Fast Terahertz Beam Management via Frequency-dependent Beamforming

Abstract

테라헤르츠 통신은 더 풍부한 스펙트럼 자원을 확보하고 대역폭 사막을 극복할 수 있는 매력적인 방법으로 간주된다. 테라헤르츠 통신의 주요 어려움 중 하나는 높은 회절 및 침투 손실과 대기 흡수로 인한 신호 전력의 심각한 감쇠다. 이러한 심각한 경로 손실을 보상하기 위해 대규모 MIMO(multiple-input multiple-output)로 구현한 빔 형성 기법이 널리 사용되고 있다. 빔 형성 이득은 빔이 신호 전파 경로에 적절하게 정렬되어야만 최대화되므로 정확한 빔 방향 획득이 매우 중요하다. 기존의 빔 관리 방식의 주요 문제는 훈련 빔의 수에 비례하는 상당한 대기 시간이다. 본 논문에서는 TTD(True Time Delay) 기반 위상 천이기를 이용하여 다중 주파수 종속 빔을 동시에 생성하는 테라헤르츠 빔 관리 기법을 제안한다. Intensifier라고 하는 TTD 기반 신호 전파 네트워크를 사용하여 주파수 종속 빔 형성 벡터와 원하는 방향성 빔 형성 벡터 사이의 간격을 좁힘으로써 빔 형성 이득을 최대화하는 매우 날카로운 훈련 빔을 생성한다. 수치 결과로부터 제안된 방식이 빔 관리 대기 시간을 70% 이상 감소시키고 데이터 속도를 60% 증가시키는 것을 보였다.

Terahertz (THz) communications are envisaged as an attractive way to attain richer spectrum resources and surmount the bandwidth desert. One main difficulty of the THz communication is the severe attenuation of signal power caused by the high diffraction and penetration losses and atmospheric absorption. To compensate for the severe path loss, a beamforming technique realized by the massive multiple-input multiple-output (MIMO) has been widely used. Since the beamforming gain is maximized only when the beams are appropriately aligned with the signal propagation paths, the acquisition of accurate beam directions is of great importance. A major issue of the conventional beam management schemes is the considerable latency being proportional to the number of training beams. In this paper, we propose a THz beam management technique that simultaneously generates multiple frequency-dependent beams using the true time delay (TTD)-based phase shifters. By closing the gap between the frequency-dependent beamforming vectors and the desired directional beamforming vectors using the TTD-based signal propagation network called intensifier, we generate very sharp training beams maximizing the beamforming gain. From the numerical results, we demonstrate that the proposed scheme achieves more than 70% reduction in the beam management latency and 60% increase in the data rate.