[논문 리뷰] Hybrid Precoding for mmWave V2X Doubly-Selective Multiuser MIMO Systems

Elyes Balti|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 17.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 39인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 이중으로 선택적인 채널을 갖는 mmWave 차량 간 통신(V2X) 다중 사용자 MIMO 시스템을 위한 저복잡도 하이브리드 프리코딩 알고리즘을 제안한다. 이는 두 단계 설계를 사용한다: 첫 번째로 단일 사용자 비트포밍 원칙을 이용해 아날로그 비트포머를 최적화하고, 두 번째로 기지국에서 제한된 피드백을 통해 RVQ 또는 비트스티어링 코드북을 이용해 디지털 프리코더(MRT, ZF, MMSE 또는 반복적 알고리즘)를 계산한다. 주요 기여는 낮은 학습 및 피드백 오버헤드로도 뛰어난 성능을 보이며, mmWave 및 sub-6 GHz 대역에서 오차 발생 확률, 에너지 효율성, 이동성에 대한 강건성 분석을 통해 검증된다.

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) is a practical solution to provide high data rate for the vehicle-to-everything (V2X) communications. This enables the future autonomous vehicles to exchange big data with the base stations (BSs) such as the velocity and the location to improve the awareness of the advanced driving assistance system (ADAS). In this context, we consider a single-cell multiuser doubly-selective system wherein the BS simultaneously serves multiple vehicles. To accomplish this requirement, the BS is implemented in hybrid architecture to support multiple spatial streams while the vehicles have analog-only structures. In this work, we develop a low-complexity hybrid precoding algorithm wherein the design of the hybrid precoder at the BS and the analog combiner at the vehicles require small training and feedback overhead. We propose a two-stage hybrid precoding algorithm wherein the first stage designs the analog beamformers as in single user scenario while the second stage designs the multiuser digital precoder at the BS. In the second stage, we derive closed-form digital precoders such as Maximum Ratio Transmission (MRT), Zero-Forcing (ZF) and Minimum Mean Square Error (MMSE) as a first variant while we propose iterative digital precoder as a second variant. The design of the digital precoders for the two variants requires the limited feedback sent from the vehicles to BS. We refer to the random vector quantization (RVQ) and the beamsteering codebooks to quantize the feedbacks for variants I and II, respectively, since the perfect feedback requires long overhead and large training. We evaluate the rate loss incurred by the quantization of the digital and analog codebooks against the perfect channel state information at the transmitter (CSIT).

연구 동기 및 목표

• 이중으로 선택적인 fading을 갖는 mmWave 다중 사용자 MIMO V2X 시스템에서 높은 학습 및 피드백 오버헤드 문제를 해결한다.
• 저복잡도 아날로그 및 디지털 비트포밍을 지원하는 하이브리드 프리코딩 아키텍처를 설계한다.
• 랜덤 벡터 양자화(RVQ) 및 비트스티어링 코드북을 활용해 제한된 피드백으로 인한 데이터율 손실을 최소화한다.
• 도플러로 인한 캐리어 주파수 오프셋(CFO) 및 이동성 영향에 대한 시스템의 강건성을 평가한다.
• 다양한 V2X 서비스를 고려해 다양한 mmWave 대역과 ADC 전력 수준에서 에너지 효율성의 상호 교환 관계를 분석한다.

제안 방법

• 두 단계 하이브리드 프리코딩 프레임워크를 제안한다: 첫 번째 단계는 수신 전력 최대화를 위해 단일 사용자 MIMO 원칙을 이용해 아날로그 비트포머를 설계한다.
• 두 번째 단계는 다중 사용자 간섭을 억제하기 위해 기지국에서 폐쇄형 해법(MRT, ZF, MMSE) 또는 반복적 알고리즘을 사용해 디지털 프리코더를 계산한다.
• 차량에서 채널 상태 정보(CSI)를 양자화하기 위해 변형된 I형은 RVQ를, II형은 비트스티어링 코드북을 사용해 제한된 피드백을 구현한다.
• 기지국에서는 완전 또는 부분 연결된 RF 체인을 갖는 하이브리드 아키텍처를 사용하고, 차량에서는 아날로그만의 합성기를 사용한다.
• ADC 전력 및 안테나 수와 같은 현실적인 하드웨어 제약 조건 하에서 mmWave(28–73 GHz) 및 sub-6 GHz 대역에서 성능을 평가한다.
• 도플러 스프레드 및 이동성 조건 하에서 오차 발생 확률, 스펙트럼 효율성, 에너지 효율성, 오차 성능을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RVQ 및 비트스티어링 코드북을 통한 제한된 피드백이 mmWave V2X 시스템의 하이브리드 프리코딩에서 데이터율 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 차량 이동성 및 도플러 이동이 이중으로 선택적인 mmWave 채널에서 오차 성능과 시스템 강건성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 사용자 수가 증가함에 따라 스펙트럼 효율성과 오차 발생 확률이 단일 사용자 TDMA와 비교해 어떻게 변화하는가?
• RQ4 다양한 mmWave 대역과 ADC 전력 수준에서 에너지 효율성과 사용자 수 사이의 상호 교환 관계는 어떠한가?
• RQ5 하드웨어 구성(완전 연결 대비 부분 연결된 하이브리드 아키텍처)이 시스템 성능과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 기지국 안테나 수가 증가함에 따라(128에서 256으로) 오차 발생 확률이 향상되지만, 고립된 상태에서 설계된 비강건한 아날로그 비트포머로 인해 성능 향상은 미미하다.
• 낮은 사용자 수(예: 1–4명)의 경우, 모드 1(28 GHz, 850 MHz 대역폭, 250 mW ADC)가 낮은 전력 소모 스케일링으로 인해 가장 높은 에너지 효율성을 보인다.
• 사용자 수가 증가함에 따라 모드 4(73 GHz, 2 GHz 대역폭, 550 mW ADC, 128 안테나)가 막대한 비트포밍 이득 덕분에 가장 높은 에너지 효율성을 확보한다.
• 모드 2(39 GHz, 1.4 GHz, 400 mW ADC)는 동일한 주파수 대역과 안테나 수를 갖는 모드 3(동일 주파수, 450 mW ADC)보다 낮은 ADC 전력으로 더 높은 전력 효율성을 보인다.
• 이동성은 심각한 CFO를 유도하여 오차 성능을 떨어뜨리며, 특히 고속 이동 조건에서 강건한 비트포밍 설계의 필요성을 강조한다.
• 양자화된 피드백으로 인한 데이터율 손실은 사용자 수가 증가함에 따라 증가하며, 특히 RVQ를 사용할 경우 이는 피드백 오버헤드와 스펙트럼 효율성 사이의 상호 교환 관계를 나타낸다.