[논문 리뷰] Adaptive Gradient Search Beamforming for Full-Duplex mmWave MIMO Systems

Elyes Balti|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 16.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 22인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 전자기파 대역의 전자기파 다중 입력 다중 출력(MIMO) 시스템에서 단위 노름 및 일정 진폭(CA) 제약 조건 하에 합산 속도를 최대화하기 위해 적응형 경사 상승 보상 알고리즘을 제안한다. 이는 근사 최적의 스펙트럼 효율성을 달성한다. 이 방법은 수렴성을 보장하기 위해 적응형 단계 크기를 사용하며, CA로 인한 손실을 약 0.5 비트/s/Hz로 줄여, 유리한 조건에서 HD 모드 대비 최대 101%의 스펙트럼 효율성 향상을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this work, we present a framework analysis of full-duplex (FD) systems for Millimeter Wave (mmWave) analog architecture. Given that FD systems can double the ergodic capacity, such systems experience large losses caused by the loopback self-interference (SI). In addition, systems with analog architecture also suffer from other forms of losses mainly incurred by the constant amplitude (CA) constraint. For this purpose, we propose the projected Gradient Ascent algorithm to maximize the sum rate under the unit-norm and CA constraints. Unlike previous works, our approach achieves the best spectral efficiency while minimizing the losses incurred by the CA constraint. We also consider an adaptive step size to compensate for the perturbations that may affect the cost function during the optimization. The results will show that the proposed algorithm converges to the same optimal value for different initializations while the number of iterations required for the convergence changes for each case. In this context, we primarily consider the gradient search method for a two-nodes FD systems and then we extend the analysis for a dual-hop FD relaying systems. Finally, we evaluate the robustness of our method in terms of rate and outage probability and compare with previous approaches.

연구 동기 및 목표

• 전체 이중성(FD) mmWave MIMO 시스템에서 아날로그 보상 설계의 일정 진폭(CA) 제약 조건으로 인한 상당한 스펙트럼 효율성 손실을 해결한다.
• FD mmWave 시스템에서 CA와 자기 간섭(SI)으로 인한 손실을 최소화하면서 합산 속도를 최대화하는 강건한 보상 알고리즘을 개발한다.
• 적응형 단계 크기 조정을 통해 다양한 초기 보상 조건에서도 수렴성과 성능 강건성을 확보한다.
• 이를 두 노드 FD 시스템에서 이중 점프 FD 중계 시스템으로 확장하여 스펙트럼 효율성, 장애 발생 확률 및 오류율 측면에서 성능을 평가한다.
• 제안된 방법이 CA 제약 조건 하에서도 전자기파 보상에 가까운 스펙트럼 효율성을 달성하며, 최소한의 갭을 유지함을 입증한다.

제안 방법

• 단위 노름 및 CA 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율성을 최대화하기 위해 투영 경사 상승 알고리즘을 제안하며, FD mmWave MIMO 시스템의 합산 속도에서 유도된 비용 함수를 사용한다.
• 최적화 단계를 동적으로 조정하기 위해 적응형 단계 크기를 도입하여, 비용 함수의 변동에도 불구하고 수렴성 강건성을 향상시킨다.
• 구조 및 레이어 기반 기하 채널 모델링을 사용하며, 동일 위치에 있는 송수신 장치에서 구면파 근사법을 통해 자기 간섭(SI)을 LOS 및 NLOS 성분으로 분해한다.
• 경사 탐색 방법을 두 노드 FD 시스템과 이중 점프 FD 중계 시스템 양쪽에 적용하여 스펙트럼 효율성, 장애 발생 확률 및 오류 확률 지표를 수립한다.
• 두 가지 보상기 초기화 전략을 사용한다: SVD 기반(채널 인식 기반) 및 가우시안(맹목적), 수렴 속도 및 성능 트레이드오���을 평가한다.
• SI 제거 및 CA 제약 조건을 고려한 수정된 보상 설계를 구현하여, 전자기파 기준 대비 속도 저하를 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FD mmWave MIMO 시스템에서 보상 설계를 어떻게 최적화하여 일정 진폭(CA) 제약 조건으로 인한 스펙트럼 효율성 손실을 최소화할 수 있는가?
• RQ2 적응형 단계 크기는 다양한 보상기 초기화 전략에서 수렴성 강건성을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 특히 높은 자기 간섭(SI) 조건에서 제안된 보상 알고리즘이 하프 듀플렉스(HD) 시스템 대비 어떤 스펙트럼 효율성 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ4 기존 보상 기법 대비 이중 점프 FD 중계 시스템에서 알고리즘이 장애 발생 확률 및 오류율 측면에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 제안된 방법은 CA 제약 조건 하에서도 전자기파 보상 성능에 근접할 수 있으며, 그로 인한 속도 갭은 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 적응형 경사 상승 알고리즘은 보상기 초기화 조건에 관계없이 동일한 최적의 스펙트럼 효율성에 수렴함을 보여, 초기 조건에 대한 강건성을 입증한다.
• SVD 기반 초기화는 가우시안 초기화 대비 수렴 반복 수를 최대 30% 감소시켜 채널 지식의 통합 덕분이다.
• SIR = 0 dB인 근접 사용자에 대해 0 dB SNR에서 FD 시스템은 HD 모드 대비 최대 101.31%의 속도 향상을 달성한다. 이는 뛰어난 스펙트럼 효율성 향상을 시사한다.
• 고자기 간섭(SIR = -60 dB)을 가진 셀 엣지 사용자에 대해 -30 dB SNR에서 속도 향상률은 -99.986%로 떨어지며, 이는 SI 전력이 노이즈 수준을 초과하여 FD 운영이 비효율적임을 나타낸다.
• 알고리즘은 CA로 인한 손실을 약 0.5 비트/s/Hz로 줄여, 이 손실을 상쇄하기 위해 약 2 dB의 SNR 증가로 보완할 수 있다.
• 0 dB 및 10 dB SNR에서 근접 사용자에 대해 FD 시스템은 HD 시스템 대비 두 배 이상의 속도를 달성하며, 이는 낮은 SI 환경에서의 효과성을 입증한다.