[論文レビュー] Spatial Modulation for More Spatial Multiplexing: RF-Chain-Limited Generalized Spatial Modulation Aided MmWave MIMO with Hybrid Precoding

Longzhuang He, Jintao Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ミリ波MIMOシステムにおける一般化空間多重化（GenSM）を用いたハイブリッドビームフォーミング方式を提案し、RFチェーン数を増やさずにスペクトル効率（SE）を向上させる。アンテナインデックス情報を利用して追加のデータストリームを伝送し、$σ_{\infty}$リラクセーションと凸最適化を用いた2段階の最適化アルゴリズムにより、RFチェーン制限下の最新のミリ波MIMOシステムよりも高いスペクトル効率を達成する。

ABSTRACT

The application of hybrid precoding in millimeter wave (mmWave) multiple-input multiple-output (MIMO) systems has been proved effective for reducing the number of radio frequency (RF) chains. However, the maximum number of independent data streams is conventionally restricted by the number of RF chains, which leads to limiting the spatial multiplexing gain. To further improve the achievable spectral efficiency (SE), in this paper we propose a novel generalized spatial modulation (GenSM) aided mmWave MIMO system to convey an extra data stream via the index of the active antennas group, while no extra RF chain is required. Moreover, we also propose a hybrid analog and digital precoding scheme for SE maximization. More specifically, a closed-form lower bound is firstly derived to quantify the achievable SE of the proposed system. By utilizing this lower bound as the cost function, a two-step algorithm is proposed to optimize the hybrid precoder. The proposed algorithm not only utilizes the concavity of the cost function over the digital power allocation vector, but also invokes the convex $\ell_\infty$ relaxation to handle the non-convex constraint imposed by analog precoding. Finally, the proposed scheme is shown via simulations to outperform state-of-the-art mmWave MIMO schemes in terms of achievable SE.

研究の動機と目的

• RFチェーン数に制限を受けるミリ波MIMOシステムにおけるスペクトル効率（SE）の限界を克服すること。
• 一般化空間多重化（GenSM）を活用し、追加のRFチェーンを必要とせずに、アクティブなアンテナグループのインデックスを用いて追加のデータストリームを伝送すること。
• 実用的なハードウェア制約のもとでスペクトル効率を最大化するハイブリッドアナログ・デジタルビームフォーミング方式を設計すること。
• 非凸なアナログビームフォーミング制約を$σ_{\infty}$リラクセーションで扱いながら、デジタルパワー割り当てベクトルの凸性を活用する2段階最適化アルゴリズムを開発すること。

提案手法

• アンテナグループの活性化インデックスを用いて、位相振幅変調（APM）シンボルと併せてデータを伝送する、新規なGenSM支援ミリ波MIMOシステムを提案。
• 最適化の目的関数として用いるため、実現可能なスペクトル効率（SE）の閉形式下限を導出。
• 2段階のハイブリッドビームフォーミングアルゴリズムを構築：まず凸最適化を用いてデジタルビームフォーマーを最適化し、次に非凸なアナログビームフォーミング制約を$σ_{\infty}$リラクセーションで処理。
• チャネル行列とパワー割り当てベクトルの構造を活用し、デジタルパワー割り当てベクトルに関してSE下限が凸であることを保証。
• ハードウェア複雑度を低減しつつ高いスペクトル効率を維持するため、サブコネクトドハイブリッドビームフォーミングアーキテクチャを採用。
• 送信側にチャネル状態情報（CSI）を統合し、SEを最大化。これにより、従来のGenSM支援ミリ波MIMO方式がCSIを無視していた制限を克服。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般化空間多重化（GenSM）をミリ波MIMOにおけるハイブリッドビームフォーミングと効果的に組み合わせることで、RFチェーン数を増やさずにスペクトル効率を向上させることができるか？
• RQ2 実用的なハードウェア制約のもとで、RFチェーン数に制限を受けるGenSM支援ミリ波MIMOシステムの実現可能なスペクトル効率を最大限に高めることは可能か？
• RQ3 非凸なアナログビームフォーミング制約を効果的に扱いながら、高いスペクトル効率を達成できる最適化フレームワークは何か？
• RQ4 本手法は、フルデジタルおよび従来のハイブリッドビームフォーミングと比較して、スペクトル効率およびハードウェア効率の点で優れているか？

主な発見

• 提案手法は、アンテナインデックス情報を追加のデータストリームとして活用することで、RFチェーン数を増やさずに最新のRFチェーン制限下のミリ波MIMOシステムを上回るスペクトル効率を達成する。
• 導出されたSE下限は、デジタルパワー割り当てベクトルに関して凸であるため、凸法による効率的な最適化が可能である。
• 2段階のハイブリッドビームフォーミングアルゴリズムは、$σ_{\infty}$リラクセーションを用いて非凸なアナログビームフォーミング制約を効果的に処理し、収束性と性能向上を実現した。
• シミュレーションにより、本手法は従来のハイブリッドビームフォーミングおよびGenSM支援ミリ波MIMO手法を上回るスペクトル効率を示した。
• 高SNR領域では、実現可能なSEが$\log_2 M + N_R(1 - \log_2 e)$に近づくことが確認され、GenSMによる理論的利得が裏付けられた。
• 低SNR領域でも、下限がSNRがゼロに近づくにつれて$N_R(1 - \log_2 e)$に収束するため、顕著なスペクトル効率の利得を維持している。