[论文解读] Towards an Appropriate Receiver Beamforming Scheme for Millimeter Wave Communication: A Power Consumption Based Comparison

Waqas Bin Abbas, Michele Zorzi|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 13被引用 21

一句话总结

本文通过分析模拟波束成形（ABF）、数字波束成形（DBF）和混合波束成形（HBF）方案的总功耗，挑战了传统观点，即数字波束成形（DBF）因功耗过高而不适用于毫米波（mmWave）接收机。研究发现，在特定带宽（B）、ADC分辨率（b）和天线数量（N_ANT）条件下，DBF的功耗可与HBF或ABF相当甚至更低，尤其在低功耗ADC模型和低信噪比（SNR）场景下，当需要完整的数字处理灵活性时，DBF成为可行选择。

ABSTRACT

At millimeter wave (mmW) frequencies, beamforming and large antenna arrays are an essential requirement to combat the high path loss for mmW communication. Moreover, at these frequencies, very large bandwidths are available to fulfill the data rate requirements of future wireless networks. However, utilization of these large bandwidths and of large antenna arrays can result in a high power consumption which is an even bigger concern for mmW receiver design. In a mmW receiver, the analog-to-digital converter (ADC) is generally considered as the most power consuming block. In this paper, primarily focusing on the ADC power, we analyze and compare the total power consumption of the complete analog chain for Analog, Digital and Hybrid beamforming (ABF, DBF and HBF) based receiver design. We show how power consumption of these beamforming schemes varies with a change in the number of antennas, the number of ADC bits (b) and the bandwidth (B). Moreover, we compare low power (as in [1]) and high power (as in [2]) ADC models, and show that for a certain range of number of antennas, b and B, DBF may actually have a comparable and lower power consumption than ABF and HBF, respectively. In addition, we also show how the choice of an appropriate beamforming scheme depends on the signal-to-noise ratio regime.

研究动机与目标

• 挑战普遍认为数字波束成形（DBF）在毫米波接收机中功耗过高的假设。
• 对模拟波束成形（ABF）、数字波束成形（DBF）和混合波束成形（HBF）方案的总功耗进行全面比较。
• 识别DBF在功耗方面与HBF和ABF相当或更低的系统参数范围（带宽B、ADC分辨率b、天线数量N_ANT）。
• 评估信噪比（SNR）和ADC功耗模型（低功耗与高功耗）对最优波束成形方案选择的影响。

提出的方法

• 作者对ABF、DBF和HBF的毫米波接收链总功耗进行建模，重点关注ADC功耗作为主导因素。
• 采用两种ADC模型：低功耗（LPADC）和高功耗（HPADC）模型，以评估其对整体系统功耗的影响。
• 分析考虑了接收天线数量（N_ANT）、ADC分辨率（b位）和系统带宽（B），并推导出每种波束成形架构的功耗表达式。
• 通过改变B、b和N_ANT，比较各方案的功耗，并识别出DBF在能效方面优于HBF和ABF的参数范围。
• 将SNR作为性能指标，评估ADC分辨率对SNR的影响，从而影响系统性能。
• 通过仿真和数值结果验证研究发现，表明在特定条件下DBF可为最优选择。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种带宽（B）、ADC分辨率（b）和天线数量（N_ANT）条件下，数字波束成形（DBF）的功耗可与混合波束成形（HBF）相当或更低？
• RQ2 低功耗和高功耗ADC模型如何影响毫米波接收机设计中ABF、DBF和HBF的相对功耗效率？
• RQ3 尽管DBF需要每个天线配置一个ADC，DBF在总接收链功耗方面是否仍可与ABF相当或更低，尤其是在考虑整体功耗时？
• RQ4 信噪比（SNR）对最优波束成形方案选择及所需ADC分辨率（b）有何影响？
• RQ5 在何种场景下DBF优于HBF或ABF，特别是在能效和系统灵活性方面？

主要发现

• 对于低功耗ADC模型，当射频链数（N_RF）较低且天线数（N_ANT）适中时（例如N_ANT ≤ 16），DBF的功耗可与HBF相当甚至更低。
• 当N_ANT = 16时，DBF的功耗与ABF相当，使其成为移动台中可行的选择，因为多波束能力可减少初始小区搜索延迟。
• 在N_ANT ≥ 64的基站场景中，由于DBF可同时形成更多波束，即使功耗较高，其系统容量仍高于HBF，尤其在增加N_RF时更为明显。
• 对于高功耗ADC（HPADC），DBF的最优ADC分辨率（b*）和带宽（B*）相对较低，但在特定B和b条件下，DBF仍能与HBF保持竞争力。
• 研究表明，为使DBF的功耗与HBF相当，所需的ADC位数（b）足以避免显著的SNR退化，从而确保系统性能不受影响。
• DBF在低SNR环境以及需要同时形成多个波束的应用（如初始小区搜索或多用户通信）中具有显著优势。