[論文レビュー] Hybrid precoding and combining for frequency-selective mmWave MIMO Systems with per-antenna power constraints

Javier Rodríguez-Fernández, Roberto López-Valcarce+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、周波数選択的mmWave MIMOシステムにおける各アンテナごとの電力制約下で、全デジタル解を近似するための、弦距離最小化を用いたハイブリッドビームフォーミングと結合フレームワークを提案する。帯域幅が3 GHzにまで拡大しても、ビームスイント効果を伴っても、近似的に最適なスペクトル効率を達成し、実用的なハードウェア環境下で全電力制約設計を上回る性能を示す。

ABSTRACT

Configuring hybrid precoders and combiners is a major challenge to deploy practical mmWave communication systems. Prior work addresses the problem of designing hybrid precoders and combiner, yet focusing on finding solutions under a total transmit power constraint. The design of hybrid precoders and combiners in practical system, is constrained, however, by a per antenna transmit power, since each antenna element in the array is connected to a power amplifier (PA) that has to operate within its linear region. In this paper, we focus on the problem of hybrid precoding and combining with per-antenna power constraints, and under a frequency-selective bandlimited channel model. We first propose an all-digital solution to this problem, and develop a hybrid precoding and combining strategy that aims at matching this solution by minimizing the chordal distance between the all-digital precoders (combiners) and their hybrid approximations. Finally, since minimizing this metric does not guarantee that the final spectral efficiency will be maximized, we optimize the resulting spectral efficiency taking into account the per-antenna power constraints. Simulation results show the effectiveness of our all-digital and hybrid solutions, while emphasizing the differences with respect to the corresponding solution under a total power constraints. As shown in our numerical results, the proposed all-digital solution performs similarly to the case in which a total power constraint is considered. Further, our proposed hybrid solution is also shown to exhibit near-optimum performance, and the influence of different system parameters is also shown, thereby showing the suitability of our proposed framework to deploy practical mmWave MIMO systems.

研究の動機と目的

• パワーアンプの線形性に起因する各アンテナごとの電力制限によって制限される実用的mmWaveシステムにおける、ハイブリッドビームフォーマーと結合器の設計課題に対処する。
• 現実的なハードウェア制約を考慮した周波数選択的かつ帯域制限付きチャネルモデル下で、全デジタル解を近似するハイブリッドビームフォーミング戦略を開発する。
• ビームスイントと各アンテナごとの電力制限を考慮したスペクトル効率最適化を実施し、従来の反復的手法が示す劣化した電力分配を回避する。
• 帯域幅と周波数選択性がハイブリッドビームフォーマー設計に与える影響を定量的に捉える、サブスペースに基づくフレームワークを提供する。
• チャネル推定誤差に対して頑健であり、実用的な推定アルゴリズムを用いた不完全なCSI下でも性能を検証する。

提案手法

• 各アンテナごとの電力制約下での全デジタルビームフォーミングと結合を提案し、性能上限としての役割を果たす。
• 全デジタルビームフォーマー／結合器とそのハイブリッド近似との間の弦距離を最小化することで、ハイブリッドビームフォーマーと結合器を設計する。
• 周波数選択性を持つチャネルの主要な特異サブスペースに、アナログビームフォーマー／結合器をグレアマン多様体に基づく最適化フレームワークで整合させる。
• 各アンテナごとの電力制限と帯域拡張効果を尊重する制約付き最適化問題としてハイブリッド設計を定式化する。
• RFフロントエンドにおける周波数依存応答とパルス整形効果を組み込むことで、ビームスイントモデルをチャネルモデルに統合する。
• 訓練オーバーヘッド制約下でも信頼性の高いCSI取得を可能にする、修正版SS-SW-OMP+Thアルゴリズムをチャネル推定に適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 各アンテナごとの電力制約は、周波数選択的mmWave MIMOシステムにおけるハイブリッドビームフォーマーと結合器の設計と性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 全デジタル解とハイブリッドビームフォーマー／結合器との間の弦距離最小化は、各アンテナごとの電力制約下で、近似的に最適なスペクトル効率をどの程度達成できるか？
• RQ3 ビームスイントは広帯域mmWaveシステムの性能をどの程度劣化させるか？また、提案されたハイブリッド設計はこの影響を緩和できるか？
• RQ4 帯域幅の増大が、サブキャリア間での特異サブスペースのコherenecに与える影響は何か？そして、これはハイブリッドビームフォーマー設計にどのように影響するか？
• RQ5 提案されたフレームワークは、不完全なCSI下でも高いスペクトル効率を維持できるか？特に、実用的なチャネル推定アルゴリズムを用いた場合に有効か？

主な発見

• 各アンテナごとの電力制約下での全デジタル解は、全電力制約ケースと同等のスペクトル効率を達成しており、性能ベンチマークとしての有効性が裏付けられた。
• 弦距離最小化に基づくハイブリッドビームフォーミングと結合設計は、3 GHzの帯域幅と顕著なビームスイント効果が存在する状況でも、近似的に最適なスペクトル効率を達成した。
• 帯域幅が増大するに従い、サブキャリア間での特異サブスペースのコヒーレンスが低下するため、スペクトル効率が劣化する傾向にあり、(65)式の品質指標により確認された。
• (65)式の品質指標は、より高いサブスペース次元 $ d $ が周波数選択性を持つチャネルの表現を向上させることを示しており、ハイブリッド設計における十分な自由度の必要性を裏付けた。
• SS-SW-OMP+Thチャネル推定アルゴリズムにより、信頼性の高いCSI取得が可能となり、不完全なCSI下でもハイブリッドシステムが近似的に最適なスペクトル効率を達成できた。
• 提案手法は、訓練オーバーヘッドと計算複雑度の点で、従来の反復的手法を上回り、交互最適化に起因する誤差伝搬を回避した。