[논문 리뷰] Near-Optimal Hybrid Analog and Digital Precoding for Downlink mmWave Massive MIMO Systems

Linglong Dai, Xinyu Gao외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 16.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 14인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 서브어레이 구조를 사용하는 mmWave 대량 MIMO 시스템을 위한 근사 최적의 저복잡도 반복형 아날로그 및 디지털 프리코딩 기법을 제안한다. 전송용량 최적화 문제를 분해하고, 안테나 어레이 간에 순차적 인터패킹 제거(SIC)를 적용함으로써, 계산 복잡도가 O(M³)인 저복잡도로 최적에 가까운 성능을 달성한다. 이는 특히 고신호대역비(SNR) 및 RF 체인당 더 적은 안테나를 가진 경우 기존의 완전한 아날로그 프리코딩보다 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) massive MIMO can achieve orders of magnitude increase in spectral and energy efficiency, and it usually exploits the hybrid analog and digital precoding to overcome the serious signal attenuation induced by mmWave frequencies. However, most of hybrid precoding schemes focus on the full-array structure, which involves a high complexity. In this paper, we propose a near-optimal iterative hybrid precoding scheme based on the more realistic subarray structure with low complexity. We first decompose the complicated capacity optimization problem into a series of ones easier to be handled by considering each antenna array one by one. Then we optimize the achievable capacity of each antenna array from the first one to the last one by utilizing the idea of successive interference cancelation (SIC), which is realized in an iterative procedure that is easy to be parallelized. It is shown that the proposed hybrid precoding scheme can achieve better performance than other recently proposed hybrid precoding schemes, while it also enjoys an acceptable computational complexity.

연구 동기 및 목표

• mmWave 대량 MIMO 시스템에서 완전한 디지털 프리코딩의 높은 하드웨어 복잡도와 에너지 소비 문제를 해결하기 위해.
• 기존의 하이브리드 프리코딩 기법들이 전체 어레이 구조에 의존하거나 높은 계산 복잡도를 겪는 한계를 극복하기 위해.
• 실제의 서브어레이 아키텍처에 적합한 저복잡도, 근사 최적의 하이브리드 프리코딩 솔루션을 설계하기 위해.
• 이론적 전송용량에 근접한 성능을 달성하면서도 실용적인 하드웨어 구현 가능성을 유지하기 위해.

제안 방법

• 각 RF 체인에 연결된 하나의 안테나 어레이를 독립적으로 처리함으로써 전역 전송용량 최적화 문제를 순차적 하위 문제로 분해한다.
• 첫 번째 어레이부터 마지막 어레이까지 순차적으로 각 어레이의 실현 가능한 전송률을 반복적으로 최적화한다.
• 다음 어레이를 최적화하기 전에 이미 최적화된 어레이들의 기여를 총 전송용량 표현에서 제거하기 위해 순차적 인터패킹 제거(SIC)를 적용한다.
• 각 어레이에 대해 디지털 프리코딩으로 진폭을 제어하고 아날로그 프리코딩으로 위상을 조정함으로써, 각 단계에서 저복잡도 최적화를 가능하게 한다.
• 각 RF 체인이 안테나의 전체 집합이 아닌 부분 집합에만 연결되는 서브어레이 구조를 활용함으로써 하드웨어 복잡도를 감소시킨다.
• 각 하위 문제는 표준 최적화 기법을 사용하여 해결하며, 전체 복잡도는 반복당 O(M³)로 지배되며, 여기서 M은 RF 체인당 안테나 수이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서브어레이 구조에 기반한 하이브리드 프리코딩 기법이 저복잡도로 근사 최적의 스펙트럼 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 제안된 반복적 SIC 기반 기법의 스펙트럼 효율 및 신호대역비(SNR)에 대한 내성은 기존의 완전한 아날로그 프리코딩과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 RF 체인 수(M)가 제안된 기법과 최적 프리코더 간의 성능 격차에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 반복적이고 독립적인 어레이 처리 구조 덕분에 제안된 기법이 효율적으로 병렬 처리될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 기법은 모든 신호대역비(SNR) 영역에서 기존의 완전한 아날로그 프리코딩 기법을 초월한다. 128×16 시스템에서 10 dB SNR일 경우 약 3 bps/Hz의 전송용량 격차를 보이며, 30 dB SNR일 경우 30 bps/Hz의 격차를 보인다.
• 30 dB SNR에서 제안된 기법은 최적 프리코더와 1 dB의 신호대역비 격차를 유지하여 근사 최적의 성능을 달성한다.
• 128×16 시스템(M=8)에서 제안된 기법은 최적 전송용량의 88%를 달성하며, 128×32 시스템(M=4)에서는 최적 전송용량의 96%를 달성한다.
• 완전한 아날로그 프리코딩 기법의 성능은 RF 체인이 늘어남에 따라著著로 악화되며, M이 8에서 4로 증가함에 따라 최적 전송용량의 20%에서 16%로 감소한다. 이는 디지털 빔포밍 이득이 제한되기 때문이다.
• 제안된 기법은 기존 아날로그 기법과 유사한 저복잡도 O(M³)를 유지하면서도 훨씬 뛰어난 스펙트럼 효율을 달성한다.
• M이 감소할수록 제안된 기법의 성능 향상이 더욱 두드러지므로, 각 RF 체인이 더 적은 안테나를 처리할 때 특히 효과적임을 시사한다.