[논문 리뷰] Multi-user Precoding and Channel Estimation for Hybrid Millimeter Wave Systems

Lou Zhao, Derrick Wing Kwan Ng외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 12.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 RF 체인 수가 안테나 수에 비해 훨씬 적은 하이브리드 밀리미터파(mmWave) 시스템을 위한 저복잡도 채널 추정 및 다중 사용자 선형예측 기반 설계를 제안한다. 여러 주파수 톤을 활용해 도미넌트 도래각(AoA)을 추정하고, 이러한 방향으로 정규직교 피LOT을 전송함으로써 정확한 채널 추정과 디지털 제로포지션(ZF) 예측을 가능하게 하여, 하드웨어 손상 및 추정 오차에 대해 강건한 성능을 달성하며, 완전히 디지털 시스템에 가까운 성능을 구현한다.

ABSTRACT

In this paper, we develop a low-complexity channel estimation for hybrid millimeter wave (mmWave) systems, where the number of radio frequency (RF) chains is much less than the number of antennas equipped at each transceiver. The proposed mmWave channel estimation algorithm first exploits multiple frequency tones to estimate the strongest angle-of-arrivals (AoAs) at both base station (BS) and user sides for the design of analog beamforming matrices. Then all the users transmit orthogonal pilot symbols to the BS along the directions of the estimated strongest AoAs in order to estimate the channel. The estimated channel will be adopted to design the digital zero-forcing (ZF) precoder at the BS for the multi-user downlink transmission. The proposed channel estimation algorithm is applicable to both nonsparse and sparse mmWave channel environments. Furthermore, we derive a tight achievable rate upper bound of the digital ZF precoding with the proposed channel estimation algorithm scheme. Our analytical and simulation results show that the proposed scheme obtains a considerable achievable rate of fully digital systems, where the number of RF chains equipped at each transceiver is equal to the number of antennas. Besides, by taking into account the effect of various types of errors, i.e., random phase errors, transceiver analog beamforming errors, and equivalent channel estimation errors, we derive a closed-form approximation for the achievable rate of the considered scheme. We illustrate the robustness of the proposed channel estimation and multi-user downlink precoding scheme against the system imperfection.

연구 동기 및 목표

• RF 체인 수가 안테나 수에 비해 훨씬 적은 하이브리드 mmWave 시스템에서 효율적인 채널 추정 문제를 해결한다.
• 감소된 RF 체인 제약으로 인해 기존 피LOT 기반 방법이 적용 불가능한 문제를 해결한다.
• 희박한 채널과 비희박한 채널 모두에 적용 가능한 채널 추정 및 예측 프레임워크를 설계한다.
• 위상 오차 및 비전형적 빔포밍 정확도 오류를 포함한 실용적 하드웨어 손상 상황에서도 높은 성능을 유지를 보장한다.
• 최소한의 교육 오버헤드와 피드백 신호 전송을 통해 완전히 디지털 시스템에 가까운 스펙트럼 효율성을 달성한다.

제안 방법

• 초기 아날로그 빔포밍 설계를 위해 기지국과 사용자 단말기에서 가장 강한 도래각(AoA)을 추정하기 위해 다수의 주파수 톤을 활용한다.
• 추정된 AoA 방향으로 전송된 정규직교 피LOT 기반 심벌을 이용해 기지국에서 등가 기저대역 채널을 추정한다.
• 추정된 채널을 기반으로 기지국에서 디지털 제로포지션(ZF) 예측을 적용하여 다중 사용자 간 간섭을 억제한다.
• 랜덤 위상 오차, 아날로그 빔포밍 오차, 채널 추정 오차의 병합 영향을 고려한 가용 대역폭의 폐쇄형 근사식을 유도한다.
• 부정확한 채널 상태 정보 하에서 효과적 예측기 표현을 단순화하기 위해 행렬 역행렬 근사 기법을 도입한다.
• 유도된 채널 추정 방법을 기반으로 제안된 ZF 예측 기반 시스템의 가용 대역폭에 대한 날카로운 상한선을 수립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 mmWave 시스템에서 다수의 주파수 톤과 정규직교 피LOT을 효과적으로 활용하는 저복잡도 채널 추정 방법을 설계할 수 있는가?
• RQ2 제안된 채널 추정 방법은 희박한 채널과 비희박한 채널 환경 모두에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 제한된 RF 체인 수 조건에서도 제안된 예측 및 추정 기반 시스템이 완전히 디지털 시스템 수준의 스펙트럼 효율성을 얼마나 달성할 수 있는가?
• RQ4 위상 노이즈 및 빔포밍 오차와 같은 실용적 하드웨어 손상 상황에서 시스템 성능은 얼마나 떨어지는가?
• RQ5 다중 오차가 병합된 상황에서의 가용 대역폭은 얼마이며, 성능 분석을 위한 폐쇄형 근사식을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 채널 추정 및 예측 기반 설계는 RF 체인 수가 크게 줄어든 상황에서도 완전히 디지털 시스템과 매우 유사한 가용 대역폭 성능을 달성한다.
• 이 방법은 희박한 채널과 비희박한 채널 모두에서 높은 스펙트럼 효율성을 유지하며, 광범위한 적용 가능성을 입증한다.
• 랜덤 위상 오차, 아날로그 빔포밍 오차, 등가 채널 추정 오차를 고려한 가용 대역폭에 대한 폐쇄형 근사식이 유도되었다.
• 시스템은 하드웨어 손상에 대해 강건한 성능을 보이며, 유도된 분석 근사식을 통해 성능 저하가 잘 예측된다.
• 유도된 가용 대역폭 상한선은 날카롭고 실용적 조건 하에서 시스템 성능을 정확하게 반영한다.
• 주요 도래각(AoA)에 집중하고 이 방향으로 정규직교 피LOT을 사용함으로써 교육 오버헤드를 줄여 다중 사용자 환경에서의 효율성을 향상시켰다.