[논문 리뷰] LSE Precoders for Massive MIMO with Hardware Constraints: Fundamental Limits.

Mohammad Ali Sedaghat, Ali Bereyhi외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 23.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 23인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 피크 전력, 일정 애너풀, 이산 변조망과 같은 하드웨어 제약 조건 하에서 매크로 MIMO 시스템에 대한 최소 제곱 오차(LSE) 전처리기를 제안한다. 복제 방법을 사용하여 점근적 왜곡 표현을 닫힌 형태로 유도하며, 3 dB PAPR를 갖는 LSE 전처리기가 RZF 성능에 매우 가까이 맞추는 것을 보여주고, 일정 애너풀 버전은 RZF와 유사한 성능을 달성하나, 안테나 수가 20% 더 많아야 한다.

ABSTRACT

This paper proposes the nonlinear Least Square Error (LSE) precoders for multiuser MIMO broadcast channels. The output signals of LSE Precoders are limited to be chosen from a predefined set which let these precoders address several constraints such as peak power limitation, constant envelope transmission and discrete constellations. We study the large-system performance of these precoders via the replica method from statistical physics, and derive a closed-form expression for the asymptotic distortion. Our results demonstrate that an LSE precoder with the output peak-to-average power ratio of $3~{ m dB}$ can track the performance of the Regularized Zero Forcing (RZF) precoder closely. As the peak-to-average power ratio reduces to one, the constant envelope precoder is recovered. The investigations depict that the performance of the RZF precoder is achieved by the constant envelope precoder with $20\%$ of more transmit antennas. For $M$-PSK constellations, our analysis gives a lower-bound on the asymptotic distortion which is tight for moderate antenna-to-user ratios and deviates as the ratio grows. We improve this bound by deriving the replica solution under one-step of replica symmetry breaking. Our numerical investigations for this case show that the bound is tight for antenna-to-user ratios less than $5$.

연구 동기 및 목표

• 맥락 전력, 일정 애너풀, 이산 변조망과 같은 하드웨어 제약 조건을 해결하기 위해 매크로 MIMO 시스템을 대상으로 한다.
• 통계역학적 방법을 사용하여 이러한 제약 조건 하에서 LSE 전처리기의 대규모 시스템 성능을 분석한다.
• 대규모 시스템 극한에서 점근적 왜곡에 대한 닫힌 형태의 표현을 유도한다.
• M-PSK 변조망에 대한 성능 한계를 설정하고, 복제 대칭성 붕괴를 통해 이를 향상시킨다.

제안 방법

• 사전에 정의된 이산 집합으로 출력이 제약되는 비선형 LSE 전처리기를 제안하여 하드웨어 제약 조건을 구현한다.
• 통계역학의 복제 방법을 적용하여 전처리기의 대규모 시스템 행동을 분석한다.
• 대규모 안테나 및 사용자 수 근처에서 점근적 왜곡에 대한 닫힌 형태의 표현을 유도한다.
• M-PSK 변조망에 대한 점근적 왜곡의 하한을 향상시키기 위해 일단계 복제 대칭성 붕괴를 구현한다.
• 복제 방법을 사용하여 피크 대 평균 전력비(PAPR)가 다양할 경우의 성능을 평가한다.
• 다양한 PAPR 및 변조 종류에서 RZF 전처리기를 기준으로 LSE 전처리기 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 맥락 전력 및 일정 애너풀 제약 조건 하에서 매크로 MIMO 시스템에서 LSE 전처리기의 성능는 어떻게 스케일링되는가?
• RQ2 다양한 피크 대 평균 전력비(PAPR) 조건 하에서 LSE 전처리기의 점근적 왜곡은 무엇인가?
• RQ3 복제 방법은 이산 변조망을 갖는 LSE 전처리기의 대규모 시스템 성능을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 일정 애너풀 LSE 전처리기의 성능는 RZF와 비교해 볼 때 필요한 안테나 수 측면에서 어떻게 되는가?
• RQ5 일단계 복제 대칭성 붕괴는 M-PSK 변조망에 대해 왜곡 한계를 어느 정도 향상시키는가?

주요 결과

• 피크 대 평균 전력비(PAPR)가 3 dB인 LSE 전처리기는 정규화된 제로 포싱(RZF) 전처리기의 성능을 매우 잘 따라간다.
• 일정 애너풀 전처리기(해당 PAPR는 1 dB)는 RZF와 유사한 성능를 달성하지만, 전송 안테나 수가 20% 더 많아야 한다.
• M-PSK 변조망의 경우, 초기 복제 방법은 중간 수준의 안테나 대 사용자 비율에서 점근적 왜곡에 대한 날카로운 하한을 제공한다.
• 일단계 복제 대칭성 붕괴 접근법은 왜곡 한계를 향상시켜, 안테나 대 사용자 비율이 5 이하일 경우에 매우 날카로운 하한이 되도록 한다.
• 수치적 결과는 일단계 복제 대칭성 붕괴 하에 향상된 한계가 낮은에서 중간 수준의 안테나 대 사용자 비율 영역에서 정확하다는 것을 확인한다.
• LSE 전처리기 프레임워크는 하드웨어 제약 조건과 스펙트럼 효율성을 효과적으로 균형 잡으며, 제약 조건이 있는 하드웨어 시스템에서 RZF에 대한 실용적인 대안을 제공한다.