[논문 리뷰] MmWave Amplify-and-Forward MIMO Relay Networks with Hybrid Precoding/Combining Design

Lisi Jiang, Hamid Jafarkhani|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 30.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 32인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두 단계적 접근 방식을 사용하여 mmWave 수신기 증폭 및 전달 MIMO 릴레이 네트워크에 대한 저복잡도 하이브리드 프리코딩/콤비너 설계를 제안한다: 먼저 RF 단계의 단순 위상 제어를 통해 채널의 고유모드를 정렬하고, 그 다음 소스 및 릴레이에서 가중치 최소 제곱 오차(WMMSE) 기반의 베이스밴드 프리코더/콤비너 최적화를 수행하여 상호정보량을 최대화한다. 이 방법은 이전 연구들보다 낮은 복잡도로 뛰어난 스펙트럼 효율성을 달성하며, 채널 상태 정보(CSI)가 불완전한 상황에서도 우수한 성능을 보인다.

ABSTRACT

In this paper, we consider the amplify-and-forward relay networks in mmWave systems and propose a hybrid precoder/combiner design approach. The phase-only RF precoding/combining matrices are first designed to support multi-stream transmission, where we compensate the phase for the eigenmodes of the channel. Then, the baseband precoders/combiners are performed to achieve the maximum mutual information. Based on the data processing inequality for the mutual information, we first jointly design the baseband source and relay nodes to maximize the mutual information before the destination baseband receiver. The proposed low-complexity iterative algorithm for the source and relay nodes is based on the equivalence between mutual information maximization and the weighted MMSE. After we obtain the optimal precoder and combiner for the source and relay nodes, we implement the MMSE-SIC filter at the baseband receiver to keep the mutual information unchanged, thus obtaining the optimal mutual information for the whole relay system. Simulation results show that our algorithm achieves better performance with lower complexity compared with other algorithms in the literature. In addition, we also propose a robust joint transceiver design for imperfect channel state information.

연구 동기 및 목표

• 큰 RF 체인 수요로 인해 고비용 및 고복잡도가 발생하는 mmWave MIMO 릴레이 시스템의 과제를 해결한다.
• RF 체인 수를 줄이면서도 높은 스펙트럼 효율성을 유지할 수 있는 하이브리드 아날로그/디지털 프리코딩/콤비너 설계를 한다.
• 소스 및 릴레이 노드에서의 공동 베이스밴드 프리코더 및 콤비너 설계를 통해 릴레이 시스템의 상호정보량을 최대화한다.
• 불완전한 채널 상태 정보(CSI)로 인한 성능 저하를 완화하기 위해 강건한 수신기 설계를 개발한다.

제안 방법

• 소스-릴레이 및 릴레이-수신기 채널을 분해하기 위해 특이값 분해(SVD)를 적용하여 병렬 서브채널으로 나눈다.
• 각 고유모드의 위상을 보상하기 위해 단순 위상 제어를 사용하는 RF 프리코더 및 콤비너를 설계하여 다중 스트림 전송을 가능하게 한다.
• 상호정보량을 최대화하기 위해, 상기 프리코딩 및 콤비너 설계 문제를 가중치 최소 제곱 오차(WMMSE) 최적화 문제로 수식화한다.
• 상호정보량 최대화와 WMMSE 최소화 간의 등가성을 기반으로 하는 반복 알고리즘을 사용하여 소스 및 릴레이의 베이스밴드 필터를 공동 최적화한다.
• 릴레이에서 달성한 상호정보량을 유지하기 위해 수신기 베이스밴드 수신기에서 MMSE 연속 간섭 제거(MMSE-SIC)를 구현한다.
• WMMSE 최적화에 채널 추정 오차 공분산 모델을 통합하여 설계를 강건한 형태로 확장함으로써, 불완전한 CSI 하에서도 성능 안정성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mmWave 수신기 증폭 및 전달 MIMO 릴레이 네트워크에서 감소된 RF 체인 수를 고려할 때, 하이브리드 프리코딩/콤비너는 어떻게 설계되어 상호정보량을 최대화할 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템에서 기존의 MMSE 또는 OMP 기반 방법에 비해 WMMSE 기반의 베이스밴드 최적화는 어떤 성능 향상을 가져오는가?
• RQ3 기존의 SDP 또는 ADMM 기반 접근 방식에 비해 제안된 알고리즘은 계산 복잡도를 어떻게 줄이며, 同시에 높은 스펙트럼 효율성을 유지하는가?
• RQ4 채널 추정 오차는 시스템 성능에 얼마나 심각하게 영향을 미치며, 수신기 설계에 체계적으로 강건성을 통합할 수 있는가?
• RQ5 제안된 방법은 완전 연결형 및 부분 연결형 하이브리드 프리코딩 아키텍처 모두에 효과적으로 확장 가능한가?

주요 결과

• 제안된 WMMSE 기반 반복 알고리즘은 기존의 MMSE 및 OMP 기반 방법보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성하며, 고 SNR 영역에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• ADMM 및 SDP 기반 접근 방식에 비해 계산 복잡도를 크게 감소시키면서도 근사 최적의 상호정보량 성능 유지를 유지한다.
• 불완전한 CSI 하에서도 비강건한 대비에서 강건한 설계가 뛰어난 성능을 보이며, 특히 고 SNR 영역에서 추정 오차가 노이즈를 압도하고 심각한 성능 저하를 유발하는 상황에서 두드러진다.
• σ²ₑ = 0.1일 때 비강건 알고리즘은 완벽한 CSI 상황의 반정도 성능으로 떨어지지만, 제안된 강건한 설계는 모든 오차 수준에서 높은 성능을 유지한다.
• 모든 테스트 오차 분산 수준에서 [23]의 OMP 알고리즘보다도 더 뛰어난 성능을 기록하여, 본 연구의 강건성 및 스펙트럼 효율성에서의 열등함이 없음을 입증한다.
• 수신기에서의 MMSE-SIC 필터는 베이스밴드 처리 이후에도 상호정보량이 유지됨을 보장하여 전체 설계의 최적성에 대한 타당성을 입증한다.