[论文解读] Mitigating Hand Blockage with Non-Directional Beamforming Codebooks

Vasanthan Raghavan, Ricardo A. Motos+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 22被引用 4

一句话总结

本文提出了一种非定向波束成形码本，通过联合优化幅度和量化相位，以缓解毫米波系统中的手指遮挡问题。通过估计并补偿由手指引起的相位失真，该码本在阵元间相干合并信号，使在28 GHz下4×1阵列的实际场景中，将遮挡引起的信噪比（SNR）退化降低多达10 dB。

ABSTRACT

Hand blockage leads to significant performance impairments at millimeter wave carrier frequencies. A number of prior works have characterized the loss in signal strength with the hand using studies with horn antennas and form-factor user equipments (UEs). However, the impact of the hand on the effective phase response seen by the antenna elements has not been studied so far. Towards this goal, we consider a measurement framework that uses a hand phantom holding the UE in relaxed positions reflective of talk mode, watching videos, and playing games. We first study the impact of blockage on a directional beam steering codebook. The tight phase relationship across antenna elements needed to steer beams leads to a significant performance degradation as the hand surface can distort the observed amplitudes and phases across the antenna elements, which cannot be matched by this codebook. To overcome this loss, we propose a non-directional beamforming codebook made of amplitudes and/or quantized phases with both these quantities estimated as necessary. Theoretical as well as numerical studies show that the proposed codebook can de-randomize the phase distortions induced by the hand and coherently combine the energy across antenna elements and thus help in mitigating hand blockage losses.

研究动机与目标

• 解决目前对手指遮挡如何影响毫米波阵元间相位响应的理解不足问题，而不仅仅是幅度损失。
• 克服传统定向波束成形码本在手指遮挡下失效的局限性，因其对相位关系的刚性约束。
• 开发一种实用的波束成形策略，可适应手指引起的相位失真，且无需完整信道状态信息（CSI）反馈。
• 证明通过估计的幅度和相位相干合并各阵元能量，可显著降低遮挡相关的信噪比退化。

提出的方法

• 设计一种非定向波束成形码本，基于测量的信道状态信息，独立优化幅度和量化相位。
• 采用包含手指假体的测量框架，在用户放松姿势（通话、视频、游戏）下捕获真实的相位和幅度失真。
• 将接收信噪比（SNR）表述为阵元级幅度和相位的函数，结合同相和 quadrature 分量以建模相干合并。
• 通过分析相位量化（B位）和幅度补偿对相长干涉的影响，推导出SNR增益的理论边界。
• 引入相位补偿项，以消除手指引起的相位失真随机性，从而在遮挡条件下仍能实现相干合并。
• 基于28 GHz下4×1双极化贴片阵列的实测数据，通过理论分析和数值仿真验证该方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 手指遮挡如何影响毫米波阵元间的相位响应？为何传统定向码本在该条件下会失效？
• RQ2 在手指遮挡条件下，能否通过联合优化幅度和量化相位的非定向波束成形码本，超越定向码本的性能？
• RQ3 通过自适应波束成形补偿手指引起的相位失真，理论上可实现多大的SNR增益？
• RQ4 相位量化位数（B）如何影响缓解遮挡损耗的性能增益？
• RQ5 在真实用户场景中，通过阵元间信号的相干合并，能在多大程度上减少遮挡引起的SNR退化？

主要发现

• 在实测的28 GHz场景中，所提出的非定向波束成形码本在手指遮挡条件下，相比传统定向码本，信噪比（SNR）增益最高可达10 dB。
• 手指引起的相位失真显著降低定向码本的性能，原因在于各阵元间相位关系不匹配。
• 对幅度和量化相位的联合优化，可实现信号的相干合并，有效消除手指引起的相位失真随机性。
• 理论分析表明，SNR增益随相位量化位数（B）增加而提升，且随着B增大，增益趋近理论极限。
• 数值结果证实，该方法在反馈受限条件下仍保持高性能，适用于实际的毫米波系统。
• 该方法在不同用户姿势（通话、视频、游戏）下均表现稳健，证明在放松的手部位置下，性能提升具有一致性。