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22 de diciembre de 2025
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Artículo

Butler-Matrix Beamspace Front-Ends for Massive MIMO: Architecture, Loss Budget, and Capacity Impact

Publicado en: SENSORS. 25 (23): 7170- - 2025-11-24 25(23), DOI: 10.3390/s25237170

Autores:

Vico, Felipe; Monserrat, Jose F; Ge, Yiqun
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Afiliaciones

Huawei Technol Co Ltd - Autor o Coautor
Univ Politecn Valencia UPV, iTEAM - Autor o Coautor

Resumen

Massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems with hundreds or thousands of antenna elements are fundamental to next-generation wireless networks, promising unprecedented spectral efficiency through spatial multiplexing and beamforming. However, the computational burden of channel state information (CSI) acquisition and processing scales dramatically with array size, creating a critical bottleneck for practical deployments. While previous works demonstrated that Fast Fourier Transform (FFT)-based beamspace processing can exploit the inherent angular sparsity of wireless channels to compress CSI feedback, the digital implementation requires intensive computations that become prohibitive for ultra-large arrays. This paper presents an analog alternative using Butler matrices-passive beamforming networks that realize the Discrete Fourier Transform in hardware-combined with RF switching circuits to select only dominant angular components. We provide a comprehensive analysis of Butler matrix architectures for arrays up to 32 x 32 elements, characterizing insertion losses across different technologies (microstrip, substrate-integrated waveguide, and waveguide) and operating frequencies (10-30 GHz). The proposed system incorporates parallel power sensing with Winner-Take-All circuits for sub-microsecond beam selection, drastically reducing the number of active RF chains. Full-wave simulations and capacity evaluations at 12 and 30 GHz demonstrate that the Butler-based approach achieves comparable performance to FFT methods while offering significant advantages in power consumption and processing latency. For a 256 x 256 array, FFT computation requires 0.36 ms compared to near-instantaneous analog processing, making Butler matrices particularly attractive for real-time massive MIMO systems. These findings establish Butler matrix front-ends as a practical pathway toward scalable, energy-efficient beamspace processing in 6G networks.
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Palabras clave

5g6gAdolescentAntennaArray processingArticleBandBeam spaceBeamformingBeamforming networkBeamspaceBudgetBudget controlButler matricesButler matrixCapacityChannel capacityChannel estimationChannel state informationChannel state information feedbacksCommunication channels (information theory)Csi feedbackDigital transformationDiscrete fourier transformFast fourier transformsFeedback controlHigh-speedHumanInsertion lossInsertion lossesLatent periodMassive mimoMassive multiple-input multiple-outputMatrix algebraMimo systemsMultiple inputsMultiple outputsNetworksNext generation networksSelectionSimulationSubstrate integrated waveguidesSwitching matrixTake-all circuitWinnerWinner-take-allWinner-takes-allWta

Indicios de calidad

Impacto bibliométrico. Análisis de la aportación y canal de difusión

El trabajo ha sido publicado en la revista SENSORS debido a la progresión y el buen impacto que ha alcanzado en los últimos años, según la agencia Scopus (SJR), se ha convertido en una referencia en su campo. En el año de publicación del trabajo, 2025, se encontraba en la posición , consiguiendo con ello situarse como revista Q1 (Primer Cuartil), en la categoría Instrumentation.

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Impacto y visibilidad social

Desde la dimensión de Influencia o adopción social, y tomando como base las métricas asociadas a las menciones e interacciones proporcionadas por agencias especializadas en el cálculo de las denominadas “Métricas Alternativas o Sociales”, podemos destacar a fecha 2026-04-06:

  • La utilización de esta aportación en marcadores, bifurcaciones de código, añadidos a listas de favoritos para una lectura recurrente, así como visualizaciones generales, indica que alguien está usando la publicación como base de su trabajo actual. Esto puede ser un indicador destacado de futuras citas más formales y académicas. Tal afirmación es avalada por el resultado del indicador “Capture” que arroja un total de: 2 (PlumX).

Con una intencionalidad más de divulgación y orientada a audiencias más generales podemos observar otras puntuaciones más globales como:

    Es fundamental presentar evidencias que respalden la plena alineación con los principios y directrices institucionales en torno a la Ciencia Abierta y la Conservación y Difusión del Patrimonio Intelectual. Un claro ejemplo de ello es:

    • El trabajo se ha enviado a una revista cuya política editorial permite la publicación en abierto Open Access.
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    Análisis de liderazgo de los autores institucionales

    Este trabajo se ha realizado con colaboración internacional, concretamente con investigadores de: China.

    Existe un liderazgo significativo ya que algunos de los autores pertenecientes a la institución aparecen como primer o último firmante, se puede apreciar en el detalle: Primer Autor (Vico, F) .

    el autor responsable de establecer las labores de correspondencia ha sido Vico, F.

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