[논문 리뷰] Millimeter Wave Receiver Comparison Under Energy vs Spectral Efficiency Trade-off

Waqas Bin Abbas, Felipe Gómez-Cuba외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 30.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 24인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 mmWave 시스템에서 스펙트럼 효율성(Spectral Efficiency, SE) 대 에너지 효율성(Energy Efficiency, EE)의 상충 관계를 고려할 때, 아날로그, 하이브리드, 디지털 복합 수신기 간의 재현 가능하고 파rameter 유연한 비교 방법을 제안한다. SE 대 EE의 상충 관계를 조정할 수 있는 자유 매개변수 α를 가진 다목적 유틸리티 최적화를 사용하여, ADC의 전력 소비와 시스템 제약 조건에 따라 디지털 복합 수신기(DC)가 하이브리드 복합 수신기(HC) 또는 아날로그 복합 수신기(AC)를 능가할 수 있음을 보여주며, 항상 더 많은 전력을 소비한다는 전제를 도전한다.

ABSTRACT

Receivers for mmWave systems suffer from high power consumption in Analog to Digital Converters (ADC), and there is a need to compare the three major receiver architectures: Analog, Hybrid and Digital Combining (AC, HC and DC). Moreover, the specific power consumption figure of merit of ADCs varies significantly between different component designs in the literature, so that comparisons performed for one ADC model - no matter how representative of the state of the art - do not necessarily carry over to other ADC designs with different figures of merit. In this work, we formulate a comparison method between AC, HC and DC that can be easily reproduced with different power consumption parameters and provides all information for receiver architecture selection in a compact chart figure. We also present an interpretation of the receiver selection decision problem as a multi-objective utility optimization to find the best Spectral Efficiency (SE) versus Energy Efficiency (EE) trade-off. We use existing results on the achievable rate of AC, HC and DC systems and an Additive Quantization Noise Model (AQNM) of the ADC capacity degradation. For some example commercial component parameters, we show that the usually held belief that DC requires the highest power is not valid in many cases. Rather, either DC or HC alternatively result in the better SE vs EE trade-off depending strongly on the considered component parameters and on the weight assigned to SE vs EE in the utility maximization.

연구 동기 및 목표

• 빠르게 변화하는 ADC 전력 소비에 비추어 아날로그, 하이브리드, 디지털 복합 수신기 간의 일반화 가능한 비교가 부족한 점을 보완하기 위해.
• 이전 연구가 오래된 하나의 ADC 모델에 의존하여 현재 또는 향후 하드웨어 트렌드를 반영하지 못할 수 있는 한계를 극복하기 위해.
• 다양한 구성 요소 파ram터 하에서 수신기 아키텍처 간의 SE 대 EE 상충 관계를 평가하기 위한 탄력적이고 재사용 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.
• SE와 EE 간의 사용자 선호도를 조정 가능한 유틸리티 가중치를 통해 통합하여 최적의 수신기 선택을 안내하기 위해.
• 최적의 수신기 선택(AC, HC, 또는 DC)이 ADC 전력 특성과 신호 대 잡음비(SNR) 및 장치 전력 예산과 같은 시스템 제약 조건에 매우 의존한다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• SE와 EE 간의 상충 관계를 자유 매개변수 α로 가중하는 다목적 유틸리티 최대화 문제를 수립하여, 사용자가 한 측정치를 다른 측정치보다 선호하는 것을 표현할 수 있도록 한다.
• 저해상도 ADC의 영향을 가용 비트율과 스펙트럼 효율성에 영향을 미치는 데 사용하기 위해 Additive Quantization Noise Model (AQNM)을 사용한다.
• 현실적인 변동 가능한 ADC 전력 소비 모델(고전력: HPADC, 중간전력: IPADC, 저전력: LPADC)을 통합하여 현재 및 향후 하드웨어 트렌드를 반영한다.
• RF 체인 수(N_RF), ADC 비트 수(b), 및 SNR의 다양한 값에서 AC, HC, DC의 SE 대 EE 상충 관계를 시각화하는 간결하고 재현 가능한 비교 차트를 개발한다.
• 자신의 구성 요소 파ram터를 사용하여 사용자 맞춤형 SE 대 EE 상충 관계 차트를 생성할 수 있도록 웹 툴(참고 문헌 [19]에서 접근 가능)을 구현한다.
• 비대칭 채널 조건과 다양한 전력 제약 조건 하에서 성능을 평가하기 위해 업링크 및 다운링크 시나리오를 모두 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ADC 전력 소비가 급격히 변화하는 상황에서, 아날로그, 하이브리드, 디지털 복합 수신기 간의 선택은 ADC의 전력 소비에 어떻게 의존하는가?
• RQ2 다양한 ADC 전력과 시스템 제약 조건 하에서 디지털 복합 수신기(DC)가 하이브리드 복합 수신기(HC)를 능가하는 조건은 무엇이며, 언제 HC가 우세한가?
• RQ3 하이브리드 복합 수신기에서 최적의 RF 체인 수(N_RF)는 신호 대 잡음비(SNR)와 ADC 해상도에 따라 어떻게 달라지며, 이는 SE 대 EE 상충 관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 단일 대표 ADC 모델에 의존하지 않고, 다양한 하드웨어 구성에 걸쳐 수신기 아키텍처를 비교할 수 있는 통합된 파arameter화된 프레임워크를 개발할 수 있는가?
• RQ5 SE 대 EE에 대한 조정 가능한 선호도 가중치(α)의 포함이 실질적인 mmWave 시스템에서 최적의 수신기 아키텍처 선택에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 디지털 복합 수신기(DC)가 가장 높은 전력 소비를 요구한다는 일반적인 믿음은 항상 옳지 않으며, ADC 전력 소비와 시스템 제약 조건에 따라 DC가 HC 또는 AC를 능가할 수 있다.
• 고SNR 및 저전력 ADC(LPADC) 조건에서의 다운링크 시나리오에서는 8비트 해상도의 DC가 HC 및 AC보다 유의미하게 높은 SE와 EE를 달성하며, 상충 관계를 완전히 제거한다.
• 업링크 시나리오에서는 중간 전력 장치(3–10 W), 예를 들어 피코셀 기지국과 같은 경우 HC가 DC보다 더 우수한 SE 대 EE 상충 관계를 제공하지만, 고전력(≥8 W) 및 저전력(≤3 W) 영역에서는 DC가 우세하다.
• 저SNR 조건에서는 아날로그 복합 수신기(AC)가 가장 높은 에너지 효율성을 달성하지만, 스펙트럼 효율성이 50% 감소하는 비용을 치르므로, 저SNR 환경에서의 상충 관계가 극명히 드러난다.
• 하이브리드 복합 수신기에서 최적의 RF 체인 수(N_RF)는 SNR에 따라 달라진다: 특정 지점 이상으로 N_RF를 늘리면 SE 향상의 효과가 점점 감소하며, 특히 저SNR 조건에서 이는 최적 성능과의 괴리로 이어질 수 있다.
• 저전력 ADC(LPADC) 조건에서는 에너지 효율성이 ADC 해상도(b)에 따라 단조적으로 증가하며, SE 최대화 및 EE 최대화 설정이 일치한다. 반면 고전력 ADC에서는 여전히 상충 관계가 존재한다.