[논문 리뷰] GMD-Based Hybrid Precoding For Millimeter-Wave Massive MIMO Systems

Tian Xie, Linglong Dai외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 16.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 mmWave 미주모 MIMO 시스템을 위한 기하평균 분해(GMD) 기반 하이브리드 프리코딩 기법을 제안하여 기존 SVD 기반 하이브리드 프리코딩에서 복잡한 비트 할당이 필요 없도록 한다. GMD를 활용해 서브채널의 신호대임계비(SNR)를 균형화하고, 아날로그 프리코딩에는 기초 추적 기법을, 디지털 프리코딩에는 GMD 투영 기법을 적용한 분리 설계를 통해 낮은 복잡도로 뛰어난 BER 성능을 달성하며, BER = 10⁻³일 때 SVD 기반 방법보다 최대 3.5 dB의 SNR 향상을 보인다.

ABSTRACT

Hybrid precoding can significantly reduce the number of required radio frequency (RF) chains and relieve the huge energy consumption in mmWave massive MIMO systems, thus attracting much interests from academic and industry. However, most existing hybrid precoding schemes are based on singular value decomposition (SVD). Due to the very different sub-channel signal-to-noise ratios (SNRs) after SVD, complicated bit allocations is usually required to match the sub-channel SNRs. To solve this problem, we propose a geometric mean decomposition (GMD)-based hybrid precoding scheme to avoid the complicated bit allocation. Its basic idea is to seek a pair of analog and digital precoding matrices that are sufficiently close to the optimal unconstrained GMD precoding matrix. Specifically, we design the analog (digital) precoding matrix while keeping the digital (analog) precoding matrix fixed. Further, the principle of basis pursuit is utilized in the design of analog precoding matrix, while we obtain the digital precoding matrix by projecting the GMD operation on the digital precoding matrix. Simulation results verify that the proposed GMD-based hybird precoding scheme outperforms conventional SVD-based hybrid precoding schemes and achieves much better bit error rate (BER) performance with low complexity.

연구 동기 및 목표

• mmWave 미주모 MIMO 시스템에서 SVD 기반 하이브리드 프리코딩의 비균형 서브채널 SNR로 인한 높은 인코딩/디코딩 복잡도 문제를 해결하기 위함.
• 모든 스트림에서 서브채널 신호대임계비(SNR)를 균형화하여 복잡한 비트 할당이 필요 없도록 하기 위함.
• 완전 디지털 GMD 프리코딩 성능을 근사하는 저복잡도 하이브리드 프리코딩 기법을 설계하기 위함.
• 감소된 RF 체인 요구 조건과 향상된 스펙트럼 효율성으로 mmWave 미주모 MIMO의 실용적 구현을 가능하게 하기 위함.

제안 방법

• 채널을 다수의 동일한 서브채널로 변환하기 위해 기하평균 분해(GMD)를 사용하여 SNR를 균형화하고 비트 할당이 필요 없도록 함.
• 분리 최적화 접근법을 적용: 한 프리코딩 행렬(아날로그 또는 디지털)을 고정하고 다른 행렬을 최적화함.
• 기초 추적 원리를 적용해 아날로그 프리코딩 행렬을 설계하여 희박성과 하드웨어 구현 가능성을 확보함.
• GMD 연산을 디지털 프리코딩 행렬에 투영하여 디지털 프리코더를 유도함으로써 GMD 구조를 유지함.
• 기지국과 사용자 장치에서 각각 $ N_{ ext{t}}^{ ext{RF}} = N_{ ext{r}}^{ ext{RF}} = 4 $개의 RF 체인을 갖는 하이브리드 아날로그/디지털 프리코딩 아키텍처를 사용함.
• GMD 변환을 $ cal{O}((N_s + N_t)N_s) $의 복잡도로 구현하여 SVD 기반 기법에 비해 추가적인 오버헤드를 최소화함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GMD 기반 하이브리드 프리코딩은 mmWave 미주모 MIMO 시스템에서 SVD 기반 하이브리드 프리코딩보다 더 나은 BER 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 GMD 기반 프리코딩은 서브채널 SNR를 균형화함으로써 복잡한 비트 할당이 필요 없어지는가?
• RQ3 제안된 GMD 기반 하이브리드 프리코딩의 BER 및 복잡도 성능은 완전 디지털 GMD 프리코딩과 비교해 어떠한가?
• RQ4 기지국 안테나 수를 증가시킬 경우 제안된 기법의 BER 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 GMD 기반 하이브리드 프리코딩는 128×16 mmWave 미주모 MIMO 시스템에서 약 -4 dB SNR에서 BER = 10⁻³을 달성하며, SVD 기반 방법보다 뛰어난 성능을 보임.
• 256×16 시스템에서는 BER = 10⁻³을 달성하기 위한 필요 SNR가 완전 디지털 SVD 기반 프리코딩보다 약 2.5 dB 낮고, SVD 기반 하이브리드 프리코딩보다는 3.5 dB 낮음.
• 제안된 GMD 기반 하이브리드 프리코딩과 완전 디지털 GMD 프리코딩 간의 성능 격차는 근본적으로 없으며, 거의 최적의 성능임을 시사함.
• SVD 기반 하이브리드 프리코딩에 비해 추가적인 복잡도가 거의 없으며, GMD 계산에 $ cal{O}((N_s + N_t)N_s) $의 추가 비용만 발생함.
• BER 성능 향상의 원인은 GMD를 통한 서브채널 SNR 균형화로, 저신호대임계비 서브채널에서의 성능 저하를 방지함.