[論文レビュー] Adaptive Gradient Search Beamforming for Full-Duplex mmWave MIMO Systems

Elyes Balti|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2020

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 22被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、全二重モードmmWave MIMOシステムにおける和スループットを最大化するために、単位ノルムおよび一定振幅（CA）制約下で適応的勾配上昇ビームフォーミングアルゴリズムを提案する。この手法は、多様な初期化においても収束を保証するための適応的ステップサイズを用い、CA由来のスループット損失を約0.5ビット/秒/Hzに低減し、有利な条件下ではHDモード比で最大101%のスペクトル効率向上を達成する。

ABSTRACT

In this work, we present a framework analysis of full-duplex (FD) systems for Millimeter Wave (mmWave) analog architecture. Given that FD systems can double the ergodic capacity, such systems experience large losses caused by the loopback self-interference (SI). In addition, systems with analog architecture also suffer from other forms of losses mainly incurred by the constant amplitude (CA) constraint. For this purpose, we propose the projected Gradient Ascent algorithm to maximize the sum rate under the unit-norm and CA constraints. Unlike previous works, our approach achieves the best spectral efficiency while minimizing the losses incurred by the CA constraint. We also consider an adaptive step size to compensate for the perturbations that may affect the cost function during the optimization. The results will show that the proposed algorithm converges to the same optimal value for different initializations while the number of iterations required for the convergence changes for each case. In this context, we primarily consider the gradient search method for a two-nodes FD systems and then we extend the analysis for a dual-hop FD relaying systems. Finally, we evaluate the robustness of our method in terms of rate and outage probability and compare with previous approaches.

研究の動機と目的

• 全二重（FD）mmWave MIMOシステムにおけるアナログビームフォーミングにおける一定振幅（CA）制約が引き起こす顕著なスペクトル効率損失を解消すること。
• FD mmWaveシステムにおけるCAおよび自己干渉（SI）の損失を最小限に抑えるとともに、和スループットを最大化するロバストなビームフォーミングアルゴリズムの開発。
• 初期ビームフォーマ条件にかかわらず収束性と性能のロバスト性を確保するため、適応的ステップサイズの調整を実施。
• 二ノードFDシステムから二ホップFDリレーシステムへの手法の拡張を行い、スペクトル効率、アウトージェ確率、誤り率の観点から性能を評価。
• 提案手法がCA制約下でもフルデジタルビームフォーミングに近いスペクトル効率を達成でき、そのギャップが最小限に抑えられることを実証。

提案手法

• 単位ノルムおよびCA制約下でスペクトル効率を最大化するための射影勾配上昇アルゴリズムを提案。コスト関数はFD mmWave MIMOシステムにおける和スループットから導出。
• 最適化ステップを動的に調整するための適応的ステップサイズを導入。これにより、コスト関数の摂動に対しても収束性が向上する。
• クラスタおよびレイを用いた幾何的チャネルモデルを採用。共通配置受信機における自己干渉（SI）を球面波近似を用いてLOSおよびNLOS成分に分解。
• 勾配探索法を二ノードFDシステムおよび二ホップFDリレーシステムの両方へ適用。スペクトル効率、アウトージェ確率、誤り率の指標を定式化。
• SVDベース（チャネル認識）およびガウス分布（ブラインド）の2種類のビームフォーマ初期化戦略を採用。収束速度と性能トレードオフを評価。
• SIキャンセレーションおよびCA制約を考慮した修正ビームフォーミング設計を実装。フルデジタルベンチマークと比較してスループット劣化を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FD mmWave MIMOシステムにおけるビームフォーミングをどのように最適化すれば、一定振幅（CA）制約に起因するスペクトル効率損失を最小限に抑えられるか？
• RQ2 適応的ステップサイズは、異なるビームフォーマ初期化戦略において収束性のロバスト性をどの程度向上させるか？
• RQ3 提案されたビームフォーミングアルゴリズムは、特に高い自己干渉（SI）条件下で、半二重（HD）システムに比べてどの程度のスペクトル効率向上を達成できるか？
• RQ4 二ホップFDリレーシステムにおいて、従来のビームフォーミング手法と比較して、本アルゴリズムのアウトージェ確率および誤り率はどのように変化するか？
• RQ5 提案手法はCA制約下でもフルデジタルに近い性能を達成できるか。その場合のスループットギャップはどの程度か？

主な発見

• 提案された適応的勾配上昇アルゴリズムは、ビームフォーマ初期化にかかわらず、同一の最適スペクトル効率に収束することを示し、初期条件に対するロバスト性を確認。
• SVDベース初期化はガウス初期化と比較して、収束イテレーション数を最大30%まで削減する。これは事前チャネル知識の埋め込みによるもの。
• SIR = 0 dBの近距離ユーザーにおいて、0 dB SNRでHDモード比で最大101.31%のスループット向上を達成。スペクトル効率の顕著な向上を示す。
• 高SI（SIR = -60 dB）のセルエッジユーザーにおいては、-30 dB SNRでスループットギャップが-99.986%にまで低下。これはSI電力がノイズフロアを上回り、FD動作が無効化されることを示唆。
• アルゴリズムによりCA由来のスループット損失が約0.5ビット/秒/Hzに低減され、この損失を相殺するにはわずかに~2 dBのSNR増加で十分。
• 0 dBおよび10 dB SNRにおける近距離ユーザーでは、HDシステムの2倍以上のスループットをFDシステムが達成。低SI環境下での有効性を強く示す。