[논문 리뷰] Low-Complexity and High-Resolution DOA Estimation for Hybrid Analog and Digital Massive MIMO Receive Array

Feng Shu, Yaolu Qin외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 06.

Antenna Design and Optimization인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 아날로그-디지털(HAD) 매크로 MIMO 수신 어레이를 위한 저복잡도, 고해상도 도래각(DOA) 추정 방법을 제안하며, 계산 복잡도를 줄이기 위해 HAD 위상 정렬(HADPA)과 하이브리드 디지털-아날로그 위상 정렬(HDAPA)을 도입한다. 또한 해석적 해를 가지며 전력 최대화 전략을 적용한 빠른 Root-MUSIC-HDAPA 알고리즘을 개발하여 도래각 추정의 다중해 문제를 해결하고, 기존 방법에 비해 훨씬 낮은 복잡도로 하이브리드 크래머-라오 하한(CRLB)에 가까운 성능을 달성한다.

ABSTRACT

A large-scale fully-digital receive antenna array can provide very high-resolution direction of arrival (DOA) estimation, but resulting in a significantly high RF-chain circuit cost. Thus, a hybrid analog and digital (HAD) structure is preferred. Two phase alignment (PA) methods, HAD PA (HADPA) and hybrid digital and analog PA (HDAPA), are proposed to estimate DOA based on the parametric method. Compared to analog phase alignment (APA), they can significantly reduce the complexity in the PA phases. Subsequently, a fast root multiple signal classification HDAPA (Root-MUSIC-HDAPA) method is proposed specially for this hybrid structure to implement an approximately analytical solution. Due to the HAD structure, there exists the effect of direction-finding ambiguity. A smart strategy of maximizing the average receive power is adopted to delete those spurious solutions and preserve the true optimal solution by linear searching over a set of limited finite candidate directions. This results in a significant reduction in computational complexity. Eventually, the Cramer-Rao lower bound (CRLB) of finding emitter direction using the HAD structure is derived. Simulation results show that our proposed methods, Root-MUSIC-HDAPA and HDAPA, can achieve the hybrid CRLB with their complexities being significantly lower than those of pure linear searching-based methods, such as APA.

연구 동기 및 목표

• DOA 추정에서 완전 디지털 매크로 MIMO 어레이의 높은 RF 체인 비용과 계산 복잡도 문제를 해결하기 위해.
• 하이브리드 아날로그-디지털(HAD) 매크로 MIMO 수신 어레이에서 위상 정렬(PA)의 복잡도를 낮추면서도 높은 각도 해상도를 유지하기 위해.
• HAD 구조에 맞는 빠르고 근사 해석적 DOA 추정 방법을 개발하여 철저한 선형 탐색에 의존하는 것을 최소화하기 위해.
• HAD 구조에서 내재된 도래각 추정 다중해 문제를 전력 최대화 전략을 통해 효과적으로 해결하여 진짜 DOA 해를 유지하기 위해.
• HAD 아키텍처 하에서 DOA 추정의 크래머-라오 하한(CRLB)을 유도하고 제안된 방법들을 이에 기준으로 평가하기 위해.

제안 방법

• HADPA와 HDAPA라는 두 가지 위상 정렬 방법을 제안하여 하이브리드 도메인에서 범위형 가중치를 최적화함으로써 아날로그 위상 정렬(APA)에 비해 복잡도를 감소시킨다.
• DOA 추정 문제를 단위 원 위에서 다항식의 근을 찾는 작업으로 변환하여 해석적 해를 구할 수 있도록 하는 Root-MUSIC-HDAPA 알고리즘을 도입한다.
• 유한한 후보 방향에 대한 선형 탐색을 수행하여 평균 수신 전력을 최대화하는 도래각을 식별함으로써 HAD 시스템에서 발생하는 도래각 추정 다중해 문제로 인한 위성 해를 제거한다.
• HAD 구조에서 DOA 추정의 크래머-라오 하한(CRLB)을 유도하여 이론적 성능 기준을 제공한다.
• 행렬 분해와 트레이스 기반 단순화를 적용하여 피셔 정보 행렬(FIM) 성분에 대한 폐쇄형 표현을 도출함으로써 효율적인 CRLB 계산을 가능하게 한다.
• 신호 모델 가정을 적용하여 해석적 유도를 가능하게 하며, 이는 배열 응답이 알려져 있고, 잡음 분산이 알려져 있으며, 스트리밍 벡터 파rameter가 알려져 있음을 전제로 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HADPA와 HDAPA는 HAD 매크로 MIMO 어레이에서 위상 정렬의 계산 복잡도를 낮추면서 DOA 추정 해상도를 손상시키지 않고도 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 Root-MUSIC 기반 방법을 HAD 구조에 적응시켜 저복잡도로 빠르고 해석적 DOA 추정을 달성할 수 있는가?
• RQ3 HAD 시스템에서 내재된 도래각 추정 다중해 문제는 어떻게 효과적으로 해결할 수 있는가? 진짜 DOA 해를 유지하기 위해.
• RQ4 하이브리드 아날로그-디지털 매크로 MIMO 시스템에서 DOA 추정의 이론적 성능 한계(CRLB)는 무엇인가?
• RQ5 제안된 방법들은 추정 정확도와 계산 비용 측면에서 유도된 CRLB에 얼마나 가까이 도달할 수 있는가?

주요 결과

• Root-MUSIC-HDAPA와 HDAPA 방법은 하이브리드 크래머-라오 하한(CRLB) 내에서 성능를 달성하여 거의 최적의 추정 정확도를 보여준다.
• 기존의 선형 탐색 기반 접근 방식(예: 아날로그 위상 정렬(APA))에 비해 제안된 방법들은 계산 복잡도를 크게 감소시켰다.
• 전력 최대화 전략은 HAD 구조에서 발생하는 다중해로 인한 위성 DOA 해를 효과적으로 제거하여 진짜 최적의 방향을 유지한다.
• 유도된 HAD 구조용 CRLB는 이론적 기준을 제공하며, 제안된 방법들이 기본 성능 한계에 매우 가까이 도달하고 있음을 확인한다.
• 피셔 정보 행렬(FIM) 유도를 통해 정밀한 CRLB 계산이 가능해졌으며, 최종 FIM 표현식은 어레이 기하학, 신호 대 잡음비, 어레이 응답 파rameter에 의존한다.
• 낮은 RF 체인 요구 사양으로 고해상도 DOA 추정을 달성하여 5G 및 그 이상의 실용적 매크로 MIMO 시스템에 적합하다.