Terahertz Multi-User Massive MIMO With Intelligent Reflecting Surface: Beam Training and Hybrid Beamforming

波束赋形 多输入多输出 计算机科学 电子工程 信道状态信息 稳健性(进化) 路径损耗 无线 工程类 电信 生物化学 基因 化学
作者
Boyu Ning,Zhi Chen,Wenrong Chen,Yiming Du,Jun Fang
出处
期刊:IEEE Transactions on Vehicular Technology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70 (2): 1376-1393 被引量:182
标识
DOI:10.1109/tvt.2021.3052074
摘要

Terahertz (THz) communications open a new frontier for the wireless network thanks to their dramatically wider available bandwidth compared to the current micro-wave and forthcoming millimeter-wave communications. However, due to the short length of THz waves, they also suffer from severe path attenuation and poor diffraction. To compensate for the THz-induced propagation loss, this paper proposes to combine two promising techniques, viz., massive multiple input multiple output (MIMO) and intelligent reflecting surface (IRS), in THz multi-user communications, considering their significant beamforming and aperture gains. Nonetheless, channel estimation and low-cost beamforming turn out to be two main obstacles to realizing this combination, due to the passivity of IRS for sending/receiving pilot signals and the large-scale use of expensive RF chains in massive MIMO. In view of these limitations, this paper first develops a cooperative beam training scheme to facilitate the channel estimation with IRS. In particular, we design two different hierarchical codebooks for the proposed training procedure, which are able to balance between the robustness against noise and searching complexity. Based on the training results, we further propose two cost-efficient hybrid beamforming (HB) designs for both single-user and multi-user scenarios, respectively. Simulation results demonstrate that the proposed joint beam training and HB scheme is able to achieve close performance to the optimal fully digital beamforming which is implemented even under perfect channel state information (CSI).

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