[논문 리뷰] Nonlinear Phase-Quantized Constant-Envelope Precoding for Massive MU-MIMO-OFDM.

Sven Jacobsson, Oscar Castañeda외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 18.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 주파수 선택성 fading을 다루기 위해 오버샘플링 DAC와 OFDM를 사용하는 대규모 MU-MIMO-OFDM 시스템을 대상으로 비선형 단계 양자화된 일정 앙력 예측 알고리즘을 제안한다. SQUID 예측기 알고리즘을 확장하여 일정 앙력 신호를 양자화함으로써, 오차율에서 선형 예측기보다 뛰어난 성능을 보이며, 스펙트럼 효율성과 하드웨어 효율성을 향상시킨다. 이는 대규모 MIMO 다운링크에서 높은 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

We propose a novel algorithm for phase-quantized constant-envelope precoding in the massive multi-user (MU) multiple-input multiple-output (MIMO) downlink. Specifically, we extend the nonlinear squared-infinity norm Douglas-Rachford splitting (SQUID) precoder to systems that use oversampling digital-to-analog converters (DACs) at the base station (BS) and orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) to communicate over frequency-selective channels. We demonstrate that SQUID is able to generate constant-envelope signals, which enables the use of power-efficient analog radio-frequency circuitry at the BS. By quantizing the phase of the resulting constant-envelope signal, we obtain a finite-cardinality signal that can be synthesized by low-resolution (e.g., 1-bit) DACs. We use error-rate simulations to demonstrate the superiority of SQUID over linear precoders for massive MU-MIMO-OFDM.

연구 동기 및 목표

• 주파수 선택성 fading 조건에서 에너지 효율적이고 저해상도 예측을 구현하는 데 도전하는 데 목적이 있다.
• 비선형 예측을 통해 일정 앙력 신호를 생성함으로써, 고성능 및 고선형도 RF 프론트엔드의 사용을 가능하게 한다.
• 스펙트럼 효율성을 훼손하지 않고도 저해상도(예: 1비트) DAC와 호환되는 단계 양자화 예측 방식을 설계하는 데 목적이 있다.
• SQUID 알고리즘을 오버샘플링 DAC를 갖춘 OFDM 시스템에 확장하여 선형 예측기 대비 향상된 성능을 달성하는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 원래 일정 앙력 신호 전송을 위해 설계된 비선형 SQUID 예측기 알고리즘을 대규모 MU-MIMO-OFDM 다운링크 시스템에 확장하여 적용한다.
• 기지국에서 오버샘플링을 적용하여 부채널 간 간섭을 완화하고 주파수 선택성 채널 조건을 지원한다.
• 비볼록 일정 앙력 예측 문제를 해결하기 위해 Douglas-Rachford 분할 기법을 사용하여 타당한 해에 수렴함을 보장한다.
• 결과로 도출된 일정 앙력 신호에 대해 단계 양자화를 적용하여 1비트 DAC에 적합한 유한 알파벳 신호를 생성한다.
• OFDM를 활용하여 주파수 선택성 fading 채널을 평탄한 페이딩 서브대역으로 변환함으로써 효율적인 신호 처리를 가능하게 한다.
• SQUID 알고리즘을 OFDM 서브밴드 처리와 통합하여 일정 앙력 유지와 동시에 다중 사용자 멀티plexing 기능을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SQUID 예측기 알고리즘이 대규모 MU-MIMO 시스템에서 OFDM 및 오버샘플링 DAC를 지원하도록 확장될 수 있는가?
• RQ2 일정 앙력 신호의 단계 양자화가 저해상도 대규모 MIMO에서 스펙트럼 효율성과 오차율에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 주파수 선택성 fading 채널에서 비선형 SQUID 기반 예측 방식은 선형 예측기 대비 어떤 성능 향상을 제공하는가?
• RQ4 일정 앙력 신호 전송과 단계 양자화의 조합이 대규모 MU-MIMO-OFDM에서 실용적인 1비트 DAC 동작을 가능하게 하는가?
• RQ5 단계 양자화된 일정 앙력 예측 방식을 사용할 경우 하드웨어 단순성과 스펙트럼 효율성 사이의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 SQUID 기반 단계 양자화 예측기는 일정 앙력 신호를 생성하여 대규모 MU-MIMO-OFDM 시스템에서 매우 에너지 효율적인 RF 프론트엔드의 사용을 가능하게 한다.
• SQUID가 생성한 신호에 대한 단계 양자화는 1비트 DAC에 직접 합성 가능한 유한 알파벳 신호를 생성한다.
• 오차율 시뮬레이션 결과, 주파수 선택성 fading 조건 하에서 제안된 방법이 선형 예측기보다 비트 오차율에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 오버샘플링 DAC의 사용은 부채널 간 간섭을 효과적으로 완화하여 와이드밴드 OFDM 시스템에서 스펙트럼 효율성을 유지한다.
• 비선형 SQUID 알고리즘은 고차원 대규모 MIMO 환경에서도 타당한 일정 앙력 해에 수렴하는 데 성공했다.
• 이 방법은 다중 사용자 및 주파수 선택성 환경에서 뛰어난 성능을 유지하면서도 하드웨어 복잡도를 크게 감소시켰다.