[論文レビュー] Low Complexity Hybrid Precoding and Channel Estimation Based on Hierarchical Multi-Beam Search for Millimeter-Wave MIMO Systems

Zhenyu Xiao, Pengfei Xia+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ミリ波MIMOシステムにおける低複雑性ハイブリッド precoding およびチャネル推定フレームワークを提案する。階層的マルチビーム探索を用いて、素早く最も強い多径成分（MPCs）を同定する。アナログとデジタル precoding を分離することで、アナログビームを推定されたMPCに合わせ、デジタル precoding は次元が削減された $N_{\rm{S}} \times N_{\rm{S}}$ ベースバンドチャネル上で動作させる。これにより、計算複雑性は $\mathcal{O}(N_{\rm{A}}^3)$ から $\mathcal{O}(N_{\rm{S}}^3)$ に、探索時間は $\mathcal{O}(N_{\rm{S}}^3M^2)$ から $\mathcal{O}(N_{\rm{S}}M)$ に低減され、著しく低い複雑性でほぼ最適性能を達成する。

ABSTRACT

In millimeter-wave (mmWave) MIMO systems, while a hybrid digital/analog precoding structure offers the potential to increase the achievable rate, it also faces the challenge of the need of a low-complexity design. In specific, the hybrid precoding may require matrix operations with a scale of antenna size, which is generally large in mmWave communication. Moreover, the channel estimation is also rather time consuming due to the large number of antennas at both Tx/Rx sides. In this paper, a low-complexity hybrid precoding and channel estimation approach is proposed. In the channel estimation phase, a hierarchical multi-beam search scheme is proposed to fast acquire $N_{ m{S}}$ (the number of streams) multipath components (MPCs)/clusters with the highest powers. In the hybrid precoding phase, the analog and digital precodings are decoupled. The analog precoding is designed to steer along the $N_{ m{S}}$ acquired MPCs/clusters at both Tx/Rx sides, shaping an equivalent $N_{ m{S}} imes N_{ m{S}}$ baseband channel, while the digital precoding performs operations in the baseband with the reduced-scale channel. Performance evaluations show that, compared with a state-of-the-art scheme, while achieving a close or even better performance when the number of radio-frequency (RF) chains or streams is small, both the computational complexity of the hybrid precoding and the time complexity of the channel estimation are greatly reduced.

研究の動機と目的

• 大規模アレイアンテナを備えたミリ波MIMOシステムにおけるハイブリッド precoding およびチャネル推定の高い計算および訓練複雑性に対処すること。
• アンテナ数が多いためにスケーリングするハイブリッド precoding の行列演算の計算負荷を低減すること。
• 最も強い多径成分（MPCs）を特定するために必要な訓練スロット数を最小限に抑えることで、チャネル推定を高速化すること。
• 最も重要なMPCに焦点を当てることで、効率的なマルチストリーム伝送を可能にするとともに、高いスペクトル効率を維持すること。
• 特にRFチェーン数やデータストリーム数が少ない状況において、最先端の手法と同等またはそれ以上の性能を達成すること。

提案手法

• ミリ波チャネルのスパarsな角度構造を活用し、事前に設計されたアナログ階層的コードブックを用いて、$N_{\rm{S}}$ 個の最も強いMPC/クラスタを効率的に特定する階層的マルチビーム探索方式を採用する。
• 送信側および受信側の両方で、推定された $N_{\rm{S}}$ 個のMPCに合わせてアナログ precoder を設計し、ミリ波チャネルのスパースな角度構造を活用する。
• デジタル precoder は次元が削減された $N_{\rm{S}} \times N_{\rm{S}}$ ベースバンドチャネル上で動作し、行列演算の次元を $N_{\rm{A}}$ から $N_{\rm{S}}$ に低減する。
• ハイブリッド precoding の設計によりアナログとデジタル precoding を分離し、アナログビームフォーミングを支配的MPCに合わせ、デジタル precoding は次元削減されたチャネル上で最適化する。
• 階層的コードブック構造により粗いから細かいビーム探索が可能となり、全探索と比較して必要な訓練スロット数を削減する。
• ミリ波チャネルのスパース性を活用し、最適化をスパース再構成問題としてモデル化することで、効率性を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模アンテナアレイを有するミリ波MIMOシステムにおいて、階層的マルチビーム探索はチャネル推定の時間的複雑性を低減できるか？
• RQ2 推定されたMPCに基づくアナログとデジタル precoding の分離は、計算複雑性とスペクトル効率にどのように影響するか？
• RQ3 MPCのうち $N_{\rm{S}}$ 個の支配的成分のみを precoding に使用する場合、複雑性低減と実現可能なレートとのトレードオフは何か？
• RQ4 提案手法は、実現可能なレートと訓練オーバーヘッドの観点から、最先端の手法と比較してどのように差をつけるか？
• RQ5 ビーム探索プロセスにおいて、性能と複雑性のバランスを最適化するための階層レイヤー数 $K$ の最適値は何か？

主な発見

• 提案手法により、ハイブリッド precoding の計算複雑性が $\mathcal{O}(N_{\rm{A}}^3)$ から $\mathcal{O}(N_{\rm{S}}^3)$ に低減され、$N_{\rm{S}} \ll N_{\rm{A}}$ であるため、処理負荷が著しく低下する。
• 必要な訓練時間スロット数が $\mathcal{O}(N_{\rm{S}}^3M^2)$ から $\mathcal{O}(N_{\rm{S}}M)$ に低減され、訓練効率が向上する。
• $N_{\rm{S}} = 1$ かつ1本のRFチェーンを使用する状況では、4本のRFチェーンを用いる最先端のスパース precoding 手法を上回る性能を達成する。
• $N_{\rm{S}}$ が小さい場合やRFチェーン数が少ない場合には、広いビームによるビームスキューリングによる誤検出リスクが低減されるため、SP-HPC手法よりも提案手法が優れた性能を示す。
• $K$ を2より大きくしても性能に顕著な向上が見られないことから、実用的実装において $K=2$ が最適であると示唆される。
• 定幅制約下でも、提案手法の実現可能なレートは理論的レートバウンドに非常に近い値を示し、多重子利得の損失が最小限に抑えられる。