[논문 리뷰] Low Complexity Hybrid Precoding and Channel Estimation Based on Hierarchical Multi-Beam Search for Millimeter-Wave MIMO Systems

Zhenyu Xiao, Pengfei Xia외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 04.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 mmWave MIMO 시스템에서 계층적 멀티비트 검색을 사용하여 가장 강한 다중경로 성분(MPCs)을 빠르게 식별하는 저복잡도 하이브리드 프리코딩 및 채널 추정 프레임워크를 제안한다. 아날로그 및 디지털 프리코딩을 분리함으로써, 아날로그 비트는 추정된 MPCs 방향으로 정렬되고 디지털 프리코딩은 축소된 $N_{\rm{S}} \times N_{\rm{S}}$ 기저대역 채널에서 작동한다. 이로 인해 계산 복잡도는 $\mathcal{O}(N_{\rm{A}}^3)$에서 $\mathcal{O}(N_{\rm{S}}^3)$로 감소하고, 검색 시간은 $\mathcal{O}(N_{\rm{S}}^3M^2)$에서 $\mathcal{O}(N_{\rm{S}}M)$으로 감소하여 근사 최적 성능를 낮은 복잡도로 달성한다.

ABSTRACT

In millimeter-wave (mmWave) MIMO systems, while a hybrid digital/analog precoding structure offers the potential to increase the achievable rate, it also faces the challenge of the need of a low-complexity design. In specific, the hybrid precoding may require matrix operations with a scale of antenna size, which is generally large in mmWave communication. Moreover, the channel estimation is also rather time consuming due to the large number of antennas at both Tx/Rx sides. In this paper, a low-complexity hybrid precoding and channel estimation approach is proposed. In the channel estimation phase, a hierarchical multi-beam search scheme is proposed to fast acquire $N_{ m{S}}$ (the number of streams) multipath components (MPCs)/clusters with the highest powers. In the hybrid precoding phase, the analog and digital precodings are decoupled. The analog precoding is designed to steer along the $N_{ m{S}}$ acquired MPCs/clusters at both Tx/Rx sides, shaping an equivalent $N_{ m{S}} imes N_{ m{S}}$ baseband channel, while the digital precoding performs operations in the baseband with the reduced-scale channel. Performance evaluations show that, compared with a state-of-the-art scheme, while achieving a close or even better performance when the number of radio-frequency (RF) chains or streams is small, both the computational complexity of the hybrid precoding and the time complexity of the channel estimation are greatly reduced.

연구 동기 및 목표

• 대규모 안테나 어레이를 가진 mmWave MIMO 시스템에서 하이브리드 프리코딩 및 채널 추정의 높은 계산 및 학습 복잡도를 해결하기 위해.
• 많은 수의 안테나로 인해 증가하는 하이브리드 프리코딩의 행렬 연산 계산 부담을 줄이기 위해.
• 가장 강한 다중경로 성분(MPCs)을 식별하기 위해 필요한 학습 슬롯 수를 최소화하여 채널 추정 속도를 향상시키기 위해.
• 가장 중요한 MPCs에 집중함으로써 효율적인 다중 스트림 전송을 가능하게 하되, 높은 스펙트럼 효율성을 유지하기 위해.
• 특히 RF 체인 수나 데이터 스트림 수가 적을 경우 최신 기술 대비 성능이 유사하거나 뛰어나도록 하기 위해.

제안 방법

• mmWave 채널의 $N_{\rm{S}}$개의 가장 강한 MPCs/클러스터를 신속히 식별하기 위해 사전 설계된 아날로그 계층적 코드북을 사용한 계층적 멀티비트 검색 기법을 적용한다.
• 아날로그 프리코더는 송신기 및 수신기 양측에서 추정된 $N_{\rm{S}}$개의 MPCs 방향으로 비트를 조정하도록 설계되며, mmWave 채널의 희박한 각도적 구조를 활용한다.
• 디지털 프리코더는 차원이 축소된 $N_{\rm{S}} \times N_{\rm{S}}$ 기저대역 채널에서 작동하여 행렬 연산의 차원을 $N_{\rm{A}}$에서 $N_{\rm{S}}$로 감소시킨다.
• 하이브리드 프리코딩 설계는 아날로그 및 디지털 프리코딩을 분리하며, 아날로그 beamforming은 주요 MPCs에 맞추고 디지털 프리코딩은 축소된 채널에서 최적화된다.
• 계층적 코드북 구조는 거친 후 세밀한 비트 검색을 가능하게 하여 전수 검색 대비 필요한 학습 슬롯 수를 감소시킨다.
• mmWave 채널의 희박한 성질을 활용하여 최적화 문제를 희박 재구성 문제로 모델링함으로써 효율성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 안테나 어레이를 가진 mmWave MIMO 시스템에서 계층적 멀티비트 검색이 채널 추정의 시간 복잡도를 줄일 수 있는가?
• RQ2 추정된 MPCs 기반으로 아날로그 및 디지털 프리코딩을 분리하는 것이 계산 복잡도와 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 프리코딩에 $N_{\rm{S}}$개의 주요 MPCs만 사용할 경우 복잡도 감소와 성능 간의 성능 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ4 제안된 방법은 최신 기술 대비 성능 및 학습 오버헤드 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 비트 검색 과정에서 성능와 복잡도를 균형 잡기 위해 최적의 계층 수($K$)는 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 방법은 하이브리드 프리코딩의 계산 복잡도를 $\mathcal{O}(N_{\rm{A}}^3)$에서 $\mathcal{O}(N_{\rm{S}}^3)$로 감소시켜 처리 부담을 크게 낮춘다. 여기서 $N_{\rm{S}} \ll N_{\rm{A}}$이다.
• 필요한 학습 시간 슬롯 수는 $\mathcal{O}(N_{\rm{S}}^3M^2)$에서 $\mathcal{O}(N_{\rm{S}}M)$으로 감소하여 학습 효율성이 향상된다.
• 만약 $N_{\rm{S}} = 1$이고 단일 RF 체인만 사용할 경우, 제안된 방법은 네 개의 RF 체인을 사용하는 최신 기술의 희박 프리코딩 방법보다 성능이 뛰어나다.
• 작은 $N_{\rm{S}}$ 또는 낮은 RF 체인 수일 경우, 넓은 비트로 인한 비트 스쿼이트로 인한 오류 탐지 위험 감소로 인해 SP-HPC 방법보다 제안된 방법이 더 우수한 성능을 보인다.
• 계층 수 $K$가 2를 초과하여 증가하더라도 성능에 큰 영향을 주지 않으며, 이는 실용적 구현에 있어 $K=2$가 최적임을 시사한다.
• 상수 진폭 제약 조건 하에서도 제안된 방법의 도달 가능한 전송률은 이론적 한계에 매우 가까이 있으며, 다중화 이득 손실도 최소한이다.