[論文レビュー] Hybrid Precoding for mmWave V2X Doubly-Selective Multiuser MIMO Systems

Elyes Balti|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 39被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、二重選択性チャネルを有するミリ波V2XマルチユーザMIMOシステムにおける低複雑性ハイブリッド precoding アルゴリズムを提案する。2段階設計を採用：第1段階では単一ユーザビームフォーミングを用いてアナログビームフォーマーを最適化し、第2段階では、RVQまたはビームステアリングコードブックを介した限られたフィードバックにより、基地局でデジタルプレコーディング（MRT、ZF、MMSE、または反復的）を計算する。主な貢献は、低トレーニングおよびフィードバックオーバーヘッドで高い性能を達成し、ミリ波帯域およびsub-6 GHz帯域において、アウトージー確率、エネルギー効率、移動性耐性解析を通じて検証されたものである。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) is a practical solution to provide high data rate for the vehicle-to-everything (V2X) communications. This enables the future autonomous vehicles to exchange big data with the base stations (BSs) such as the velocity and the location to improve the awareness of the advanced driving assistance system (ADAS). In this context, we consider a single-cell multiuser doubly-selective system wherein the BS simultaneously serves multiple vehicles. To accomplish this requirement, the BS is implemented in hybrid architecture to support multiple spatial streams while the vehicles have analog-only structures. In this work, we develop a low-complexity hybrid precoding algorithm wherein the design of the hybrid precoder at the BS and the analog combiner at the vehicles require small training and feedback overhead. We propose a two-stage hybrid precoding algorithm wherein the first stage designs the analog beamformers as in single user scenario while the second stage designs the multiuser digital precoder at the BS. In the second stage, we derive closed-form digital precoders such as Maximum Ratio Transmission (MRT), Zero-Forcing (ZF) and Minimum Mean Square Error (MMSE) as a first variant while we propose iterative digital precoder as a second variant. The design of the digital precoders for the two variants requires the limited feedback sent from the vehicles to BS. We refer to the random vector quantization (RVQ) and the beamsteering codebooks to quantize the feedbacks for variants I and II, respectively, since the perfect feedback requires long overhead and large training. We evaluate the rate loss incurred by the quantization of the digital and analog codebooks against the perfect channel state information at the transmitter (CSIT).

研究の動機と目的

• 二重選択性 fading を有するミリ波マルチユーザMIMO V2Xシステムにおける高いトレーニングおよびフィードバックオーバーヘッドの課題に対処すること。
• 低複雑性のアナログおよびデジタルビームフォーミングを実現するハイブリッド precoding アーキテクチャを設計すること。
• ランダムベクトル量子化（RVQ）およびビームステアリングコードブックを活用して、限られたフィードバックによるレート損失を最小限に抑えること。
• ドップラー誘発のキャリア周波数オフセット（CFO）および移動性効果に対するシステムの耐性を評価すること。
• さまざまなV2Xサービスを想定し、異なるミリ波帯域およびADCパワー水準におけるエネルギー効率のトレードオフを分析すること。

提案手法

• 2段階ハイブリッド precoding フレームワークを提案：第1段階では、受信電力を最大化するために単一ユーザMIMOの原則を用いてアナログビームフォーマーを設計する。
• 第2段階では、閉形式解（MRT、ZF、MMSE）または反復的アルゴリズムを用いて、基地局でマルチユーザ干渉を抑制するデジタルプレコーダーを計算する。
• 車両でのCSI量子化に、バリアントIではRVQ、バリアントIIではビームステアリングコードブックを用いた限られたフィードバックを採用する。
• 基地局では完全または部分的に接続されたRFチェーンを有するハイブリッドアーキテクチャを採用し、車両ではアナログオンリーコンビナーを用いる。
• ADCパワーおよびアンテナ数を含む現実的なハードウェア制約下で、ミリ波（28–73 GHz）およびsub-6 GHz帯域において性能を評価する。
• ドップラー拡散および移動性下でのアウトージー確率、スペクトル効率、エネルギー効率、誤り性能に関するシミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RVQおよびビームステアリングコードブックによる限られたフィードバックが、ミリ波V2Xシステムにおけるハイブリッド precoding のレート損失に与える影響は何か？
• RQ2 車両の移動性およびドップラーシフトが、二重選択性ミリ波チャネルにおける誤り性能およびシステムの耐性に与える影響は何か？
• RQ3 ユーザー数の増加が、単一ユーザTDMAと比較してスペクトル効率およびアウトージー確率に与える影響は何か？
• RQ4 異なるミリ波帯域およびADCパワー水準において、エネルギー効率とユーザー数のトレードオフは何か？
• RQ5 ハードウェア構成（完全接続対部分接続ハイブリッドアーキテクチャ）が、システム性能およびエネルギー効率に与える影響は何か？

主な発見

• 基地局アンテナ数を128から256に増加させるとアウトージー確率が改善されるが、アナログビームフォーマーが独立して設計されているため、その恩恵は限定的である。
• ユーザー数が少ない場合（例：1〜4ユーザー）、モード1（28 GHz、850 MHz帯域、250 mW ADC）が、低い消費電力スケーリングのおかげで最高のエネルギー効率を示す。
• ユーザー数が増加すると、モード4（73 GHz、2 GHz帯域、550 mW ADC、128アンテナ）が最もエネルギー効率が高くなる。これはマスティブームフォーミングゲインのおかげである。
• モード2（39 GHz、1.4 GHz、400 mW ADC）は、アンテナ数が同一でもモード3（同周波数、450 mW ADC）よりもパワー効率が優れている。これはADCパワーが低いからである。
• 移動性により顕著なCFOが発生し、特に高移動度状況では誤り性能が劣化する。これは、耐障害性の高いビームフォーミング設計の必要性を示している。
• 量子化フィードバックによるレート損失はユーザー数が増加するにつれて増加するが、特にRVQを使用する場合に顕著で、フィードバックオーバーヘッドとスペクトル効率のトレードオフが顕在化している。