveraging both true-time delay (TTD) and phase shifters (PS) has been proposed. However, existing methods operate under the assumption that the TTD device can generate any desired time delay value. These methods subsequently design the TTD precoder while fixing the PS precoder. This work presents a novel optimization framework for the joint TTD and PS precoder design, incorporating realistic time delay constraints for each TTD device. Unlike previous methods, our framework does not rely on the unbounded time delay assumption and optimizes the TTD and PS values jointly to cope with the practical limitations. Furthermore, within the context of our proposed framework, we mathematically determine the minimum number of TTD devices necessitated to achieve a predetermined target array gain. Simulations confirm the proposed approach exhibits performance improvement, guarantees array gain, and achieves computational efficiency.

研究动机与目标

• 解决宽带亚太赫兹大规模MIMO系统中的波束squint效应，该效应导致子载波间阵列增益严重损失。
• 克服先前基于TTD的预编码方法的局限性，后者假设时延值无界，这在实际硬件中不切实际。
• 在每个设备的时延约束下，为TTD与PS预编码器建立联合优化框架，以提升频谱效率和硬件可行性。
• 量化在宽带太赫兹系统中实现预定义阵列增益性能所需的最少TTD数量。
• 为最优预编码器设计提供闭式解，以在大系统极限下最大化可实现速率下限。

提出的方法

• 推导在TTD与PS约束下，混合预编码系统的可实现速率下限。
• 建立一个联合优化问题，以在每个TTD的时延约束下，最大化可实现速率下限。
• 利用拉格朗日对偶与Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件，推导出最优TTD与PS预编码器系数的闭式解。
• 在大系统范围内，建立理想模拟预编码器（完全补偿波束squint）与最大化可实现速率下限的预编码器之间的等价性。
• 通过建模每个TTD设备的时延有限范围，引入硬件约束，避免先前工作中对无界时延的假设。
• 利用优化问题的结构，将解简化为两种情形：一种为无约束时延，另一种为饱和时延，依据阈值 $\vartheta_{\text{max}}$ 判定。

(c)

实验结果

研究问题

• RQ1 在实际时延约束下，TTD与PS预编码器的联合优化是否能优于传统的仅TTD设计？
• RQ2 在宽带太赫兹大规模MIMO系统中，实现目标阵列增益性能所需的最少TTD数量是多少？
• RQ3 在大系统极限下，可实现速率下限与波束squint补偿能力之间有何关系？
• RQ4 所提出的方法是否消除了对无界时延假设的需求，同时仍能实现接近理想的阵列增益？
• RQ5 在频谱效率与硬件效率方面，联合TTD-PS预编码方案与先前的混合预编码方法相比如何？

主要发现

• 所提出的联合TTD-PS预编码方案即使在严格的时延约束下，也能实现接近理想的阵列增益性能，优于先前假设TTD无界的预编码方法。
• 通过联合优化推导出的最优预编码器，在大系统极限下与能完全补偿波束squint的理想模拟预编码器等价。
• 该方法量化了实现预定义阵列增益所需的最少TTD数量，且随着PS数量的增加，所需TTD数量减少。
• 仿真结果证实了在阵列增益和频谱效率方面有显著性能提升，且该方法在TTD数量有限时仍能保持高性能。
• 通过KKT条件与矩阵求逆，推导出预编码器系数的闭式解，实现了无需迭代优化的高效实现。
• 通过最小化所需TTD数量，同时保持性能，该方法相比全TTD架构显著降低了硬件成本与功耗。

Figure 2: Comparison between beam squint compensation methods in the prior works [ 8 , 9 , 10 ] (left) and the proposed method in this work (right).