[論文レビュー] Constant-Envelope Multi-User Precoding for Frequency-Selective Massive MIMO Systems

Saif Khan Mohammed, Erik G. Larsson|arXiv (Cornell University)|May 7, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、周波数選択的マスコミMOダウンリンクシステムにおける低複雑性定包絡（CE）precodingアルゴリズムを提案する。各基地局（BS）アンテナは、歪みを避けるために定常アンプルチュードで信号を送信する。本手法は、時間インスタンス全体にわたる位相シフトを共同最適化することで、マルチユーザー干渉を低減し、総平均電力制約系と比較してわずか1.0 dBの追加送信電力で近最適性能を達成する。また、アンテナ数が増加する際、O(N)のアレイゲインを維持する。

ABSTRACT

We consider downlink precoding in a frequency-selective multi-user Massive MIMO system with highly efficient but non-linear power amplifiers at the base station (BS). A low-complexity precoding algorithm is proposed, which generates constant-envelope (CE) signals at each BS antenna. To achieve a desired per-user information rate, the extra total transmit power required under the per-antenna CE constraint when compared to the commonly used less stringent total average transmit power constraint, is small.

研究の動機と目的

• 非線形パワー増幅器（PA）が歪みを避けるために定包絡（CE）入力を必要とするマスコミMOシステムにおける、電力効率の高いダウンリンク伝送の課題に対処すること。
• 周波数選択的フェージングチャネルにおけるチャネルメモリの複雑さを考慮し、アンテナごとの定包絡伝送を保証する低複雑性precodingアルゴリズムの開発。
• 提案されたCE precodingと従来の総平均電力制約（TAPC）との間の性能ギャップ、特に所望の確立的レートを達成するための送信電力要件を評価すること。
• 提案手法が、厳密なアンテナごとのCE制約下でも、従来のO(N)アレイゲイン（アンテナ数を2倍にした際の3 dBの送信電力低減）を達成できることを示すこと。

提案手法

• システムは、基地局（BS）にN本のアンテナと、M本の単一アンテナユーザーを持つマスコミMOダウンリンクをモデル化し、チャネルはLタップの周波数選択的フェージングを持つ。
• 各BSアンテナからの送信信号は定包絡に制約される：$ x_i[t] = \sqrt{P_T/N} \, e^{j\theta_i[t]} $。これにより、位相にかかわらず一定のアモルチチュードが保証される。
• precodingアルゴリズムは、時間インスタンス全体にわたる位相シフト $ \theta_i[t] $ を共同最適化し、ノイズのない受信信号誤差を所望のユーザー記号に対して最小化することで、マルチユーザー干渉（MUI）を効果的に抑制する。
• 非凸最適化問題を近最適に解くための反復的アルゴリズムが提案され、$ N \gg M $ の場合に大きな自由度の自由度が得られることを活用する。
• 相互情報量の式を用いて干渉共分散行列とノイズ分散を含む、確立的達成レートの下界が導出され、チャネル実現のモンテカルロ平均を用いて性能が評価される。
• 数値結果では、ZFPrecoding（下限）と協調ユーザー合計容量（上限）をベンチマークとして、提案されたCE precodingとTAPCを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数選択的マスコミMOにおいて、アンテナごとの定包絡precoding方式は、総平均電力制約方式と比較して、どの程度の追加送信電力を要するか？
• RQ2 周波数選択的チャネルにおいて、厳密なアンテナごとのCE制約下でも、低複雑性反復アルゴリズムが近最適性能を達成できるか？
• RQ3 提案されたCE precoding方式は、CE制約下でも従来のO(N)アレイゲイン（アンテナ数を2倍にした際の3 dBの電力低減）を達成できるか？
• RQ4 チャネルメモリ（L）と観測ウィンドウ長（τ）は、CEとTAPC precodingの性能ギャップにどのように影響するか？
• RQ5 ユーザー電力割り当て（E₁,…,Eₘ）が、CEおよびTAPC制約下での確立的合計レートに与える影響は何か？

主な発見

• i.i.d.タップを持つ周波数選択的レイノールフェージングチャネルにおいて、提案されたCE precodingは、総平均電力制約（TAPC）ベンチマークと同等の1ユーザーあたりの確立的レートを達成するため、合計送信電力が1.0 dB未満の追加で済む。
• 観測ウィンドウ長τがチャネルメモリLを大きく上回る（τ ≫ L）場合、CE precodingの性能は飽和し、TAPC性能に近く近似的に最適に近づく。これは反復アルゴリズムの近最適性を示している。
• 提案されたCE precodingはO(N)アレイゲインを維持する：BSアンテナ数（N）を2倍にした際、固定された1ユーザーあたりのレートを維持するための送信電力が3 dB低減される。これはアンテナごとのCE制約下でも成立する。
• ユーザー数（M=10）を固定した場合、$ P_T/\sigma^2 $ の最小値はNが2倍に増えるごとに3 dB低減され、CE制約下でもアレイゲインの強靭性が確認される。
• CEとTAPCの性能ギャップは、τ ≫ L の場合が最小となり、Lが大きくなるとわずかに増加するが、必要なSNRはTAPCベンチマークから1.0 dB以内に保たれる。
• 非線形PAにCE入力を使用することで、線形PAと比較して最大5.0 dBの合計電力削減が可能であり、非線形PAは4〜6倍の電力効率が向上する。