[论文解读] Joint Inter-path and Intra-path Multiplexing for Terahertz Widely-spaced Multi-subarray Hybrid Beamforming Systems

Longfei Yan, Yuhang Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种用于太赫兹（THz）通信的广域多子阵列（WSMS）混合波束成形架构，通过联合利用路径间复用和路径内复用，实现了比传统架构高出k倍的复用增益。通过采用闭式解和主导视 Line-of-Sight（LoS）松弛算法，对子阵列数量、间距和波束成形矩阵进行优化，WSMS系统相较于现有的FC和AoSA架构，频谱效率提高了189%，能量效率提高了91%。

ABSTRACT

Terahertz (THz) communications with multi-GHz bandwidth are envisioned as a key technology for 6G systems. Ultra-massive (UM) MIMO with hybrid beamforming architectures are widely investigated to provide a high array gain to overcome the huge propagation loss. However, most of the existing hybrid beamforming architectures can only utilize the multiplexing offered by the multipath components, i.e., inter-path multiplexing, which is very limited due to the spatially sparse THz channel. In this paper, a widely-spaced multi-subarray (WSMS) hybrid beamforming architecture is proposed, which improves the multiplexing gain by exploiting a new type of intra-path multiplexing provided by the spherical-wave propagation among k widely-spaced subarrays, in addition to the inter-path multiplexing. The resulting multiplexing gain of WSMS architecture is k times of the existing architectures. To harness WSMS hybrid beamforming, a novel design problem is formulated by optimizing the number of subarrays, subarray spacing, and hybrid beamforming matrices to maximize the spectral efficiency, which is decomposed into two subproblems. An optimal closed-form solution is derived for the first hybrid beamforming subproblem, while a dominant-line-of-sight-relaxation algorithm is proposed for the second array configuration subproblem. Extensive simulation results demonstrate that the WSMS architecture and proposed algorithms substantially enhance the spectral efficiency and energy efficiency.

研究动机与目标

• 解决由于空间稀疏信道中可分辨多径数量有限而导致的太赫兹混合波束成形频谱效率受限问题。
• 克服传统架构仅利用路径间复用的局限性，该方式在稀疏太赫兹信道中受到严重限制。
• 通过利用广域子阵列之间的球面波传播，引入一种新的路径内复用增益。
• 制定联合设计问题，通过优化子阵列数量、间距和波束成形矩阵以最大化频谱效率。
• 开发低复杂度算法——闭式解和主导LoS松弛算法——以实现实际部署。

提出的方法

• 提出一种广域多子阵列（WSMS）混合波束成形架构，其中子阵列间距超过半波长，以支持球面波传播和路径内复用。
• 制定一个最大化频谱效率的问题，联合优化子阵列数量（k）、子阵列间距（ds）和混合波束成形矩阵。
• 将问题分解为两个子问题：(1) 通过利用信道结构推导出最优闭式解，进行混合波束成形优化。
• 通过主导LoS松弛（DLR）算法解决阵列配置问题，该算法利用太赫兹频段中典型的强视 Line-of-Sight 分量。
• 使用设备特定的功耗值对硬件功耗进行建模，并将总功耗表示为发射端和接收端功耗之和。
• 采用对数频谱效率模型和线性功耗缩放方法，评估不同架构下的能量效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太赫兹混合波束成形中，能否有效利用路径内复用以克服稀疏路径间复用的局限性？
• RQ2 在太赫兹WSMS系统中，广域子阵列数量（k）和间距（ds）如何共同影响频谱效率？
• RQ3 在具有球面波传播的WSMS架构下，如何设计最优波束成形以最大化频谱效率？
• RQ4 能否开发一种低复杂度算法，联合优化阵列配置和波束成形以实现实际部署？
• RQ5 与现有的FC和AoSA混合波束成形架构相比，所提出的WSMS架构在频谱效率和能量效率方面表现如何？

主要发现

• WSMS架构通过联合利用路径间和路径内复用，实现了k倍的复用增益，其中k为广域子阵列数量。
• 所提出的混合波束成形闭式解在显著降低计算复杂度的同时，实现了最优频谱效率。
• 用于阵列配置设计的主导LoS松弛（DLR）算法在保持低复杂度的同时，实现了接近最优的性能。
• 仿真结果表明，与传统FC和AoSA架构相比，采用所提算法的WSMS系统频谱效率提高了189%。
• 与仅使用k=2个子阵列的基准WSMS系统相比，WSMS系统因k和ds的优化，频谱效率提高了96%。
• 与对应架构相比，能量效率提高了91%，主要得益于频谱效率的显著提升和高效的硬件功耗建模。