[論文レビュー] Majorization-Minimization Aided Hybrid Transceivers for MIMO Interference Channels

Shiqi Gong, Chengwen Xing+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 33被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、mmWaveおよびマイクロ波周波数におけるMIMO干渉チャネル向けに、主に最小化（MM）に基づくハイブリッドレシーバ設計を提案し、ユニットモジュラス制約下で低複雑性かつ高性能な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。この手法は、完全デジタルWMMSE、BD-ZF、SLNRソリューションと同等の性能を達成する一方で、ハードウェアの複雑性とRFチェーンの要件を顕著に低減する。

ABSTRACT

The potential of deploying large-scale antenna arrays in future wireless systems has stimulated extensive research on hybrid transceiver designs aiming to approximate the optimal fully-digital schemes with much reduced hardware cost and signal processing complexity. Generally, this hybrid transceiver structure requires a joint design of analog and digital processing to enable both beamsteering and spatial multiplexing gains. In this paper, we develop various weighted mean-square-error minimization (WMMSE) based hybrid transceiver designs over multiple-input multiple-output (MIMO) interference channels at both millimeter wave (mmWave) and microwave frequencies. Firstly, a heuristic joint design of hybrid precoder and combiner using alternating optimization is proposed, in which the majorization-minimization (MM) method is utilized to design the analog precoder and combiner with unit-modulus constraints. It is validated that this scheme achieves the comparable performance to the WMMSE fully-digital solution. To further reduce the complexity, a phase projection-based two-stage scheme is proposed to decouple the designs of analog and digital precoder combiner. Secondly, inspired by the fully-digital solutions based on the block-diagonalization zero-forcing (BD-ZF) and signal-to-leakage-plus-noise ratio (SLNR) criteria, low-complexity MMbased BD-ZF and SLNR hybrid designs are proposed to well approximate the corresponding fully-digital solutions. Thirdly, the partially-connected hybrid structure for reducing system hardware cost and power consumption is considered, for which the MM-based alternating optimization still works. Numerical results demonstrate the similar or superior performance of all the above proposed schemes over the existing benchmarks.

研究の動機と目的

• 大規模アレイアンテナにおける完全デジタルMIMOビームフォーミングの高コスト・高複雑性を解決すること。
• RFチェーンを削減し、ユニットモジュラスアナログプレフィッティング/コンビナー制約を満たすハイブリッドレシーバを設計し、最適な完全デジタル性能を近似すること。
• MM最適化を用いて、mmWaveおよびマイクロ波MIMO干渉チャネル向けに低複雑性かつスケーラブルなソリューションを開発すること。
• 既存の完全デジタルビームフォーミング基準（WMMSE、BD-ZF、SLNR）をMMに基づく最適化によりハイブリッドアーキテクチャに拡張すること。
• エネルギー効率向上とハードウェアコスト低減を目的として、部分的に接続されたハイブリッド構造における性能を評価すること。

提案手法

• ユニットモジュラス制約下で、アナログプレフィッターとコンビナーを反復的に最適化する主に最小化（MM）アルゴリズムを用い、収束性と完全デジタルベンチマークに近い性能を保証する。
• アナログとデジタル処理を分離する2段階スキームを提案：まずMMを用いてアナログビームフォーマーを最適化し、次に干渉を抑圧するためのデジタルプレフィッター/コンビナーを最適化する。
• 完全デジタルWMMSE、BD-ZF、SLNRソリューションをMMに基づく交互最適化を用いてハイブリッド設計に適応させ、複雑性を低減しつつ性能を維持する。
• 部分的に接続されたハイブリッド構造にMM法を適用し、完全接続設計に近い性能を達成するエネルギー効率の高いビームフォーミングを実現する。
• 大規模mmWaveチャネルをモデル化し、漸近的収束特性を導出するために行列分解と特異値分解（SVD）を用いる。
• 漸近的解析を用いて、アンテナ数が増加する際、提案されたハイブリッドプレフィッターが最適な完全デジタルBD-ZF解に収束することを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MMに基づく最適化は、ユニットモジュラスアナログビームフォーマーを備えたハイブリッドMIMOレシーバで、近似的に最適な性能を達成できるか？
• RQ2 提案された2段階設計は、統合最適化と比較して、複雑性と性能の点でどの程度異なるか？
• RQ3 MMに基づくハイブリッド設計は、完全デジタルWMMSE、BD-ZF、SLNRソリューションをどの程度正確に近似できるか？
• RQ4 mmWaveおよびマイクロ波MIMO干渉チャネルにおいて、提案された手法は既存のハイブリッドビームフォーミングベンチマークに対してどの程度の性能向上を達成できるか？
• RQ5 部分的に接続されたハイブリッド構造は、完全接続設計と比較して、性能とハードウェア効率にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案されたMMに基づく統合設計は、RFチェーンを削減しても、最適な完全デジタルWMMSEソリューションと同等の性能を達成する。
• 2段階フェーズプロジェクションスキームは、複雑性を低減しつつ、完全デジタルベンチマークに近い性能を維持する。
• MMに基づくBD-ZFおよびSLNRハイブリッド設計は、その完全デジタル対応物を良好に近似する。特に高SNRおよび大アンテナ配列環境下で顕著である。
• 部分的に接続されたハイブリッド構造は、低いハードウェアコストと消費電力で優れた性能を維持し、大規模MIMOの漸近的状況下でほぼ最適な動作を示す。
• 漸近的解析により、アンテナ数が無限大に近づく際、提案されたハイブリッドプレフィッターが最適な完全デジタルBD-ZF解に収束することが確認された。
• 数値結果により、すべての提案手法がスペクトル効率および干渉抑圧の観点で、既存のベンチマークを上回るか同等の性能を示した。