[論文レビュー] Hybrid LISA for Wideband Multiuser Millimeter Wave Communication Systems under Beam Squint

José P. González-Coma, Wolfgang Utschick+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ビームスウィント効果を考慮した広帯域マルチユーザー mmWave システムにおけるハイブリッドLISAを提案する。周波数帯域全体にわたるチャネル類似性を活用し、干渉を抑えるように反復的にストリームを割り当てることで、低コストでほぼ最適なスルーレートを達成し、周波数平坦なチャネル構造を仮定する従来手法よりも優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

This work jointly addresses user scheduling and precoder/combiner design in the downlink of a wideband millimeter wave (mmWave) communications system. We consider Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation to overcome channel frequency selectivity and obtain a number of equivalent narrowband channels. Hence, the main challenge is that the analog preprocessing network is frequency flat and common to all the users at the transmitter side. Moreover, the effect of the signal bandwidth over the Uniform Linear Array (ULA) steering vectors has to be taken into account to design the hybrid precoders and combiners. The proposed algorithmic solution is based on Linear Successive Allocation (LISA), which greedily allocates streams to different users and computes the corresponding precoders and combiners. By taking into account the rank limitations imposed by the hardware at transmission and reception, the performance loss in terms of achievable sum rate for the hybrid approach is negligible. Numerical experiments show that the proposed method exhibits excellent performance with reasonable computational complexity.

研究の動機と目的

• 広帯域 mmWave マルチユーザー システムにおけるビームスウィントの課題に対処すること。特に、アナログ プリコーダがすべてのサブキャリアにわたって周波数平坦でなければならない点に注目する。
• 広帯域運用下では不正確であるにもかかわらず、サブキャリア間で共通のチャネル構造を仮定する従来のハイブリッド プリコーディング手法の制限を克服すること。
• 制限された RF チェーン数というハードウェア制約下でも高いスペクトル効率を維持できる、ユーザー スケジューリングとハイブリッド プリコーダ/コンビナーの共同設計を実現すること。
• デジタル プリコーディングによるサブキャリアのスイッチオフを可能にし、周波数選択的チャネルゲインに適応することで、電力効率を向上させること。
• 実用的な広帯域 mmWave システムにおいてビームスウィントを無視すると、性能が著しく低下することを実証すること。

提案手法

• すべてのサブキャリアにわたってユーザーにデータストリームを段階的に割り当てる反復的線形逐次割り当て（LISA）フレームワークを採用する。
• 各反復で、以前にスケジューリングされたユーザーへの干渉を抑えるように、有効チャネルゲインを最大化する最良のユーザーとサブキャリアを選択する。
• ビームスウィントにもかかわらず残存するスティーリングベクトルの類似性を活用し、サブキャリア全体の統合チャネル応答に基づいて周波数平坦なアナログ プリコーダとコンビナーを計算する。
• 周波数選択的デジタル プリコーダを用いて、ストリーム間干渉を抑止し、サブキャリアごとの電力割り当てを可能にする。
• サブキャリア全体にわたるウォーターフィリングベースの電力割り当てを適用し、等価ゲインが低いサブキャリア（例：端帯域サブキャリア）をスイッチオフ可能にする。
• 選択プロセスで各バンドごとに代表的なサブキャリアを使用することで、計算複雑度を低減するサブバンドベースの変種を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共通の周波数平坦チャネル構造を仮定する場合、ビームスウィントが広帯域 mmWave マルチユーザー システムにおけるハイブリッド プリコーディング性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 すべてのサブキャリアのチャネル状態情報が得られない状況下でも、ユーザー スケジューリングとハイブリッド プリコーダ/コンビナーの共同設計により、ビームスウィントに起因する性能損失を緩和できるか？
• RQ3 ビームスウィント下の広帯域 mmWave システムにおいて、サブキャリアのスイッチオフがシステムの合計スルーレートと電力効率に与える影響は何か？
• RQ4 共通のチャネル構造を仮定する最新の手法と比較して、提案手法 Hybrid-LISA は合計スルーレートと計算複雑度の点でどのように優れているか？
• RQ5 エッジ周波数帯域のサブキャリアは、ビームスウィントの影響を受けて等価チャネルゲインが著しく低下し、その結果、スイッチオフの可能性が高くなるが、電力割り当てとサブキャリア管理によりこれをどのように補償できるか？

主な発見

• 先行研究で用いられる共通の周波数平坦チャネル仮定は、特に広帯域で運用する広帯域 mmWave システムにおいて顕著な性能劣化を引き起こす。
• 提案手法 Hybrid-LISA は、ビームスウィント下でも、完全デジタル プリコーディングにほぼ等しい合計スルーレート性能を達成し、その損失は無視できるほど小さい。
• 帯域端部に近いサブキャリアは、ビームスウィントの影響を受けて等価チャネルゲインが著しく低下し、スイッチオフの可能性が高くなる。
• 低SNRではウォーター フィリング電力割り当ては中心周波数に近いサブキャリアを優遇するが、高SNRでは電力がサブキャリア全体に均等に分配される。
• 帯域が広くなると、サブキャリアのスイッチオフ確率が上昇し、その多くがバンドの端部に位置する。
• Hybrid-LISA のサブバンドベースの変種は、計算複雑度を低減しながらも高い性能を維持でき、実用的導入に適している。