[論文レビュー] Hybrid Precoding in Millimeter Wave Systems: How Many Phase Shifters Are Needed?

Xianghao Yu, Jun Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、固定量子化位相の位相シフタを用いる固定位相シフタ（FPS）ハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャを提案する。この手法により、位相シフタの数を極めて少なくすることで、ハードウェアの複雑さを著しく低減する。動的スイッチングネットワークと閉形式解を有する交替最小化（AltMin）アルゴリズムを統合することで、実用的状況下でも1RFチェーンあたり約10個の位相シフタで十分なスペクトル効率を達成し、完全デジタルビームフォーミングに近い性能を実現する。

ABSTRACT

Hybrid precoding has been recently proposed as a cost-effective transceiver solution for millimeter wave (mm-wave) systems. The analog component in such precoders, which is composed of a phase shifter network, is the key differentiating element in contrast to conventional fully digital precoders. While a large number of phase shifters with unquantized phases are commonly assumed in existing works, in practice the phase shifters should be discretized with a coarse quantization, and their number should be reduced to a minimum due to cost and power consideration. In this paper, we propose a new hybrid precoder implementation using a small number of phase shifters with quantized and fixed phases, i.e., a fixed phase shifter (FPS) implementation, which significantly reduces the cost and hardware complexity. In addition, a dynamic switch network is proposed to enhance the spectral efficiency. Based on the proposed FPS implementation, an effective alternating minimization (AltMin) algorithm is developed with closed-form solutions in each iteration. Simulation results show that the proposed algorithm with the FPS implementation outperforms existing ones. More importantly, it needs much fewer phase shifters than existing hybrid precoder proposals, e.g., $\sim$10 fixed phase shifters are sufficient for practically relevant system settings.

研究の動機と目的

• 未量子化または細かく量子化された位相を持つ多数の位相シフタを必要とする従来のハイブリッドビームフォーマーの高いハードウェアコストと消費電力を低減すること。
• 高分解能位相シフタを仮定する既存のハイブリッドビームフォーミング設計の限界を克服し、mmWaveシステムではハードウェアの複雑さのため実用的でない高分解能位相シフタの使用を避けること。
• 最小限の位相シフタ数と固定位相シフタを用いながらも高いスペクトル効率を維持する、低複雑性かつコスト効率の高いハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャの開発。
• 固定位相シフタによる性能損失を補償し、適応的位相制御を必要とせずに柔軟なビームフォーミングを可能にする動的スイッチングネットワークの導入。
• 固定位相制約下で、スイッチングネットワークとデジタルビームフォーマーを同時に最適化する、閉形式解を有する交替最小化（AltMin）アルゴリズムの設計。

提案手法

• 位相シフタがプログラマブルな代わりに固定で量子化された位相を持つ新しい固定位相シフタ（FPS）実装を提案し、ハードウェアコストと消費電力を著しく低減する。
• 位相シフタとRFチェーン／アンテナとの間の接続を再構成可能にする動的スイッチングネットワークを導入し、位相の適応制御を必要とせずにビームフォーミングの柔軟性を実現する。
• スイッチマトリクスの大型バイナリ制約を扱うために、サrogate上界を用いた交替最小化（AltMin）アルゴリズムを考案し、デジタルベースバンドビームフォーマーとスイッチングネットワークを同時に最適化する。
• 最適化問題の構造と位相値の順序性を活用して、各イテレーションでスイッチマトリクスおよびデジタルビームフォーマーの閉形式解を導出する。
• ベクトル化と区間ベース最適化を用いて、非凸問題としての最適な位相値とスイッチマッピングの選択を効率的に解き、最適なスイッチ状態がターゲット位相値に近いほどに依存することを活用する。
• 2次近似と区間解析を用いて、所望のビームフォーミング応答と実際の応答との平均二乗誤差を最小化する最適な固定位相値αを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的ハードウェア制約下のmmWaveシステムにおいて、ハイブリッドビームフォーマーが近似的に最適なスペクトル効率を達成するために必要な位相シフタの数はどれくらいか？
• RQ2 動的スイッチングネットワークを備えた固定位相シフタアーキテクチャは、ハードウェア複雑さを著しく低減しながら、完全デジタルビームフォーミングと同等のスペクトル効率を達成できるか？
• RQ3 位相シフタがプログラマブルではなく固定量子化位相を持つ場合、スイッチングネットワークとデジタルビームフォーマーを最適に設計する方法は何か？
• RQ4 固定位相およびバイナリスイッチ制約下で、閉形式解を有する交替最小化アルゴリズムをハイブリッドビームフォーミングに適用できるか？
• RQ5 固定位相シフタベースのハイブリッドビームフォーマーの性能は、既存のハイブリッドビームフォーミング方式と比較してスペクトル効率および位相シフタ数の点でどのように差がつくか？

主な発見

• 動的スイッチングを備えた提案されたFPSハイブリッドビームフォーマーは、1RFチェーンあたり約10個の固定位相シフタで十分なスペクトル効率を達成し、完全デジタルビームフォーミングに非常に近い性能を示す。
• 既存の設計と比較して、必要な位相シフタの数が著しく削減されている。例えば、先行研究では1RFチェーンあたり40個の位相シフタが必要であったが、本手法では実用的システム設定下でわずか約10個にまで削減された。
• 閉形式解を有する交替最小化（AltMin）アルゴリズムは、効率的に収束し、近似的に最適な性能を提供する。各イテレーションでスイッチマトリクスとデジタルビームフォーマーが閉形式で同時に解かれる。
• 動的スイッチングネットワークは、固定位相シフタによる性能損失を効果的に補償し、適応的位相制御を必要とせずに高いスペクトル効率を実現する。
• 理論的解析により、最適な位相値αが順序付けられた位相値によって定義される区間内に存在することが証明され、アルゴリズムはこれらの区間を効率的に探索してグローバル最小値を特定する。
• シミュレーション結果は、FPS-AltMinアルゴリズムが、スペクトル効率において既存のハイブリッドビームフォーミング手法を上回りながら、低ハードウェア複雑性を維持していることを確認している。