[논문 리뷰] Hybrid Analog-Digital Transceiver Designs for Cognitive Large-Scale Antenna Array Systems

Christos G. Tsinos, Sina Maleki외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 09.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 41인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 주파수 공유를 가능하게 하면서도 기존 사용자에 대한 간섭을 최소화하는 인지 mmWave 대량 MIMO 시스템을 위한 두 가지 하이브리드 아날로그-디지털 프리코딩 설계를 제안한다. ADMM 기반 최적화 프레임워크를 활용하여, 하드웨어 복잡도와 전력 소비가 크게 감소함에도 불구하고, 완전히 디지털 beamforming에 가까운 스펙트럼 효율성을 달성하여 실용적인 mmWave 구현에 유망하다.

ABSTRACT

Milimeter wave (mmWave) band mobile communications can be a solution to the continuously increasing traffic demand in modern wireless systems. Even though mmWave bands are scarcely occupied, the design of a prospect transceiver should guarantee the efficient coexistence with the incumbent services in these bands. To that end, in this paper, two underlay cognitive transceiver designs are proposed that enable the mmWave spectrum access while controlling the interference to the incumbent users. MmWave systems usually require large antenna arrays to achieve satisfactory performance and thus, they cannot support fully digital transceiver designs due to high demands in hardware complexity and power consumption. Thus, in order to develop efficient solutions, the proposed approaches are based on a hybrid analog-digital pre-coding architecture. In such hybrid designs, the overall beamformer can be factorized in a low dimensional digital counterpart applied in the baseband and in an analog one applied in the RF domain. The first cognitive solution developed in this paper designs the cognitive hybrid pre-coder by maximizing the mutual information between its two ends subject to interference, power and hardware constraints related to the analog counterpart. The second solution aims at reduced complexity requirements and thus derives the hybrid pre-coder by minimizing the Frobenious norm of its difference to the optimal digital only one. A novel solution for the post-coder at the cognitive receiver part is further proposed here based on a hardware constrained Minimum Mean Square Error criterion. Simulations show that the performance of both the proposed hybrid approaches is very close to the one of the fully digital solution for typical wireless environments.

연구 동기 및 목표

• 인지 무선 시스템에서 mmWave 대역의 주파수 접근을 가능하게 하되 기존 사용자를 보호하는 도전 과제를 해결한다.
• 대규모 mmWave MIMO 시스템에서 완전히 디지털 프리코딩의 높은 하드웨어 복잡도와 전력 소비 문제를 해결한다.
• 비용과 전력을 줄이기 위해 저차원 디지털 처리와 아날로그 단계 이동기 네트워크를 조합한 하이브리드 프리코딩 아키텍처를 설계한다.
• 인지 mmWave 시스템에서 스펙트럼 효율을 극대화하면서도 주요 사용자에 대한 간섭이 사전에 정의된 임계값 이하로 유지되도록 보장한다.
• 실제 제약 조건을 반영하기 위해 수신단에서 하드웨어 제약 조건이 있는 최소 제곱 오차(MMSE) 후등화기를 개발한다.

제안 방법

• 간섭, 전력, 아날로그 하드웨어 제약 조건 하에서 송신기와 수신기 간 상호정보량을 극대화하는 하이브리드 프리코딩 문제를 수립한다.
• 디지털 프리코더, 아날로그 빔포머, 이중 변수를 번갈아 업데이트함으로써 비볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위해 분할 역할 방법(Alternating Direction Method of Multipliers, ADMM)을 사용한다.
• 하이브리드 프리코더와 최적의 완전히 디지털 프리코더 간 차이의 프로베니우스 노름을 최소화하는 두 번째 저복잡도 설계를 도입한다.
• 실제 RF 체인 제약 조건 하에서 잔여 간섭을 완화하고 신호 검출 성능을 향상시키기 위해 수신단에 하드웨어 제약 조건이 있는 MMSE 후등화기를 제안한다.
• 실제 단계 이동기 하드웨어 제약 조건을 반영하기 위해 아날로그 빔포머에 일정 진폭 제약 조건을 적용한다.
• 알고리즘 수렴 성질의 이론적 분 析를 통해 수렴 보장을 확보하면서도, 반복적으로 프리코더와 컴바이너를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 아날로그-디지털 프리코딩 설계는 기존 사용자에 대한 간섭 제약 조건을 준수하면서도 인지 mmWave 대량 MIMO 시스템에서 거의 최적의 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 스펙트럼 효율성과 간섭 규제 측면에서 제안된 하이브리드 프리코딩 방식은 완전히 디지털 beamforming과 비교해 어떻게 성능을 내는가?
• RQ3 mmWave 인지 무선 시스템의 하이브리드 프리코딩 아키텍처에서 성능와 하드웨어 복잡도 사이의 상호 교환 관계는 어떠한가?
• RQ4 ADMM 기반 최적화 프레임워크는 실용적 하드웨어 제약 조건 하에서 수렴을 보장하고 안정적이고 거의 최적의 해를 도출할 수 있는가?
• RQ5 제안된 하드웨어 제약 조건이 있는 MMSE 후등화기는 제한된 RF 체인과 단계 이동기 제약 조건 하에서 수신기 성능 향상에 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 제안된 하이브리드 프리코딩 설계는 줄어든 RF 체수에도 불구하고 완전히 디지털 프리코더와 거의 동일한 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• ADMM 기반 최적화 알고리즘이 카룩-쿤-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 조건을 만족하는 해로 수렴함을 확인하여 局부 최적성의 가능성을 제시한다.
• 일반적인 mmWave 전파 환경에서 하이브리드 시스템과 완전히 디지털 시스템 간 성능 격차는 미미하여 하이브리드 설계의 실용성을 입증한다.
• 프로베니우스 노름 최소화 기반의 저복잡도 설계는 계산 부담이 크게 감소했음에도 거의 최적의 성능를 달성한다.
• 하드웨어 제약 조건이 있는 MMSE 후등화기는 실제 RF 체인 제약 조건 하에서 간섭을 효과적으로 완화하고 신호 검출 정확도를 향상시킨다.
• 이론적 분석을 통해 ADMM 수열이 KKT 조건을 만족하는 한계점으로 수렴함을 확인하여, 주어진 제약 조건 하에서 해의 최적성 보장을 확인한다.