[논문 리뷰] On hybrid precoder/combiner for downlink mmWave massive MU-MIMO systems

Alvaro Javier Ortega, Raimundo Sampaio‐Neto외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 31.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 19인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다운링크 mmWave 대량 MU-MIMO 시스템을 위한 하이브리드 프리코더/컴비너 설계 4종을 제안하며, 베이스밴드 모델에서 색조화 가우시안 노이즈를 고려하고 간섭 억제를 향상시키면서도 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 유지한다. 주요 기여는 전력 제약 조건을 고려한 신규 MMSE 기반 디지털 프리코더와, Hadamard 부등식을 활용해 근사 최적 성능을 달성하는 저복잡도 SVD 기반 아날로그 컴비너로, 기존 방법에 비해 비트 오류율(BER)을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

We propose four hybrid combiner/precoder for downlink mmWave massive MU-MIMO systems. The design of a hybrid combiner/precoder is divided in two parts, analog and digital. The system baseband model shows that the signal processed by the mobile station can be interpreted as a received signal in the presence of colored Gaussian noise, therefore, since the digital part of the combiner and precoder do not have constraints for their generation, their designs can be based on any traditional signal processing that takes into account this kind of noise. To the best of our knowledge, this was not considered by previous works. A more realistic and appropriate design is described in this paper. Also, the approaches adopted in the literature for the designing of the combiner'/precoder' analog parts do not try to avoid or even reduce the inter user/symbol interference, they concentrate on increasing the signal-to-noise ratio (SNR). We propose a simple solution that decreases the interference while maintaining large SNR. In addition, one of the proposed hybrid combiners reaches the maximum value of our objective function according with the Hadamard's inequality. Numerical results illustrate the BER performance improvements resulting from our proposals. In addition, a simple detection approach can be used for data estimation without significant performance loss.

연구 동기 및 목표

• 기존 mmWave 대량 MU-MIMO 시스템의 하이브리드 프리코더 설계에서 색조화 가우시안 노이즈를 고려하지 않은 점을 해결한다.
• 단순한 SNR 최대화를 넘어서 하이브리드 컴비너/프리코더에서 간섭 억제를 향상시킨다.
• 높은 어레이 이득을 유지하면서 다수 사용자 간 간섭과 심호 간섭을 줄이는 저복잡도 아날로그 컴비너 설계를 개발한다.
• 색조화 노이즈와 전력 제약 조건을 고려한 디지털 프리코더를 제안하여 강인성과 성능을 향상시킨다.
• 특히 SVD 기반 아날로그 beamforming을 통해 최소한의 복잡도로 근사 최적 성능을 달성한다.

제안 방법

• 베이스밴드 신호를 색조화 가우시안 노이즈 존재 하에서 수신 신호로 모델링하여 더 현실적인 디지털 프리코더 설계를 가능하게 한다.
• 전력 예산 제약 조건 하에서 MMSE 최적화 문제로 디지털 프리코더 설계를 정식화하고 라그랑주 최적화를 통해 해결한다.
• 정규화된 에르미트 행렬의 역행렬을 사용하여 폐쇄형 해를 도출하며, 노이즈 및 전력 제약 조건을 통합한다.
• 기존 연구에서 제안한 반복적 아날로그 프리코더 설계를 향상시키기 위해 재귀적 알고리즘을 제안하여 수렴성과 성능을 향상시킨다.
• Hadamard 부등식을 활용해 목적 함수의 이론적 최대치에 도달하는 저복잡도 SVD 기반 아날로그 컴비너를 도입한다.
• 컴비너 후 간단한 선형 검출 방법을 사용하여 복잡도 감소에도 불구하고 성능 손실가 최소화됨을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 베이스밴드 신호를 흰 잡음이 아닌 색조화 가우시안 노이즈로 모델링할 경우, 하이브리드 프리코더/컴비너 설계는 어떻게 향상될 수 있는가?
• RQ2 SNR 최대화를 넘어서 아날로그 컴비너/프리코더 설계에서 다수 사용자 간 간섭과 심호 간섭을 명시적으로 최소화할 경우의 영향은 무엇인가?
• RQ3 저복잡도 아날로그 beamforming 기법이 하이브리드 mmWave 대량 MU-MIMO 시스템에서 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 전력 제약 조건을 고려한 MMSE 기반 디지털 프리코더는 기존 설계 대비 BER 및 강인성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 제안된 하이브리드 시스템에서 단순한 검출 방법을 사용할 경우 성능 저하 없이 얼마나 높은 수준까지 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 전력 제약 조건을 고려한 MMSE 기반 디지털 프리코더는 색조화 가우시안 노이즈를 명시적으로 모델링함으로써 강인성과 BER 성능을 향상시킨다.
• SVD 기반 아날로그 컴비너 설계는 Hadamard 부등식이 정의한 목적 함수의 이론적 최대치에 도달하여 근사 최적 성능임을 나타낸다.
• 수치 결과는 기존 방법들, 특히 [11], [3], [12]에 비해 BER에서 뚜렷한 향상을 보이며, 풍부한 산란 환경에서 더욱 두드러진다.
• 제안된 하이브리드 컴비너/프리코더는 간단한 선형 검출 방법을 사용할 수 있게 하여 성능 손실가 최소화되며, 시스템 복잡도를 감소시킨다.
• 재귀적 알고리즘은 [3]에서 제안한 원래 반복적 방법에 비해 수렴성과 간섭 억제 성능을 향상시킨다.
• 전반적인 시스템은 제한된 RF 체인 수 조건에서도 현실적인 mmWave 채널 환경에서 높은 스펙트럼 효율성과 신뢰성 있는 통신을 달성한다.