A Hardware-Efficient Hybrid Beamforming Architecture for Near-Field Beam Training in 6G Wideband XL-MIMO Systems. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF THESIS_Fadi_final_version.....pdf Restricted to Repository staff only until 20 May 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

يرتكز التطور المستقبلي نحو شبكات الاتصالات اللاسلكية من الجيل السادس \textenglish{(6G)} بشكل جوهري على أنظمة المداخل والمخارج المتعددة واسعة النطاق للغاية \textenglish{(XL-MIMO)} لدعم معدلات نقل بيانات فائقة، ودقة مكانية محسّنة، واتصال عالي الموثوقية. ومع ذلك، فإن الفتحة الكبيرة جداً لمصفوفات \textenglish{(XL-MIMO)} تتسبب في وقوع العديد من المستخدمين في منطقة المجال القريب الإشعاعي، حيث لم يعد افتراض الموجة المستوية للمجال البعيد التقليدي صالحاً. في هذا النطاق، تعتمد القناة اللاسلكية بشكل مشترك على الزاوية والمسافة، مما يجعل عملية تدريب الشعاع مشكلة ثنائية الأبعاد لاكتساب الزاوية والمسافة. وفي أنظمة النطاق العريض، تتفاقم هذه التحديات بسبب ظاهرة انقسام الشعاع المعتمد على التردد، في حين أن تحقيق بنيات تأخير الوقت الحقيقي \textenglish{(TTD)} الصرف بالكامل لكل هوائي أمراً صعباً بسبب تكلفتها العالية، واستهلاكها للطاقة، وتعقيد التوجيه، والعبء الواقع على عتاد الأجهزة. لمواجهة هذه التحديات، تقترح هذه الأطروحة بنية هجينة لتشكيل الشعاع تتميز بكفاءة عالية من حيث عتاد الأجهزة، ومخصصة لتدريب الشعاع في أنظمة \textenglish{(XL-MIMO)} ذات النطاق العريض ضمن المجال القريب. وذلك بالاستناد إلى هيكل مصفوفة من المصفوفات الفرعية \textenglish{(AoSA)}، في البنية المقترحة، تشترك مجموعة صغيرة من الهوائيات في وحدة \textenglish{(TTD)} واحدة، بينما توفر مبدلات الطور \textenglish{(PSs)} الخاصة بكل هوائي تحكماً مكانياً دقيقاً. يساهم تصميم \textenglish{(TTD)} المُجمّع هذا في تقليل عدد عناصر التأخير المكلفة بشكل كبير، مع الحفاظ في الوقت ذاته على قدرة تشكيل الشعاع فعالة المدرك للتردد والمطلوبة لعمليات المجال القريب ذات النطاق العريض. ولتمكين تدريب فعال للشعاع ظل هذه القيود العتادية، تم تطوير إطار عمل مُجمّع لانقسام الشعاع المعتمد على المسافة \textenglish{(DDBS)}. يظهر التحليل أن مشاركة وحدات \textenglish{(TTD)} تتيح بنية كسب ثنائية المقاييس، وسلوك تركيز دوري، ومناطق كسب قوية مقسمة إلى قطاعات ضمن مجال الزاوية والانحناء. وبناءً على هذه المخرجات، تم تصميم استراتيجيات إزاحة القطاعات وتداخل المسافات بهدف استعادة التغطية الواسعة لمساحة البحث باستخدام ميزانية محدودة من الإشارات المرجعية. علاوة على ذلك، تم تقديم تفسير فعال للتركيز يعتمد على طريقة المربعات الصغرى \textenglish{(LS)}، وتطوير مرحلة تحسين إضافية باستخدام المرشح المطابق \textenglish{(MF)} لصحة الكسب، وذلك لتعزيز المتانة ضد الضوضاء وعدم التطابق المكاني خارج الشبكة دون الحاجة إلى زيادة عدد فترات التدريب الزمنية. تؤكد نتائج المحاكاة فعالية إطار العمل المقترح. ففي الحالة التمثيلية التي تتضمن هوائيات إرسال بعدد \(N_t = 256\) وحجم مصفوفة فرعية \(L = 2\)، ينجح التصميم المقترح في تقليل عدد وحدات \textenglish{(TTD)} من \(N_t\) إلى \(N_t/L\)، مما يتطلب استخدام \(128\) وحدة فقط بدلاً من \(256\)، مع تحقيق تغطية شاملة بالاعتماد على أربعة قطاعات وثلاث إشارات مرجعية متداخلة المسافات لكل قطاع، بإجمالي \(12\) إشارة مرجعية. وتبرهن النتائج على أن القيمة \(L = 2\) تحقق توازناً مثالياً بين تقليل تعقيد الأجهزة والجوانب الإضافية للإشارات المرجعية، وأداء معدل النقل الطيفي. علاوة على ذلك، تحافظ الطريقة المقترحة على أداء مقارب للمعيار المرجعي المُجمّع لمعلومات حالة القناة المثالية \textenglish{(CSI)} عبر نطاقات مختلفة لنسبة الإشارة إلى الضوضاء \textenglish{(SNR)} ومسافات المستخدمين، في حين تسهم مرحلة التحسين بالمرشح المطابق \textenglish{(MF)} في رفع مستوى الأداء بشكل ملحوظ في ظروف الإشارات المرجعية المحدودة ومعدلات \textenglish{(SNR)} المتوسطة. ختاماً، تخلص هذه الأطروحة إلى إمكانية تحقيق بنية تدريب شعاعية قريبة من الكفاءة والعملية في المجال القريب للاتصالات المستندة إلى تقنية \textenglish{(DDBS)} ضمن بنية هجينة ومجمّعة لوحدات \textenglish{(TTD)}، مما يقدم حلاً يتسم بقابلية التوسع والكفاءة العتادية لأنظمة \textenglish{(XL-MIMO)} المستقبلية ذات النطاق العريض في شبكات الجيل السادس \textenglish{(6G)}.

English Abstract

The evolution toward Sixth-Generation (6G) wireless networks is expected to rely heavily on Extremely Large-Scale Multiple-Input Multiple-Output (XL-MIMO) systems to support ultra-high data rates, enhanced spatial resolution, and reliable connectivity. However, the very large aperture of XL-MIMO arrays causes many users to lie in the radiative near-field region, where the conventional far-field planar-wave assumption is no longer valid. In this regime, the wireless channel depends jointly on angle and distance, making beam training a two-dimensional angle--range acquisition problem. In wideband systems, this challenge is further intensified by frequency-dependent beam split, while fully flexible per-antenna True-Time-Delay (TTD) architectures remain difficult to realize due to their high cost, power consumption, routing complexity, and hardware burden. This thesis proposes a hardware-efficient hybrid beamforming architecture for near-field wideband XL-MIMO beam training based on an Array-of-Subarrays (AoSA) structure. In the proposed architecture, one TTD unit is shared by a small group of antennas, while per-antenna Phase Shifters (PSs) provide fine spatial control. This grouped-TTD design significantly reduces the number of costly delay elements while preserving the frequency-aware beamforming capability required for wideband near-field operation. To enable efficient beam training under this hardware constraint, a grouped Distance-Dependent Beam-Split (DDBS) framework is developed. The analysis shows that TTD sharing introduces a two-scale gain structure, periodic focusing behavior, and sectorized strong-gain regions in the angle--curvature domain. Based on these observations, sector shifting and distance interleaving strategies are designed to recover broad search-space coverage with a limited pilot budget. A Least-Squares (LS)-based effective focusing interpretation is also introduced, and a gain-signature Match-Filter (MF) refinement stage is developed to improve robustness against noise and off-grid mismatch without increasing the number of training slots. Simulation results validate the effectiveness of the proposed framework. For the representative case of $N_t=256$ antennas and subarray size $L=2$, the proposed design reduces the number of TTD units from $N_t$ to $N_t/L$, requiring only 128 TTD units instead of 256, while achieving full coverage using four angular sectors and three distance-interleaved pilots per sector, for a total of 12 pilots. The results show that $L=2$ provides a favorable balance between hardware reduction, pilot overhead, and achievable-rate performance. The proposed method remains close to the grouped perfect-CSI benchmark across different Signal-to-Noise Ratio (SNR) values and user distances, while the MF refinement further improves performance in low-pilot and moderate-SNR regimes. Overall, this thesis demonstrates that the low-overhead advantage of DDBS-based near-field beam training can be retained under a practical grouped-TTD hybrid architecture, offering a scalable and hardware-aware solution for future 6G wideband XL-MIMO systems.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Thesis Advisor:	Saad Al-ahmadi,
Thesis Co-Advisor:	Ali Nasir,
Thesis Committee Members:	Azzedine Zerguine,
Depositing User:	FADI AL-HEMYARI (g202320470)
Date Deposited:	21 May 2026 05:53
Last Modified:	21 May 2026 05:53
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144399