[論文レビュー] Beamforming for Multiuser Massive MIMO Systems: Digital versus Hybrid Analog-Digital

Tadilo Endeshaw Bogale, Long Bao Le|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 16被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、下行マルチユーザー massive MIMOシステムにおける新規ハイブリッドアナログ・デジタル beamforming設計を提案する。デジタル beamforming の性能に近づける一方で、ハードウェアコストを低減する。ブロック対角化を用いてデジタル beamforming 解を導出し、それを重み付き平均二乗誤差（WSMSE）最小化問題に組み込み、圧縮センシングを用いて解くことで、近似的に最適な和レートを達成する。主な結果として、多重化ストリーム数を減らす、またはRFチェーン数・ADC数を増やすことで、ハイブリッドとデジタル beamforming の性能差が著しく縮まることが示された。

ABSTRACT

This paper designs a novel hybrid (a mixture of analog and digital) beamforming and examines the relation between the hybrid and digital beamformings for downlink multiuser massive multiple input multiple output (MIMO) systems. We assume that perfect channel state information is available only at the transmitter and we consider the total sum rate maximization problem. For this problem, the hybrid beamforming is designed indirectly by considering a weighed sum mean square error (WSMSE) minimization problem incorporating the solution of digital beamforming which is obtained from the block diagonalization technique. The resulting WSMSE problem is solved by applying the theory of compressed sensing. The relation between the hybrid and digital beamformings is studied numerically by varying different parameters, such as the number of radio frequency (RF) chains, analog to digital converters (ADCs) and multiplexed symbols. Computer simulations reveal that for the given number of RF chains and ADCs, the performance gap between digital and hybrid beamformings can be decreased by decreasing the number of multiplexed symbols. Moreover, for the given number of multiplexed symbols, increasing the number of RF chains and ADCs will increase the total sum rate of the hybrid beamforming which is expected.

研究の動機と目的

• デジタル beamforming のスペクトル効率に近づくハイブリッドアナログ・デジタル beamforming スキームの設計。
• 高い和レートを維持しつつ、RFチェーン数とADC数を最小限に抑えることでハードウェアコストを低減すること。
• さまざまなシステムパラメータの下でのハイブリッドとデジタル beamforming 間の性能差を調査すること。
• mmWave massive MIMO システムに適したスケーラブルで実用的な beamforming 解決策を提供すること。

提案手法

• ハイブリッド beamforming の間接的設計を目的として、重み付き平均二乗誤差（WSMSE）最小化問題を定式化する。
• 最適なデジタル beamforming 解を得るため、ブロック対角化（BD）を用いる。
• デジタル beamforming の利得の二乗に反比例するようにMSE重みを割り当て、より強いストリームを優先する。
• 得られたWSMSE問題を圧縮センシング理論を用いて解き、効率的な最適化を実現する。
• 制限されたRFチェーン数とアナログ位相シフト器を備えたハイブリッド beamforming を実装する。
• さまざまなSNR、RFチェーン数、ADC数、多重化ストリーム数の下で、数値シミュレーションにより設計を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッド beamforming は、どのようにして massive MIMO システムにおいてデジタル beamforming の和レート性能に近づけることができるか？
• RQ2 多重化データストリーム数の変化が、ハイブリッドとデジタル beamforming 間の性能差に与える影響は何か？
• RQ3 RFチェーン数とADC数の増加が、ハイブリッド beamforming システムの実現可能な和レートに与える影響は何か？
• RQ4 圧縮センシングは、マルチユーザー massive MIMO におけるハイブリッド beamforming のWSMSE最小化問題を効果的に解けるか？

主な発見

• RFチェーン数とADC数が固定されている場合、多重化シンボル数を減らすことで、ハイブリッドとデジタル beamforming 間の性能差が顕著に縮む。
• RFチェーン数とADC数を増やすことで、ハイブリッド beamforming の和レートが向上し、デジタル beamforming の性能に近づく。
• SNR = -4 dB の条件下で、8本の多重化ストリームを想定した場合、RFチェーン数とADC数を8から16に増加させると、ハイブリッド beamforming の和レートは40 b/s/Hzから120 b/s/Hzに上昇する。
• 多重化シンボル数を減らすことで、限られたRFチェーン数とADC数の下でも、ハイブリッドとデジタル beamforming 間の性能差が最小化される。
• 提案されたWSMSEベースのハイブリッド beamforming 設計は、ハードウェアの複雑さを低減しつつ、近似的に最適な和レートを達成する。
• シミュレーションにより、ハイブリッド beamforming の性能がさまざまなSNRおよびシステム設定において、ロバストでスケーラブルであることが確認された。