[논문 리뷰] Hybrid LISA for Wideband Multiuser Millimeter Wave Communication Systems under Beam Squint

José P. González-Coma, Wolfgang Utschick외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 24.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 17인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비스쿼트 효과를 고려한 광대역 다중 사용자 mmWave 시스템에서 하이브리드 LISA를 제안한다. 이는 하이브리드 수신기/송신기 설계와 사용자 스케줄링을 통합하여, 주파수 대역 전체에서 채널 유사성을 활용하고 간섭을 억제하면서 반복적으로 스트림을 할당함으로써 낮은 복잡도로 근사 최적의 총 데이터율을 달성한다. 이는 주파수 평탄한 채널 구조를 가정하는 기존 방법들보다 뛰어난 성능을 보이며, 비스쿼트 효과를 忽시한 채널 모델에 비해 성능 저하를 피할 수 있다.

ABSTRACT

This work jointly addresses user scheduling and precoder/combiner design in the downlink of a wideband millimeter wave (mmWave) communications system. We consider Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation to overcome channel frequency selectivity and obtain a number of equivalent narrowband channels. Hence, the main challenge is that the analog preprocessing network is frequency flat and common to all the users at the transmitter side. Moreover, the effect of the signal bandwidth over the Uniform Linear Array (ULA) steering vectors has to be taken into account to design the hybrid precoders and combiners. The proposed algorithmic solution is based on Linear Successive Allocation (LISA), which greedily allocates streams to different users and computes the corresponding precoders and combiners. By taking into account the rank limitations imposed by the hardware at transmission and reception, the performance loss in terms of achievable sum rate for the hybrid approach is negligible. Numerical experiments show that the proposed method exhibits excellent performance with reasonable computational complexity.

연구 동기 및 목표

• 광대역 mmWave 다중 사용자 시스템에서 발생하는 비스쿼트 효과에 대응하는 것, 특히 아날로그 수신기/송신기가 모든 서브대역에서 주파수 평탄한 특성을 가져야 한다는 점을 고려한다.
• 기존 하이브리드 수신기/송신기 방법들이 서브대역 간 동일한 채널 특성을 가정하는 데서 비롯되는 한계를 해결한다. 이는 광대역 운영 조건에서 정확하지 않다.
• 제한된 RF 체인 수에 기인한 하드웨어 제약 조건에도 불구하고 높은 스펙트럼 효율성을 유지하는 사용자 스케줄링과 하이브리드 수신기/송신기 설계의 통합 알고리즘을 설계한다.
• 디지털 수신기/송신기를 활용해 서브대역 전용 전력 할당을 가능하게 하여 서브대역 전원 차단을 실현함으로써 전력 효율성을 향상하고 주파수 선택성 채널 특성에 적응한다.
• 실제 광대역 mmWave 시스템에서 비스쿼트 효과를 忽시할 경우 성능 저하가 심각하게 발생함을 입증한다.

제안 방법

• 모든 서브대역에 걸쳐 사용자에게 데이터 스트림을 탐욕적으로 할당하기 위해 반복적 선형 순차 할당(LISA) 프레임워크를 도입한다.
• 각 반복 단계에서 이전에 스케줄된 사용자들에게 간섭을 억제하면서 유효 채널 이득을 최대화하는 최적의 사용자와 서브대역을 선택한다.
• 비스쿼트가 존재하더라도 여전히 남아있는 조향 벡터 유사성을 활용하여, 서브대역 전체의 채널 응답을 기반으로 주파수 평탄한 아날로그 수신기/송신기를 계산한다.
• 서브대역 간 간섭을 제거하고 서브대역 별 전력 할당을 가능하게 하기 위해 주파수 선택성 디지털 수신기/송신기를 사용한다.
• 서브대역 간 워터필링 기반 전력 할당을 적용하여 등가 채널 이득이 낮은 서브대역(예: 외곽 서브대역)을 전원 차단할 수 있도록 한다.
• 계산 복잡도를 줄이기 위해 서브밴드 기반 변형을 도입하여 선택 과정에서 각 밴드의 대표 서브대역을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공통 주파수 평탄한 채널 구조를 가정할 경우, 비스쿼트 효과가 광대역 mmWave 다중 사용자 시스템에서 하이브리드 수신기/송신기 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 서브대역 별 완전한 채널 상태 정보 없이도, 사용자 스케줄링과 하이브리드 수신기/송신기 설계를 통합함으로써 비스쿼트로 인한 성능 저하를 줄일 수 있는가?
• RQ3 비스쿼트 조건 하에서 광대역 mmWave 시스템에서 서브대역 전원 차단이 총 데이터율과 전력 효율성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 비스쿼트 효과를 忽시한 공통 채널 구조를 가정하는 최신 기술과 비교했을 때, 제안된 Hybrid-LISA 알고리즘의 총 데이터율과 복잡도는 어떻게 다른가?
• RQ5 외곽 주파수 대역의 서브대역은 비스쿼트로 인해 등가 채널 이득이 감소하는 경향이 있으며, 이는 전력 할당 및 서브대역 관리 기법으로 어떻게 보완할 수 있는가?

주요 결과

• 기존 연구에서 사용된 공통 주파수 평탄한 채널 가정은 광대역 mmWave 시스템에서 심각한 성능 저하를 초래하며, 특히 높은 대역폭에서 두드러진다.
• 제안된 Hybrid-LISA 방법은 비스쿼트 조건 하에서도 완전 디지털 수신기/송신기 성능에 근접한 근사 최적의 총 데이터율을 달성하며, 손실이 거의 없다.
• 대역 외곽에 위치한 서브대역은 비스쿼트로 인해 등가 채널 이득이 크게 감소하여 전원 차단될 가능성이 높아진다.
• 저 SNR 조건에서는 워터필링 전력 할당이 중심 주파수 근처의 서브대역을 선호하는 반면, 고 SNR 조건에서는 전력이 서브대역 간에 균일하게 분포된다.
• 대역폭이 클수록 서브대역 전원 차단 확률이 증가하며, 이러한 서브대역은 대부분 대역의 외곽에 집중되어 있다.
• Hybrid-LISA의 서브밴드 기반 변형은 성능을 유지하면서 계산 복잡도를 감소시켜 실용적 구현에 적합하다.