[論文レビュー] Nonlinear Phase-Quantized Constant-Envelope Precoding for Massive MU-MIMO-OFDM.

Sven Jacobsson, Oscar Castañeda+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、周波数選択的 fading を扱うためにオーバーサンプリング DAC を用いた massive MU-MIMO-OFDM システムに対し、非線形位相量子化定数包絡予めきんアルゴリズムを提案する。SQUID 予めきん器を位相量子化する定数包絡信号に拡張することで、誤り率において線形予めきん器を上回り、1ビットなどの低分解能 DAC を使用可能にするとともに、スペクトル効率およびハードウェア効率の向上を実証した。

ABSTRACT

We propose a novel algorithm for phase-quantized constant-envelope precoding in the massive multi-user (MU) multiple-input multiple-output (MIMO) downlink. Specifically, we extend the nonlinear squared-infinity norm Douglas-Rachford splitting (SQUID) precoder to systems that use oversampling digital-to-analog converters (DACs) at the base station (BS) and orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) to communicate over frequency-selective channels. We demonstrate that SQUID is able to generate constant-envelope signals, which enables the use of power-efficient analog radio-frequency circuitry at the BS. By quantizing the phase of the resulting constant-envelope signal, we obtain a finite-cardinality signal that can be synthesized by low-resolution (e.g., 1-bit) DACs. We use error-rate simulations to demonstrate the superiority of SQUID over linear precoders for massive MU-MIMO-OFDM.

研究の動機と目的

• 周波数選択的 fading を有する massive MU-MIMO-OFDM システムにおいて、エネルギー効率的で低分解能の予めきんを実装する課題に対処すること。
• 非線形予めきんによって定数包絡信号を生成することで、高効率で高線形性の RF フロントエンドの使用を可能にすること。
• スペクトル効率を損なわず、低分解能（例：1ビット）DAC と互換性を持つ位相量子化予めきん方式を設計すること。
• SQUID アルゴリズムをオーバーサンプリング DAC を備えた OFDM システムに拡張し、線形予めきん器を上回る性能を実現すること。

提案手法

• 定数包絡信号伝送を目的としたもともとの非線形 SQUID 予めきん器を、massive MU-MIMO-OFDM 下行リンクシステムに拡張する。
• 基地局でオーバーサンプリングを適用し、子搬送波干渉を低減し、周波数選択的チャネル条件をサポートする。
• 非凸な定数包絡予めきん問題を解くために Douglas-Rachford スプリット法を用い、妥当な解への収束を保証する。
• 得られた定数包絡信号に対して位相量子化を適用し、1ビット DAC に直接合成可能な有限アルファベット信号を生成する。
• OFDM を用いて周波数選択的 fading チャネルを平坦フェージング子搬送波に変換し、効率的な信号処理を可能にする。
• SQUID アルゴリズムを OFDM サブバンド処理と統合することで、定数包絡を維持しつつマルチユーザー多重化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SQUID 予めきん器は、massive MU-MIMO システムにおける OFDM およびオーバーサンプリング DAC をサポートするために拡張可能か？
• RQ2 定数包絡信号の位相量子化は、低分解能 massive MIMO におけるスペクトル効率および誤り率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 非線形 SQUID ベース予めきんは、周波数選択的 fading チャネルにおいて線形予めきん器に比べてどの程度の性能向上をもたらすか？
• RQ4 定数包絡信号伝送と位相量子化の組み合わせにより、massive MU-MIMO-OFDM における実用的 1 ビット DAC 操作が可能になるか？
• RQ5 位相量子化定数包絡予めきんを用いる際、ハードウェアの単純さとスペクトル効率のトレードオフは何か？

主な発見

• 提案された SQUID ベースの位相量子化予めきんは、定数包絡信号を達成し、massive MU-MIMO-OFDM システムにおける高効率 RF フロントエンドの使用を可能にする。
• SQUID が生成する信号の位相量子化により、有限アルファベット信号が得られ、低分解能（例：1ビット）DAC によって直接合成可能となる。
• 誤り率シミュレーションでは、周波数選択的 fading 条件下で、提案手法が線形予めきん器を上回ることを示した。
• オーバーサンプリング DAC の使用により、子搬送波干渉が効果的に抑制され、広帯域 OFDM システムにおけるスペクトル効率が維持された。
• 非線形 SQUID アルゴリズムは、高次元 massive MIMO シナリオでさえも、妥当な定数包絡解への収束に成功した。
• マルチユーザーで周波数選択的環境下でも、性能に乏しくないまま、ハードウェア複雑性を顕著に低減できる。