Hybrid analog and digital beamforming has emerged as a key enabling technology for millimeter wave (mmWave) massive multiple-input multiple-output (MIMO) communication systems since it can balance the trade-off between system performance and hardware efficiency. Owing to the strong ability of central control, cooperative networks show great potential to enhance the spectral efficiency of mmWave communications. In this paper, we consider cooperative mmWave MIMO systems and propose user association and hybrid beamforming design algorithms for three typical hybrid beamforming architectures. The central processing unit (CPU) of the cooperative networks first matches the service pairs of base stations (BSs) and users. Then, an iterative hybrid beamforming design algorithm is proposed to maximize the weighted achievable sum-rate performance of the mmWave MIMO system with fully connected hybrid beamforming architecture. Moreover, a heuristic analog beamforming design algorithm is introduced for the fixed subarray hybrid beamforming architecture. In an effort to further exploit multiple-antenna diversities, we also consider the dynamic subarray architecture and propose a novel antenna design algorithm for the analog beamforming design. Simulation results illustrate that the proposed hybrid beamforming algorithms achieve a significant performance improvement than other existing approaches and the dynamic subarray architecture has great advantages of improving the energy efficiency (EE) performance.

中文翻译：

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用于合作毫米波 MIMO 系统的用户关联和混合波束成形设计

混合模拟和数字波束成形已成为毫米波 (mmWave) 大规模多输入多输出 (MIMO) 通信系统的关键支持技术，因为它可以平衡系统性能和硬件效率之间的权衡。由于中央控制的强大能力，协作网络在提高毫米波通信的频谱效率方面显示出巨大的潜力。在本文中，我们考虑了协作毫米波 MIMO 系统，并为三种典型的混合波束成形架构提出了用户关联和混合波束成形设计算法。协作网络的中央处理器（CPU）首先匹配基站（BS）和用户的服务对。然后，提出了一种迭代混合波束成形设计算法，以最大化具有全连接混合波束成形架构的毫米波 MIMO 系统的加权可实现和速率性能。此外，为固定子阵列混合波束形成架构引入了启发式模拟波束形成设计算法。为了进一步利用多天线的多样性，我们还考虑了动态子阵列架构，并为模拟波束成形设计提出了一种新颖的天线设计算法。仿真结果表明，所提出的混合波束形成算法比其他现有方法实现了显着的性能改进，并且动态子阵列架构在提高能效（EE）性能方面具有很大优势。此外，为固定子阵列混合波束形成架构引入了启发式模拟波束形成设计算法。为了进一步利用多天线的多样性，我们还考虑了动态子阵列架构，并为模拟波束成形设计提出了一种新颖的天线设计算法。仿真结果表明，所提出的混合波束形成算法比其他现有方法实现了显着的性能改进，并且动态子阵列架构在提高能效（EE）性能方面具有很大优势。此外，为固定子阵列混合波束形成架构引入了启发式模拟波束形成设计算法。为了进一步利用多天线的多样性，我们还考虑了动态子阵列架构，并为模拟波束成形设计提出了一种新颖的天线设计算法。仿真结果表明，所提出的混合波束形成算法比其他现有方法实现了显着的性能改进，并且动态子阵列架构在提高能效（EE）性能方面具有很大优势。我们还考虑了动态子阵列架构，并为模拟波束成形设计提出了一种新颖的天线设计算法。仿真结果表明，所提出的混合波束形成算法比其他现有方法实现了显着的性能改进，并且动态子阵列架构在提高能效（EE）性能方面具有很大优势。我们还考虑了动态子阵列架构，并为模拟波束成形设计提出了一种新颖的天线设计算法。仿真结果表明，所提出的混合波束形成算法比其他现有方法实现了显着的性能改进，并且动态子阵列架构在提高能效（EE）性能方面具有很大优势。