[논문 리뷰] Nonlinear Precoders for Massive MIMO Systems with General Constraints

Ali Bereyhi, Mohammad Ali Sedaghat외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 21.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 17인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 피크 대 평균 전력비(PAPR) 및 활성 안테나 선택과 같은 하드웨어 제약 조건을 고려하여 임의의 페널티 함수를 갖는 일반적인 비선형 최소 제곱 오차(LSE) 전처리기의 클래스를 제안한다. 복제 방법을 복제 대칭성 하에 적용하여, 이러한 전처리기가 점차적 경계 분리 성질을 나타내며, 성능 분석을 등가 단일 사용자 시스템을 통해 가능하게 함을 보여주며, 목표 왜곡 수준에서 랜덤 선택 대비 약 35% 적은 활성 안테나가 필요하다고 밝힌다.

ABSTRACT

We introduce a class of nonlinear least square error precoders with a general penalty function for multiuser massive MIMO systems. The generality of the penalty function allows us to consider several hardware limitations including transmitters with a predefined constellation and restricted number of active antennas. The large-system performance is then investigated via the replica method under the assumption of replica symmetry. It is shown that the least square precoders exhibit the "marginal decoupling property" meaning that the marginal distributions of all precoded symbols converge to a deterministic distribution. As a result, the asymptotic performance of the precoders is described by an equivalent single-user system. To address some applications of the results, we further study the asymptotic performance of the precoders when both the peak-to-average power ratio and number of active transmit antennas are constrained. Our numerical investigations show that for a desired distortion at the receiver side, proposed forms of the least square precoders need to employ around %35\%$ fewer number of active antennas compared to cases with random transmit antenna selection.

연구 동기 및 목표

• 마사이브 MIMO 시스템의 하드웨어 제약 조건, 특히 PAPR 제약 조건과 제한된 RF 체인을 해결하기 위해.
• 다양한 송신기 제약 조건을 모델링하기 위해 페널티 함수를 사용하는 비선형 전처리기의 일반적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 복제 대칭성 하에서 복제 방법을 적용하여 이러한 전처리기의 대규모 시스템 성능을 분석하기 위해.
• 전처리기의 경계 분리 성질이 존재하여 등가 단일 사용자 시스템을 통해 성능를 특성화할 수 있음을 보여주기 위해.
• PAPR 및 전송 전력 제약 조건 하에서 활성 안테나 선택의 성능 향상을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 디지털 변조 기반의 제약 조건(예: 이산 볼륨, PAPR 제한 등)을 모델링하기 위해 페널티 함수를 포함한 일반적인 비선형 LSE 전처리기 수식을 제안한다.
• 대규모 시스템 근사에서 점차적 성능 지표를 유도하기 위해 복제 대칭성(RS) 가정 하에 복제 방법을 적용한다.
• 분석을 단순화하기 위해 매개변수 χ와 p를 갖는 대칭적 구조를 가진 복제 행렬의 안정점 해를 유도한다.
• 전처리된 기호의 경계 분포가 결정론적 분포로 수렴하는 등가 단일 사용자 시스템을 도입한다.
• 점차적 왜곡과 경계 분포를 특성화하기 위해 스칼라 ς와 복소 가우시안 입력 s₀에 대한 적분을 사용한 R_D(−χ)의 리졸베이트 함수를 사용한다.
• 효율 오차 함수의 최적 최소화자를 사용하여 복소 가우시안 입력 s₀에 대한 적분을 통해 점차적 왜곡과 경계 분포를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제안된 일반 페널티 함수를 갖는 비선형 LSE 전처리기는 마사이브 MIMO 시스템에서 다양한 하드웨어 제약 조건 하에서 어떻게 성능를 나타내는가?
• RQ2 대규모 시스템 근사에서 전처리된 기호의 경계 분포가 결정론적 분포로 수렴하는가? 이는 단일 사용자 등가성의 가능성을 암시하는가?
• RQ3 PAPR 및 전력 제약 조건 하에서 랜덤 안테나 선택 대비 제안된 전처리기를 사용할 경우 활성 안테나 수 감소의 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ4 복제 대칭성 하에서 복제 방법은 일반 제약 조건을 갖는 비선형 전처리기의 점차적 행동을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 점차적 왜곡은 사용자 수, 안테나 수 및 전력 제약 조건과 같은 시스템 매개변수에 어떻게 의존하는가?

주요 결과

• 제안된 비선형 LSE 전처리기는 점차적 경계 분리 성질을 나타내며, 이는 각 전처리된 기호의 경계 분포가 등가 단일 사용자 시스템에서와 동일한 결정론적 분포로 수렴함을 의미한다.
• 점차적 왜곡은 복제 방법에서 유도된 매개변수 χ와 p, 그리고 리졸베이트 함수 R_D(−χ)를 포함하는 닫힌 형태의 식으로 결정된다.
• 목표 왜곡 수준에서 제안된 전처리기는 랜덤 선택 대비 약 35% 적은 활성 송신 안테나 수가 필요하다.
• 성능 분석은 복제 대칭성 가정 하에서 유효하며, 고려된 시스템 매개변수 범위에서 정확도가 높다는 게 입증되었다.
• 이 프레임워크는 PAPR 및 이산 볼륨과 같은 다양한 하드웨어 제약 조건을 통합된 수학적 구조 내에서 분석할 수 있도록 한다.
• 유도된 스칼라 λ^rs = ς[R_D(−χ)]^−1 는 등가 단일 사용자 시스템 내에서 효과적 신호 대 잡음비를 특성화한다.