Future millimeter-wave systems, 5G cellular or WiFi, must rely on highly directional links to overcome severe pathloss in these frequency bands. Establishing such links requires the mutual discovery of the transmitter and the receiver, potentially leading to a large latency and high energy consumption. In this work, we show that both the discovery latency and energy consumption can be significantly reduced using fully digital front-ends. In fact, we establish that by reducing the resolution of the fully digital front-ends we can achieve lower energy consumption compared to both analog and high-resolution digital beamforming. Since beamforming through analog front-ends allows sampling in only one direction at a time, the mobile device is “on” for a longer time compared to a digital beamformer, which can get spatial samples from all directions in one shot. We show that the energy consumed by the analog front-end can be four to six times more than that of the digital front-ends, depending on the size of the employed antenna arrays. We recognize, however, that using fully digital beamforming post beam discovery, i.e., for data transmission, is not viable from a power consumption standpoint. To address this issue, we propose the use of digital beamformers with low-resolution analog to digital converters (4 bits). This reduction in resolution brings the power consumption to the same level as analog beamforming for data transmissions while benefiting from the spatial multiplexing capabilities of fully digital beamforming, thus reducing initial discovery latency and improving energy efficiency.

中文翻译：

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用于毫米波无线网络初始接入的波束成形架构的能量和延迟

未来的毫米波系统，5G 蜂窝或 WiFi，必须依靠高度定向的链路来克服这些频段中的严重路径损耗。建立这样的链路需要发射器和接收器的相互发现，可能会导致大延迟和高能耗。在这项工作中，我们表明使用全数字前端可以显着降低发现延迟和能耗。事实上，我们确定通过降低全数字前端的分辨率，与模拟和高分辨率数字波束成形相比，我们可以实现更低的能耗。由于通过模拟前端的波束成形一次只允许在一个方向上进行采样，因此与数字波束成形器相比，移动设备“开启”的时间更长，它可以一次性获得所有方向的空间样本。我们表明，模拟前端消耗的能量可能是数字前端消耗的能量的四到六倍，具体取决于采用的天线阵列的大小。然而，我们认识到，从功耗的角度来看，使用全数字波束成形后波束发现（即用于数据传输）是不可行的。为了解决这个问题，我们建议使用具有低分辨率模数转换器（4 位）的数字波束形成器。这种分辨率的降低使功耗达到与用于数据传输的模拟波束成形相同的水平，同时受益于全数字波束成形的空间复用功能，从而减少初始发现延迟并提高能源效率。我们表明，模拟前端消耗的能量可能是数字前端消耗的能量的四到六倍，具体取决于采用的天线阵列的大小。然而，我们认识到，从功耗的角度来看，使用全数字波束成形后波束发现（即用于数据传输）是不可行的。为了解决这个问题，我们建议使用具有低分辨率模数转换器（4 位）的数字波束形成器。这种分辨率的降低使功耗达到与用于数据传输的模拟波束成形相同的水平，同时受益于全数字波束成形的空间复用功能，从而减少初始发现延迟并提高能源效率。我们表明，模拟前端消耗的能量可能是数字前端消耗的能量的四到六倍，具体取决于采用的天线阵列的大小。然而，我们认识到，从功耗的角度来看，使用全数字波束成形后波束发现（即用于数据传输）是不可行的。为了解决这个问题，我们建议使用具有低分辨率模数转换器（4 位）的数字波束形成器。这种分辨率的降低使功耗达到与用于数据传输的模拟波束成形相同的水平，同时受益于全数字波束成形的空间复用功能，从而减少初始发现延迟并提高能源效率。取决于所用天线阵列的大小。然而，我们认识到，从功耗的角度来看，使用全数字波束成形后波束发现（即用于数据传输）是不可行的。为了解决这个问题，我们建议使用具有低分辨率模数转换器（4 位）的数字波束形成器。这种分辨率的降低使功耗达到与用于数据传输的模拟波束成形相同的水平，同时受益于全数字波束成形的空间复用功能，从而减少初始发现延迟并提高能源效率。取决于所用天线阵列的大小。然而，我们认识到，从功耗的角度来看，使用全数字波束成形后波束发现（即用于数据传输）是不可行的。为了解决这个问题，我们建议使用具有低分辨率模数转换器（4 位）的数字波束形成器。这种分辨率的降低使功耗达到与用于数据传输的模拟波束成形相同的水平，同时受益于全数字波束成形的空间复用功能，从而减少初始发现延迟并提高能源效率。我们建议使用具有低分辨率模数转换器（4 位）的数字波束形成器。这种分辨率的降低使功耗达到与用于数据传输的模拟波束成形相同的水平，同时受益于全数字波束成形的空间复用功能，从而减少初始发现延迟并提高能源效率。我们建议使用具有低分辨率模数转换器（4 位）的数字波束形成器。这种分辨率的降低使功耗达到与用于数据传输的模拟波束成形相同的水平，同时受益于全数字波束成形的空间复用功能，从而减少初始发现延迟并提高能源效率。