[论文解读] Performance Analysis of 6G Multiuser Massive MIMO-OFDM THz Wireless Systems with Hybrid Beamforming under Intercarrier Interference

Md Saheed Ullah, Zulqarnain Bin Ashraf+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2024

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于多用户大规模MIMO-OFDM太赫兹（THz）系统的两阶段混合波束成形设计，通过黎曼流形优化实现模拟波束成形的子载波间干扰（ICI）抑制，并采用零 forcing（ZF）数字波束成形。关键贡献在于表明，考虑ICI可显著提升频谱效率，尤其在高信噪比（SNR）以及射频链路和天线数量增加时，同时降低系统复杂度和延迟。

ABSTRACT

6G networks are expected to provide more diverse capabilities than their predecessors and are likely to support applications beyond current mobile applications, such as virtual and augmented reality (VR/AR), AI, and the Internet of Things (IoT). In contrast to typical multiple-input multiple-output (MIMO) systems, THz MIMO precoding cannot be conducted totally at baseband using digital precoders due to the restricted number of signal mixers and analog-to-digital converters that can be supported due to their cost and power consumption. In this thesis, we analyzed the performance of multiuser massive MIMO-OFDM THz wireless systems with hybrid beamforming. Carrier frequency offset (CFO) is one of the most well-known disturbances for OFDM. For practicality, we accounted for CFO, which results in Intercarrier Interference. Incorporating the combined impact of molecular absorption, high sparsity, and multi-path fading, we analyzed a three-dimensional wideband THz channel and the carrier frequency offset in multi-carrier systems. With this model, we first presented a two-stage wideband hybrid beamforming technique comprising Riemannian manifolds optimization for analog beamforming and then a zero-forcing (ZF) approach for digital beamforming. We adjusted the objective function to reduce complexity, and instead of maximizing the bit rate, we determined parameters by minimizing interference. Numerical results demonstrate the significance of considering ICI for practical implementation for the THz system. We demonstrated how our change in problem formulation minimizes latency without compromising results. We also evaluated spectral efficiency by varying the number of RF chains and antennas. The spectral efficiency grows as the number of RF chains and antennas increases, but the spectral efficiency of antennas declines when the number of users increases.

研究动机与目标

• 为解决多用户大规模MIMO-OFDM THz系统中子载波间干扰（ICI）带来的频谱效率与系统性能下降问题。
• 设计一种适用于实际6G部署的低复杂度、低延迟混合波束成形架构，结合模拟与数字预编码。
• 评估ICI、载波频偏（CFO）以及射频链路数、天线数和用户数等系统参数对频谱效率的影响。
• 通过最小化干扰而非最大化速率来优化波束成形，从而在保持高性能的同时降低计算复杂度。
• 利用包含分子吸收、多径衰落和高路径损耗的现实3D宽带THz信道特性验证模型。

提出的方法

• 构建了一个包含频率选择性衰落、分子吸收和高稀疏性的三维宽带THz信道模型。
• 提出一种两阶段混合波束成形框架：采用黎曼流形优化进行模拟波束成形，采用零 forcing（ZF）数字波束成形。
• 将波束成形问题建模为最小化干扰而非最大化频谱速率，以降低计算复杂度。
• 引入载波频偏（CFO）效应以建模子载波间干扰（ICI），这对高速移动或频率不确定环境中的OFDM系统至关重要。
• 采用全连接型混合波束成形架构，实现在降低硬件成本的同时获得完整的空间复用增益。
• 在包括SNR、距离、射频链路数和天线数等现实系统参数下，使用香农容量公式评估频谱效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在采用混合波束成形的大型MIMO-OFDM THz系统中，子载波间干扰（ICI）如何影响频谱效率？
• RQ2 与忽略ICI相比，在波束成形设计中引入ICI建模能带来多大的性能增益？
• RQ3 射频链路数和天线数如何影响混合波束成形THz系统中的频谱效率与系统延迟？
• RQ4 若将波束成形目标重新定义为最小化干扰而非最大化速率，是否可在不造成显著性能损失的前提下降低复杂度？
• RQ5 在室内THz MIMO-OFDM系统中，传输距离如何影响采用混合波束成形与ICI的频谱效率？

主要发现

• 在波束成形设计中考虑ICI可显著提升频谱效率，尤其在高信噪比（SNR）条件下，凸显其在实际THz系统设计中的关键作用。
• 随着射频链路数和发射天线数的增加，频谱效率提升，但用户数增加会导致干扰和资源竞争加剧，从而降低频谱效率。
• 所提方法通过将波束成形目标重新定义为最小化干扰而非最大化速率，有效降低了系统延迟，实现复杂度显著降低而性能损失可忽略。
• 当传输距离超过5米时，频谱效率急剧下降，表明存在强路径损耗，限制了高数据速率THz通信的传输范围。
• 数值结果表明，忽略ICI会导致波束成形性能次优，频谱效率明显下降，尤其在高SNR和用户密集部署场景下更为显著。
• 当ICI得到恰当建模与抑制时，系统在高SNR条件下可实现高频频谱效率，证实了所提两阶段混合波束成形方法的有效性。