Exploiting channel sparsity in the

Exploiting channel sparsity in the mm-wave bands, the simplest form of hybrid beamforming in SU-MIMO
systems focuses array gains to a limited number of multipaths in the RF domain, called beam steering in this
paper, while multiplexing data streams and power allocation is performed in baseband. This simplest beamforming
architecture is asymptotically optimum in the limit of large antenna arrays [35].
For systems with practical sizes of arrays, which for example have 64 to 256 elements for the BS and under
20 elements for the UEs [63]–[65], hybrid beamforming structures are highly desirable. In addition, reducing the
hardware complexity as well as computational complexity in those systems is also a major concern. For those
purposes, a number of hybrid beamforming methods has been proposed for mm-wave SU-MIMO channels that
can be categorized into 1) the use of codebooks, 2) spatially sparse precoding, 3) antenna selection, and 4) beam
selection based on lens antenna.
• Use of codebooks: While having the same principle as the schemes described in Sec. II, the codebook-based
beamforming at the mm-wave band does not directly estimate the large CSI matrix at the RX, but instead
it performs downlink training using pre-defined beams and then only feeds back the selected beam IDs to
the transmitter. This can also be applied to reduced-complexity structures [48], [66]. To further reduce the
complexity of beam search and feedback overhead for systems equipped with large antenna apertures, a
codebook for full-complexity hybrid architecture can be designed to exploit the sparsity of channels [37].
Each codeword is constructed based on the Orthogonal Matching Pursuit (OMP) algorithm to minimize the
MSE with the pre-defined ideal beam pattern.
• Spatially sparse precoding: This method finds the approximation of the unconstrained (i.e., fully-digital)
beamformer previously described in Sec. II; at mm-wave bands with large antenna aperture and a small
number of dominant multipaths, the approximation can be made sufficiently close to the optimal precoder
using a finite number of antenna elements in the array [11], [67]. The multipath sparsity restricts the feasible
analog precoders FRF to a set of array response vectors, and the baseband precoder optimization can be
transformed to the sparsity constrained matrix reconstruction problem (based on the cardinality constraint on
the number of RF chains). The near-optimal solution of FBB can then be efficiently found using simultaneously
sparse approximation techniques, e.g, OMP [68]. The spectral-efficiency comparison of this method with both
unconstrained fully-digital beamforming and analog-only beam steering for the case of perfect transmit CSI
are shown in Fig. 5. The computational complexity in acquiring the instantaneous CSI for constructing the
targeted fully-digital beamformer can be reduced using adaptive compressive sensing that exploit the sparse
nature of mm-wave channels [67].
• Antenna selection: While the general structure is the same as the one for cm-waves described in Sec. IV, it
turns out that in sparse mm-wave multipath channels, the fast and greedy based antenna subset selection [69],
[70] performs as robust as the exhaustive antenna search in terms of the spectrum efficiency when combined
with a baseband combiner. For a reduced-complexity system, performance analysis was given in [70], showing
that hybrid antenna selection can outperform a sparse hybrid combiner with coarsely quantized phase shifters
in term of power consumption, with the assumption that both have the same spectral-efficiency performance.
Nevertheless, there is still a large gap in spectral-efficiency between the hybrid beamforming combiner with
switches and the fully-digital one with ideal phase shifters.
• Beam selection based on lens antenna: Another line of research for hybrid beamforming structure called
continuous aperture phased (CAP)-MIMO transceivers that does not use the phase shifters or switches for RF
beamforming was proposed based on the beamspace MIMO (B-MIMO) concept [71], [72], which is similar to
the previously proposed spatial FFT with selection. The RF beamforming in this structure is instead realized
using an electrically-large lens antenna excited by a feed antenna array placed beneath the lens. The feed
array is called a beam selector since the lens antenna produces high-gain beams that point different angles
depending on the feed location. The antenna system is capable of utilizing the low-dimensional high-gain
10
beamspace of the multipath channel by selecting a couple of feed antennas beneath the lens using a limited
number of RF chains. The CAP-MIMO is particularly suitable for mm-wave systems as it efficiently generate
spatially sparse beam patterns close to the optimal ones (like in the spatially sparse precoding method). In [72],
the CAP-MIMO transceivers achieves near-optimal capacity of mm-wave SU-MIMO channel

Kết quả (Việt) 1:

Khai thác kênh sparsity trong ban nhạc sóng mm, hình thức đơn giản nhất của hybrid beamforming ở SU-MIMOHệ thống tập trung mảng lợi ích để một số giới hạn của multipaths thuộc phạm vi RF, gọi là chùm chỉ đạo nàygiấy, trong khi ghép kênh dòng dữ liệu và phân bổ quyền lực được thực hiện ở baseband. Này beamforming đơn giản nhấtkiến trúc là tiệm cận tối ưu trong giới hạn của mảng ăng ten lớn [35].Đối với hệ thống với kích thước thực tế của mảng, mà ví dụ có 64 đến 256 yếu tố cho các BS và dướiCác yếu tố 20 UEs [63]-[65], hybrid beamforming cấu trúc đang rất mong muốn. Ngoài ra, việc giảm cácphần cứng phức tạp cũng như các tính toán phức tạp trong những hệ thống cũng là mối quan tâm lớn. Đối với những ngườimục đích, một số lai beamforming phương pháp đã được đề xuất cho làn sóng mm SU-MIMO kênh đócó thể được phân loại vào 1) sử dụng codebooks, precoding 2) trong không gian thưa thớt, lựa chọn 3) ăng-ten và 4) chùmlựa chọn dựa trên ống kính ăng-ten.• Sử dụng các codebooks: trong khi có các nguyên tắc tương tự như các chương trình được mô tả trong Sec. II, dựa trên DEFCONbeamforming ban nhạc mm-wave không phải trực tiếp ước tính ma trận CSI lớn tại RX, nhưng thay vìnó thực hiện đào tạo tải bằng cách sử dụng chùm tia được xác định trước và sau đó chỉ nguồn cấp dữ liệu trở lại ID chùm được lựa chọn đểCác truyãön. Điều này cũng có thể được áp dụng cho cấu trúc phức tạp giảm [48], [66]. Để giảm bớt cácsự phức tạp của chùm tìm và các phản hồi trên không cho các hệ thống trang bị khẩu độ ăng ten lớn, mộtDEFCON đầy phức tạp lai kiến trúc có thể được thiết kế để khai thác sparsity Kênh [37].Dịch mỗi được xây dựng dựa trên các thuật toán trực giao phù hợp với việc theo đuổi (OMP) để giảm thiểu cácMSE với mô hình chùm lý tưởng được xác định trước.• Thưa thớt trong không gian precoding: phương pháp này thấy xấp xỉ của việc không bị giới hạn (ví dụ, đầy đủ kỹ thuật số)beamformer đã được mô tả trong Sec. II; tại Ban nhạc sóng mm với khẩu độ ăng ten lớn và nhỏsố của multipaths chi phối, xấp xỉ có thể được thực hiện đủ gần với precoder tối ưubằng cách sử dụng một số hữu hạn các ăng-ten phần tử trong mảng [11], [67]. Sparsity ion hạn chế là khả thitương tự precoders FRF một tập của loạt phản ứng vectơ, và tối ưu hóa precoder baseband mới có thểchuyển đến vấn đề xây dựng ma trận hạn chế sparsity (dựa trên sự hạn chế cardinality trênsố lượng dây chuyền RF). Các giải pháp gần tối ưu của FBB sau đó một cách hiệu quả có sử dụng cùng một lúcthưa thớt xấp xỉ kỹ thuật, ví dụ như, OMP [68]. So sánh phổ hiệu quả của phương pháp này với cả haikhông bị giới hạn đầy đủ kỹ thuật số beamforming và chùm tia tương tự-chỉ có chỉ đạo cho các trường hợp hoàn hảo truyền CSIĐang hiển thị trong hình 5. Tính toán phức tạp trong việc mua CSI ngay lập tức để xây dựng cácnhắm mục tiêu đầy đủ kỹ thuật số beamformer có thể được giảm bằng cách sử dụng thích nghi khi nén cảm biến mà khai thác các thưa thớtbản chất của mm-sóng kênh [67].• Lựa chọn ăng-ten: trong khi các cấu trúc chung tương tự như một trong những con sóng cm được mô tả trong Sec. IV, nóchỉ ra rằng trong các kênh ion mm-wave thưa thớt, nhanh chóng và tham lam dựa trên lựa chọn tập con ăng-ten [69],[70] thực hiện là mạnh mẽ như tìm ăng-ten đầy đủ về hiệu quả phổ khi kết hợpvới một bộ kết hợp baseband. Đối với một hệ thống phức tạp giảm, phân tích hiệu suất đã được đưa vào [70], Đang hiển thịhybrid ăng-ten lựa chọn có thể tốt hơn một thưa thớt lai bộ kết hợp với giai đoạn coarsely bước sang số bằngtrong thời hạn của điện năng tiêu thụ, với giả định rằng cả hai đều có hiệu suất quang phổ hiệu quả tương tự.Tuy nhiên, vẫn còn một khoảng cách lớn trong quang phổ-hiệu quả giữa các bộ kết hợp beamforming lai vớithiết bị chuyển mạch và với đầy đủ kỹ thuật số một sang số bằng giai đoạn lý tưởng.• Chùm lựa chọn dựa trên ống kính ăng-ten: dòng khác của nghiên cứu cho lai beamforming cấu trúc gọi làkhẩu độ liên tục rút (CAP)-MIMO thu mà không sử dụng các giai đoạn sang số bằng hoặc các thiết bị chuyển mạch RFbeamforming được đề xuất dựa trên beamspace MIMO (B-MIMO) khái niệm [71] [72], mà là tương tự nhưkhông gian FFT đề xuất trước đó với sự lựa chọn. Beamforming RF trong cấu trúc này là thay vì nhận rabằng cách sử dụng một ăng-ten điện lớn ống kính vui mừng bởi một mảng ăng-ten nguồn cấp dữ liệu đặt bên dưới các ống kính. Nguồn cấp dữ liệumảng được gọi là một chùm selector kể từ khi các ăng-ten ống kính sản xuất dầm cao đạt được điểm góc độ khác nhautùy thuộc vào vị trí nguồn cấp dữ liệu. Hệ thống ăng-ten có khả năng sử dụng thấp-chiều cao-đạt được10beamspace của các kênh ion bằng cách chọn một vài nguồn cấp dữ liệu các ăng-ten bên dưới ống kính bằng cách sử dụng một giới hạnsố dây chuyền RF. CAP-MIMO là đặc biệt thích hợp cho các hệ thống sóng mm vì nó tạo ra các hiệu quảMô hình chùm thưa thớt trong không gian gần gũi với sự tối ưu những người (như trong các phương pháp precoding thưa thớt trong không gian). Trong [72],CAP-MIMO thu đạt gần tối ưu công suất mm-wave SU-MIMO channel

Kết quả (Việt) 2:

Khai thác kênh thưa thớt trong những ban nhạc mm sóng, hình thức đơn giản nhất của beamforming lai trong SU-MIMO
hệ thống tập trung tăng mảng cho một số lượng hạn chế của multipaths trong miền RF, được gọi là lăng dầm trong này
giấy, trong khi luồng dữ liệu ghép kênh và phân bổ điện năng là thực hiện trong baseband. Đây beamforming đơn giản
kiến trúc là tiệm tối ưu trong giới hạn của mảng ăng ten lớn [35].
Đối với hệ thống có kích thước thực tế của mảng, mà ví dụ có 64-256 yếu tố cho các BS và dưới
20 phần tử cho các UE [63] - [65 ], cấu trúc beamforming lai là rất mong muốn. Ngoài ra, làm giảm
độ phức tạp phần cứng cũng như tính toán phức tạp trong những hệ thống cũng là một mối quan tâm lớn. Đối với những
mục đích, một số phương pháp beamforming lai đã được đề xuất cho kênh mm sóng SU-MIMO mà
có thể được phân loại thành 1) việc sử dụng codebooks, 2) tiền mã hóa không gian thưa thớt, 3) lựa chọn ăng ten, và 4) chùm
lựa chọn dựa trên ăng ten ống kính.
• Sử dụng codebooks: trong khi có những nguyên tắc tương tự như các chương trình được mô tả trong Sec. II, các codebook dựa trên
beamforming tại ban nhạc mm sóng không trực tiếp ước tính ma trận CSI lớn tại RX, nhưng thay vào đó
nó thực hiện đào tạo downlink sử dụng dầm được xác định trước và sau đó chỉ thích trở lại các ID chùm được lựa chọn để
phát. Điều này cũng có thể được áp dụng cho các cấu trúc giảm độ phức tạp [48], [66]. Để tiếp tục làm giảm
độ phức tạp của tìm kiếm chùm và phản hồi trên cao cho các hệ thống được trang bị với khẩu độ ăng ten lớn, một
codebook cho kiến trúc lai toàn phức tạp có thể được thiết kế để khai thác thưa thớt của các kênh [37].
Mỗi từ mã được xây dựng dựa trên Matching Pursuit Orthogonal (OMP) thuật toán để giảm thiểu
MSE với các mô hình chùm lý tưởng được xác định trước.
• tiền mã hóa không gian thưa thớt: phương pháp này tìm xấp xỉ của các bị giới hạn (tức là, hoàn toàn kỹ thuật số)
beamformer mô tả trước đó trong Sec. II; tại ban nhạc mm sóng với khẩu độ ăng ten lớn và một nhỏ
số multipaths chi phối, xấp xỉ có thể được thực hiện đầy đủ gần với precoder tối ưu
sử dụng một số hữu hạn các phần tử anten trong mảng [11], [67]. Các thưa thớt đa hạn chế khả thi
tương tự precoders FRF một tập hợp các vectơ đáp mảng, và tối ưu hóa precoder baseband có thể được
chuyển đến thưa thớt hạn chế vấn đề ma trận tái thiết (dựa trên chế cardinality về
số lượng chuỗi RF). Các giải pháp gần tối ưu của FBB có thể sau đó được tìm thấy hiệu quả sử dụng đồng thời
các kỹ thuật xấp xỉ thưa thớt, ví dụ như, OMP [68]. Việc so sánh quang phổ hiệu quả của phương pháp này với cả hai
không bị giới hạn beamforming đầy đủ kỹ thuật số và chùm lái tương tự chỉ cho trường hợp của CSI truyền hoàn hảo
được thể hiện trong hình. 5. Các tính toán phức tạp trong việc đạt được các CSI tức thời cho xây dựng
beamformer đầy đủ kỹ thuật số mục tiêu có thể giảm sử dụng cảm biến độ nén thích ứng khai thác thưa thớt
chất của kênh mm sóng [67].
• Antenna lựa chọn: Trong khi các cấu trúc chung là như nhau như một cho cm sóng được mô tả trong Sec. IV, nó
chỉ ra rằng trong kênh đa đường mm sóng thưa thớt, nhanh chóng và tham lam dựa anten tập hợp lựa chọn [69],
[70] thực hiện mạnh mẽ như tìm kiếm anten đầy đủ về hiệu quả quang phổ khi kết hợp
với một bộ kết hợp baseband. Đối với một hệ thống giảm độ phức tạp, phân tích hiệu suất đã được đưa ra trong [70], cho thấy
rằng lựa chọn ăng ten lai có thể làm tốt hơn một bộ kết hợp lai thưa thớt với xoay pha thô lượng tử hóa
trong thời hạn tiêu thụ điện năng, với giả định rằng cả hai đều có cùng một hiệu suất quang phổ hiệu quả .
Tuy nhiên, vẫn còn một khoảng cách lớn trong quang phổ hiệu quả giữa lai beamforming kết hợp với
công tắc và một trong những đầy đủ kỹ thuật số với cần sang giai đoạn lý tưởng.
• chùm lựa chọn dựa trên ăng ten ống kính: một dòng nghiên cứu cấu trúc lai beamforming gọi là
khẩu độ liên tục theo từng giai đoạn (CAP) thu phát -MIMO mà không sử dụng các bộ xoay pha hoặc thiết bị chuyển mạch RF
beamforming đã được đề xuất dựa trên beamspace MIMO (B-MIMO) khái niệm [71], [72], mà là tương tự như
FFT không gian đề xuất trước đây với lựa chọn. Các beamforming RF trong cấu trúc này là thay vì nhận ra
cách sử dụng một ăng-ten ống kính điện lớn kích thích bởi một mảng ăng ten thức ăn đặt dưới ống kính. Các thức ăn
mảng được gọi là một chọn chùm từ ăng-ten ống kính sản xuất dầm tăng cao mà điểm góc độ khác nhau
tùy thuộc vào vị trí thức ăn. Các hệ thống ăng-ten có khả năng sử dụng thấp chiều tăng cao
10
beamspace của kênh đa đường bằng cách chọn một vài anten thức ăn dưới ống kính sử dụng một hạn chế
số lượng chuỗi RF. CAP-MIMO là đặc biệt thích hợp cho các hệ thống mm sóng vì nó có hiệu quả tạo ra
mô hình chùm không gian thưa thớt gần những cái tối ưu (như trong phương pháp tiền mã hóa không gian thưa thớt). Trong [72],
các máy thu phát CAP-MIMO đạt được gần như tối ưu công suất mm sóng SU-MIMO kênh