太赫兹大规模 MIMO 系统的深度展开混合波束成形设计
信息论
2023-02-24 v1 信号处理
math.IT
摘要
混合波束成形 (HBF) 是宽带太赫兹 (THz) 大规模多输入多输出 (mMIMO) 通信系统的关键赋能技术。设计 HBF 系统的核心挑战源于其应用常涉及大维度的非凸、高度复杂优化。本文提出利用数据实现全连接 HBF (FC-HBF) 与动态子连接 HBF (SC-HBF) 架构高效设计的 HBF 方案。我们基于将最优全数字波束成形器分解为模拟与数字项并构造两个相应的等价最小二乘 (LS) 问题, 开发了深度展开框架。随后, 数字波束成形器通过闭式 LS 解获得, 而模拟波束成形器通过 ManNet 获得——一种基于展开投影梯度下降的轻量稀疏连接深度神经网络。将 ManNet 纳入所开发的深度展开框架得到了基于 ManNet 的 FC-HBF 方案。我们表明所提 ManNet 亦可在确定射频链与天线间连接后应用于 SC-HBF 设计。我们进一步开发了 ManNet 的简化版本, 称为 subManNet, 其直接产生 SC-HBF 架构的稀疏模拟预编码器。两个网络均通过无监督训练过程训练。数值结果验证了所提基于 ManNet/subManNet 的 HBF 方法以极低复杂度和快速运行时间优于传统的基于模型及深度展开的对等方法。例如, 在 128 根发射天线的仿真中, 其频谱效率略高于黎曼流形方案, 但速度快逾 1000 倍且复杂度降低超过六 (6) 倍。
引用
@article{arxiv.2302.12041,
title = {Deep Unfolding Hybrid Beamforming Designs for THz Massive MIMO Systems},
author = {Nhan Thanh Nguyen and Mengyuan Ma and Nir Shlezinger and Yonina C. Eldar and A. L. Swindlehurst and Markku Juntti},
journal= {arXiv preprint arXiv:2302.12041},
year = {2023}
}
备注
This paper has been submitted to IEEE Transaction on Signal Processing