[论文解读] Matching in the Air: Optimal Analog Beamforming under Angular Spread

Jinfeng Du, Marcin Rybakowski+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2019

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 22被引用 7

一句话总结

本文通过将阵列的波束成形波瓣图与信道的角扩展相匹配，提出了一种毫米波系统下的最优模拟波束成形方法，采用闭式解的阵列几何结构以最大化有效波束成形增益。该方法仅通过三次功率测量即可实现低开销的角扩展估计，从而实现实时波束成形波瓣图自适应，在真实三维信道环境中显著优于传统固定阵列的性能。

ABSTRACT

Gbps wireless transmission over long distance at high frequency bands has great potential for 5G and beyond, as long as high beamforming gain could be delivered at affordable cost to combat the severe path loss. With limited number of RF chains, the effective beamwidth of a high gain antenna will be "widened" by channel angular spread, resulting in gain reduction. In this paper, we formulate the analog beamforming as a constrained optimization problem and present closed form solution that maximizes the effective beamforming gain. The optimal beam pattern of antenna array turns out to "match" the channel angular spread, and the effectiveness of the theoretical results has been verified by numerical evaluation via exhaustive search and system level simulation using 3D channel models. Furthermore, we propose an efficient angular spread estimation method using as few as three power measurements and validate its accuracy by lab measurements using a $16{ imes}16$ phased array at 28 GHz. The capability of estimating angular spread and matching the beam pattern on the fly enables high effective gain using low cost analog/hybrid beamforming implementation, and we demonstrate a few examples where substantial gain can be achieved through array geometry optimization.

研究动机与目标

• 解决由于信道角扩展和射频链路数量有限导致的毫米波系统波束成形增益下降这一关键问题。
• 将模拟波束成形建模为一个约束优化问题，以最大化有效波束成形增益。
• 推导出一种闭式解，以确定最优阵列几何结构，使其在方位和俯仰方向上与信道的角扩展相匹配。
• 提出一种低复杂度方法，仅通过三次功率测量即可估计角扩展。
• 通过使用3GPP合规的三维信道模型和28 GHz实验室测量结果，在系统级仿真中验证理论增益。

提出的方法

• 将有效波束成形增益表示为阵列尺寸、阵元波束宽度以及方位和俯仰方向信道角扩展的函数。
• 利用AM-GM不等式，推导出最优阵列尺寸（K₁, K₂）的闭式解，通过平衡波束宽度与角扩展以实现增益最大化。
• 提出一种基于三次功率测量的角扩展估计方法，可在实时条件下实现波束成形波瓣图的自适应调整。
• 采用3GPP合规的三维信道模型进行系统级仿真，以评估在真实传播条件下的性能增益。
• 通过在28 GHz下使用16×16相控阵的实验室测量，验证了角扩展估计的准确性。
• 通过为每个射频链路优化子阵列几何结构，将该框架扩展至混合波束成形，假设具备完美信道状态信息和最大比率合并。

实验结果

研究问题

• RQ1 在射频链路数量有限且存在信道角扩展的约束下，如何最大化模拟波束成形增益？
• RQ2 在何种阵列几何结构（以K₁和K₂表示）下，可使波束成形增益达到最大，从而与信道的角扩展相匹配？
• RQ3 是否能够仅通过三次功率测量实现实时、高精度的角扩展估计？
• RQ4 基于部署特定角扩展优化阵列几何结构，可实现多大的性能增益？
• RQ5 在真实的毫米波传播环境中，与传统固定阵列波束成形相比，所提方法的性能表现如何？

主要发现

• 最优阵列几何结构实现了有效波束成形增益的理论上限，其表达式为 2 / (σ_h σ_v + (B_ve B_he)/N)，当 K₁/K₂ = (σ_h B_ve)/(σ_v B_he) 时取等号。
• 系统级仿真显示，与传统方形阵列相比，该方法在角扩展不对称的场景（如高俯仰扩展、低方位扩展）中表现出显著的增益提升。
• 基于三次功率测量的角扩展估计方法具有高精度，已在28 GHz下16×16相控阵的实验室测量中得到验证。
• 在真实非视 Line-of-Sight（NLOS）测量中，观察到相比标称14.5 dBi增益，实际增益下降了4.5 dB，凸显了角扩展的实际影响。
• 所提方法可实现基于链路的动态波束成形波瓣图自适应，显著提升了混合波束成形和模拟波束成形系统的有效增益。
• 基于均方根角扩展的阵列几何结构优化可带来可测量的性能增益，根据部署条件不同，潜在增益可达3–7 dB。