[論文レビュー] Performance of Cell-Free MmWave Massive MIMO Systems with Fronthaul Compression and DAC Quantization

In-Soo Kim, Junil Choi|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2021

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 18被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、低分解能D/Aコンバータ（DAC）と容量制限のあるフロントハブリンクを有する、セルフリーmmWave massive MIMOシステムにおいて、最大最小公平性を満たすパワー割り当てを施したゼロフォーシング（ZF）プレコーダーを提案する。収束を保証する交互最適化（AO）手法を用い、加法的量子化ノイズモデル（AQNM）を用いて導出された、最小実現可能なレートの下限を最大化する。シミュレーション結果から、中程度のフロントハブ容量（例：64 bps/Hz）においても、4–5ビットDACを搭載した場合でも、セルフリーシステムがスモールセルシステムを上回ることを示しており、エネルギー効率およびスペクトル効率の向上が確認された。

ABSTRACT

In this paper, the zero-forcing (ZF) precoder with max-min power allocation is proposed for cell-free millimeter wave (mmWave) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems using low-resolution digital-to-analog converters (DACs) with limited-capacity fronthaul links. The proposed power allocation aims to achieve max-min fairness on the achievable rate lower bounds of the users obtained by the additive quantization noise model (AQNM), which mimics the effect of low-resolution DACs. To solve the max-min power allocation problem, an alternating optimization (AO) method is proposed, which is guaranteed to converge because the global optima of the subproblems that constitute the original problem are attained at each AO iteration. The performance of cell-free and small-cell systems is explored in the simulation results, which suggest that not-too-small fronthaul capacity suffices for cell-free systems to outperform small-cell systems.

研究の動機と目的

• 低分解能デジタル・アナログコンバータ（DAC）と容量制限のあるフロントハブリンクによって引き起こされる、セルフリーmmWave massive MIMOシステムの性能制限を解消すること。
• すべてのユーザーにおける最小実現可能なレート下限を最大化するパワー割り当て戦略を設計し、最大最小公平性を確保すること。
• フロントハブ圧縮ノイズとDAC量子化効果を同時に考慮した収束性を保証する最適化フレームワークを構築すること。
• 現実的なハードウェア制約下で、セルフリーシステムと従来のスモールセルアーキテクチャとの間でスペクトル効率およびエネルギー効率を評価すること。

提案手法

• ハードウェア劣化を受ける状況下でもユーザーのデータレートをバランスさせるために、最大最小公平性を満たすZFプレコーダーとパワー割り当てを提案する。
• フロントハブ容量Cに応じて、圧縮ノイズを平均が0で分散がCに比例する加法的ガウスノイズとしてモデル化する。
• BビットDACからの歪みを線形化するために、加法的量子化ノイズモデル（AQNM）を適用し、高分解能近似においては量子化係数ρ ≈ π√3 / 2·2−2Bを用いる。
• 各基地局における総合ノイズ功率を、Cqm = ρ(1−ρ)diag(∑k fm,kfHm,kηm,k) + (1−ρ)σ²mIとして導出する。ここに、フロントハブとDACの両方の劣化要因を含む。
• パワー係数とプレコーダー部品を交互に最適化するAOアルゴリズムを構築し、各部分問題においてグローバル収束が保証される。
• ハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャにおけるRFプレコーダーとコンビナーの定値モジュラス制約を満たすために、交互射影法を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最大最小公平性パワー割り当ては、低分解能DACおよびフロントハブ制限下において、セルフリーmmWave massive MIMOシステムの性能を向上させ得るか？
• RQ2 フロントハブ圧縮とDAC量子化の両方の影響を受ける状況下でも、提案されたAOベース最適化はグローバル最適解に収束するか？
• RQ3 どの程度のフロントハブ容量とDAC分解能において、セルフリーMIMOがスペクトル効率およびエネルギー効率の面で従来のスモールセルシステムを上回るのか？
• RQ4 ハードウェア劣化が存在する状況下で、フロントハブ容量とDAC分解能が増加するに従い、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

• フロントハブ容量C = 16 bps/Hzの場合、DAC分解能に関わらず、セルフリーシステムはスモールセルシステムを下回る性能を示し、フロントハブが性能ボトルネックであることが示された。
• C = 64 bps/Hzの場合、DAC分解能がB ≥ 4ビットであれば、セルフリーシステムはスモールセルシステムを上回る性能を示し、無限分解能DACをベンチマークとしても同様の結果が得られた。
• C = 256 bps/Hzの場合、B ≥ 4ビットでセルフリーシステムが優れたスペクトル効率を達成し、高容量フロントハブによりセルフリーの利点を完全に活用できることを確認した。
• エネルギー効率は、C = 32 bps/HzではB = 4ビット、C = 64 bps/HzではB = 5ビットで最大となり、セルフリーシステムはスモールセルを上回る性能を示した。
• 提案されたAO手法は、各イテレーションでグローバル最適解に収束し、最大最小公平性パワー割り当て問題の信頼性と安定性を保証した。