[논문 리뷰] MIMO with More Users than RF Chains.

Nil Garcia, Henk Wymeersch외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 15.

Antenna Design and Optimization인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 MIMO 시스템에서 RF 체인 수를 초과하는 사용자를 전송할 수 없는 기존의 제한을 깨는 심볼 단위 하이브리드 프리코딩 프레임워크를 제안한다. 심볼 레벨에서 아날로그 및 디지털 프리코더를 동적으로 재구성함으로써, RF 체인 수를 초과하는 사용자에 대한 공간 multiplexing 를 가능하게 하여 실용적인 하드웨어 제약 조건 하에서 near-optimal 스펙트럼 효율을 달성한다.

ABSTRACT

Antenna arrays with hybrid analog-digital signal processing capabilities offer a compromise between the performance of digital arrays and the cost-efficiency of analog arrays with a single radio-frequency (RF) chain. A limitation of hybrid arrays is that the number of independent streams that they can transmit with standard precoding techniques cannot be larger than the number of RF chains. In standard hybrid precoding, the analog precoder (phase shifters or switches) are fixed at the beginning of the streams. To break the ceiling on the number of streams, a new precoding paradigm is proposed, where the analog and digital precoder are changed in a symbol-by-symbol basis. Algorithms for optimizing the analog and digital precoders at the symbol rate are provided and their performance is extensively analyzed.

연구 동기 및 목표

• RF 체인 수를 초과할 수 없는 하이브리드 MIMO 시스템의 근본적 제한을 극복하기 위해.
• 동적 프리코딩 전략을 사용하여 RF 체인 수를 초과하는 더 많은 사용자에 대한 공간 multiplexing 를 가능하게 하기 위해.
• 심볼 레벨에서 아날로그 및 디지털 프리코더의 공동 최적화를 위한 실용적인 알고리즘을 설계하기 위해.
• 실제 하이브리드 MIMO 아키텍처에서 제안된 동적 프리코딩 프레임워크의 성능 향상과 실현 가능성 분석하기 위해.

제안 방법

• 모든 심볼마다 아날로그 및 디지털 프리코더를 재구성하는 심볼 단위 하이브리드 프리코딩 아키텍처를 제안한다.
• 전력 제약 및 하드웨어 제약 하에서 아날로그(위상 이동기/스위치) 및 디지털 프리코더의 공동 최적화 프레임워크를 도입한다.
• 평균 제곱오차를 최소화하거나 스펙트럼 효율을 최대화하는 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 반복 알고리즘을 활용한다.
• 최적화를 분리하고 계산 복잡도를 감소시키기 위해 블록 대각 행렬 구조를 사용한다.
• 비볼록성을 다루기 위해 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA) 기법을 적용한다.
• 실제 채널 모델과 하드웨어 제약 조건 하에서 광범위한 시스템 수준 시뮬레이션을 통해 접근 방식을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 심볼 레벨에서 아날로그 및 디지털 프리코더를 동적으로 재구성하는 것이 하이브리드 MIMO 시스템에서 RF 체인 수를 초과하는 사용자 전송을 가능하게 하는가?
• RQ2 기존의 고정 프리코딩 방식과 비교해 심볼 수준 프리코딩이 달성할 수 있는 스펙트럼 효율 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 위상 이동기 해상도 및 전력 제약 등의 실용적 하드웨어 제약 조건 하에서 제안된 알고리즘이 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 동적 프리코딩 프레임워크에서 성능 향상과 계산 복잡도 사이의 상호 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 제안된 방식 하에서 RF 체인 수와 사용자 수가 증가할수록 시스템 성능는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 제안된 심볼 단위 하이브리드 프리코딩 방식은 사용자 수가 RF 체인 수를 초과하는 상황에서도 완전 디지털 MIMO와 거의 동일한 스펙트럼 효율을 달성한다.
• 실제 시나리오에서 아날로그 및 디지털 프리코더의 동적 재구성 덕분에 RF 체인 수의 두 배까지의 사용자에 대한 공간 multiplexing 가 가능하다.
• 반복 최적화 알고리즘이 신속하게 수렴하며 기존의 고정 프리코딩 방법보다 뚜렷한 성능 향상을 제공한다.
• 저해상도 위상 이동기 조건에서도 높은 스펙트럼 효율을 유지하여 하드웨어 결함에 대한 강건성을 입증한다.
• 블록 대각 최적화와 순차적 볼록 근사 덕분에 계산 복잡도가 관리 가능한 수준을 유지한다.
• 시뮬레이션 결과는 피드백 오버헤드가 다소 증가하더라도 근사 최적의 합산 속도 성능을 달성함을 확인한다.