[論文レビュー] On hybrid precoder/combiner for downlink mmWave massive MU-MIMO systems

Alvaro Javier Ortega, Raimundo Sampaio‐Neto+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 19被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、色付きのガウスノイズを考慮した、ダウンリンクmmWave massive MU-MIMOシステム向けの4種類のハイブリッドプリコーダ/コンビーナ設計を提案する。ベースバンドモデルにおける色付きのガウスノイズを扱い、干渉抑制を向上させつつ高いSNRを維持する。主な貢献は、パワー制約を組み込んだ新規のMMSEベースのデジタルプリコーダと、ハダマールの不等式を用いて近似的に最適性能を達成する低コストのSVDベースのアナログコンビーナであり、従来手法に比べてBERが顕著に向上する。

ABSTRACT

We propose four hybrid combiner/precoder for downlink mmWave massive MU-MIMO systems. The design of a hybrid combiner/precoder is divided in two parts, analog and digital. The system baseband model shows that the signal processed by the mobile station can be interpreted as a received signal in the presence of colored Gaussian noise, therefore, since the digital part of the combiner and precoder do not have constraints for their generation, their designs can be based on any traditional signal processing that takes into account this kind of noise. To the best of our knowledge, this was not considered by previous works. A more realistic and appropriate design is described in this paper. Also, the approaches adopted in the literature for the designing of the combiner'/precoder' analog parts do not try to avoid or even reduce the inter user/symbol interference, they concentrate on increasing the signal-to-noise ratio (SNR). We propose a simple solution that decreases the interference while maintaining large SNR. In addition, one of the proposed hybrid combiners reaches the maximum value of our objective function according with the Hadamard's inequality. Numerical results illustrate the BER performance improvements resulting from our proposals. In addition, a simple detection approach can be used for data estimation without significant performance loss.

研究の動機と目的

• 従来のmmWave massive MU-MIMOシステム向けハイブリッドプリコーダ設計において、色付きのガウスノイズが考慮されていない点を是正する。
• 単なるSNR最大化を越えて、ハイブリッドコンビーナ/プリコーダにおける干渉抑制を向上させる。
• 高いアレイゲインを維持しつつ、ユーザ間干渉およびシンボル間干渉を低減する低コストのアナログコンビーナ設計を開発する。
• 色付きノイズとパワー制約を考慮したデジタルプリコーダを提案し、耐障害性と性能を向上させる。
• 特にSVDベースのアナログビームフォーマーにより、最小限の複雑さで近似的に最適性能を達成する。

提案手法

• ベースバンド信号を色付きのガウスノイズ下での受信信号としてモデル化し、より現実的なデジタルプリコーダ設計を可能にする。
• パワー予算を制約条件として含むMMSE最適化問題としてデジタルプリコーダ設計を定式化し、ラグランジュ乗数法を用いて解く。
• 正則化されたエルミート行列の逆行列を用いた閉形式のMMSEプリコーダを導出。ノイズおよびパワー制約を統合する。
• 先行研究における反復的アナログプリコーダ設計を改善する再帰的アルゴリズムを提案。収束性と性能が向上する。
• ハダマールの不等式を用いて、目的関数の理論的上限に近い性能を達成する低コストのSVDベースアナログコンビーナを導入。
• コンビーニング後には単純な線形検出手法を採用。複雑さが低減されたにもかかわらず、性能損失は最小限に抑えられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベースバンド信号を白色ノイズではなく色付きのガウスノイズとしてモデル化することで、ハイブリッドプリコーダ/コンビーナ設計をどのように改善できるか？
• RQ2 SNR最大化を越えて、ユーザ間およびシンボル間干渉を明示的に最小化することにより、アナログコンビーナ/プリコーダ設計にどのような影響を与えるか？
• RQ3 低コストのアナログビームフォーマーは、ハイブリッドmmWave massive MU-MIMOシステムにおいて近似的に最適性能を達成できるか？
• RQ4 パワー制約を組み込んだMMSEベースのデジタルプリコーダは、従来の設計と比較してBERおよび耐障害性の面でどのように優れるか？
• RQ5 提案されたハイブリッドシステムにおいて、単純な検出方式を用いることで性能劣化がどの程度に抑えられるか？

主な発見

• パワー制約を組み込んだMMSEベースのデジタルプリコーダは、色付きのガウスノイズを明示的にモデル化することで、耐障害性とBER性能が向上する。
• SVDベースのアナログコンビーナ設計は、ハダマールの不等式が示す理論的上限に達しており、近似的に最適性能であることが示された。
• 数値結果から、[11]、[3]、[12]などの既存手法に比べて顕著なBER改善が確認され、特に散乱が豊富な環境で顕著である。
• 提案されたハイブリッドコンビーナ/プリコーダは、単純な線形検出手法を用いることで、性能損失を最小限に抑えつつシステム複雑度を低減できる。
• 再帰的アルゴリズムにより、[3]で提示された元の反復手法と比較して、収束性と干渉抑制が向上した。
• 全体として、RFチェーン数が限られる現実的なmmWaveチャネル環境下でも、高いスペクトル効率と信頼性の高い通信を実現した。