[論文レビュー] MIMO with More Users than RF Chains.

Nil Garcia, Henk Wymeersch+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2017

Antenna Design and Optimization被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、MIMOシステムにおけるRFチェーン数より多くのユーザーを送信できるという従来の制限を打ち破る、シンボル単位のハイブリッド precoding フレームワークを提案する。符号ごとにアナログおよびデジタル precoder を動的に再構成することで、RFチェーン数を超えるユーザーに対する空間多重通信を可能にし、実用的なハードウェア制約のもとで近似的に最適なスペクトル効率を達成する。

ABSTRACT

Antenna arrays with hybrid analog-digital signal processing capabilities offer a compromise between the performance of digital arrays and the cost-efficiency of analog arrays with a single radio-frequency (RF) chain. A limitation of hybrid arrays is that the number of independent streams that they can transmit with standard precoding techniques cannot be larger than the number of RF chains. In standard hybrid precoding, the analog precoder (phase shifters or switches) are fixed at the beginning of the streams. To break the ceiling on the number of streams, a new precoding paradigm is proposed, where the analog and digital precoder are changed in a symbol-by-symbol basis. Algorithms for optimizing the analog and digital precoders at the symbol rate are provided and their performance is extensively analyzed.

研究の動機と目的

• RFチェーン数を超えるユーザーをサポートできないというハイブリッドMIMOシステムにおける根本的制限を克服すること。
• 動的 precoding 策略を用いて、RFチェーン数を超えるユーザーの空間多重通信を可能にすること。
• シンボルレートでのアナログおよびデジタル precoder の共同最適化のための実用的アルゴリズムを設計すること。
• 提案された動的 precoding フレームワークの性能向上と実現可能性を、現実的なハイブリッドMIMOアーキテクチャの下で分析すること。

提案手法

• 各シンボルごとにアナログおよびデジタル precoder を再構成する、シンボル単位のハイブリッド precoding アーキテクチャを提案する。
• 電力制約およびハードウェア制約の下で、アナログ（位相シフター／スイッチ）とデジタル precoder の共同最適化フレームワークを導入する。
• 平均二乗誤差の最小化またはスペクトル効率の最大化という非凸最適化問題を解くために反復的アルゴリズムを採用する。
• 最適化の分離と計算複雑度の低減を図るためにブロック対角構造を用いる。
• ビームフォーミング設計の非凸性に対処するために逐次凸近似（SCA）技術を適用する。
• 現実のチャネルモデルおよびハードウェア制約のもとで、広範なシステムレベルのシミュレーションを通じて手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シンボルレートでのアナログおよびデジタル precoder の動的再構成は、ハイブリッドMIMOシステムにおいてRFチェーン数を超えるユーザーへの送信を可能にするか？
• RQ2 従来の固定 precoding 方式と比較して、シンボルレベル precoding はどの程度のスペクトル効率向上を達成できるか？
• RQ3 位相シフターの分解能や電力制限などの実用的ハードウェア制約下で、提案されたアルゴリズムはどのように動作するか？
• RQ4 動的 precoding フレームワークにおいて、性能向上と計算複雑度のトレードオフはどのようなものか？
• RQ5 提案された手法のもとで、RFチェーン数およびユーザー数の増加に伴いシステム性能はどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 提案されたシンボル単位のハイブリッド precoding スキームは、ユーザー数がRFチェーン数を上回る状況においても、完全デジタルMIMOとほぼ同等のスペクトル効率を達成する。
• アナログおよびデジタル precoder の動的再構成により、実用的な状況下でRFチェーン数の2倍までのユーザーの空間多重通信が可能になる。
• 反復的最適化アルゴリズムは高速に収束し、従来の固定 precoding 法と比較して顕著な性能向上を示す。
• 低分解能位相シフターでも高いスペクトル効率を維持できることから、ハードウェア制限に強く、ロバストであることが示された。
• ブロック対角最適化と逐次凸近似のおかげで、計算複雑度は管理可能である。
• シミュレーション結果から、中程度のフィードバックオーバーヘッドの増加で、ほぼ最適な和スループット性能が達成されることを確認した。