[논문 리뷰] Performance of Cell-Free MmWave Massive MIMO Systems with Fronthaul Compression and DAC Quantization

In-Soo Kim, Junil Choi|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 25.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 18인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 저해상도 DAC와 제한된 용량의 프론트홀 링크로 인해 영향을 받는 셀리스 mmWave 매크로 MIMO 시스템을 위한 최소-최대 공정성 전송 전력 할당을 갖춘 제로포싱(ZF) 예비편성기를 제안한다. 수렴을 보장하는 교대 최적화(AO) 방법을 사용하여, 추가 양자화 노이즈 모델(AQNM)을 통해 유도된 최소 가능 수신률 하한을 최대화한다. 시뮬레이션 결과, 중간 수준의 프론트홀 용량(예: 64 bps/Hz)에서도 4–5비트 DAC를 사용하는 경우에도 셀리스 시스템이 소셀 시스템을 능가함을 보여주며, 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성 향상을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, the zero-forcing (ZF) precoder with max-min power allocation is proposed for cell-free millimeter wave (mmWave) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems using low-resolution digital-to-analog converters (DACs) with limited-capacity fronthaul links. The proposed power allocation aims to achieve max-min fairness on the achievable rate lower bounds of the users obtained by the additive quantization noise model (AQNM), which mimics the effect of low-resolution DACs. To solve the max-min power allocation problem, an alternating optimization (AO) method is proposed, which is guaranteed to converge because the global optima of the subproblems that constitute the original problem are attained at each AO iteration. The performance of cell-free and small-cell systems is explored in the simulation results, which suggest that not-too-small fronthaul capacity suffices for cell-free systems to outperform small-cell systems.

연구 동기 및 목표

• 저해상도 디지털-아날로그 변환기(DAC)와 제한된 용량의 프론트홀 링크로 인한 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 모든 사용자 간 최소 가능 수신률 하한을 최대화하여 최소-최대 공정성을 확보하는 전력 할당 전략을 설계하기 위해.
• 프론트홀 압축 노이즈와 DAC 양자화 영향을 동시에 고려한 수렴 가능한 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.
• 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 전통적인 소셀 아키텍처와 비교하여 셀리스 시스템의 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 하드웨어 손상 조건 하에서 사용자별 수신률을 균형 있게 유지하기 위해 최소-최대 공정성 전력 할당을 갖춘 ZF 예비편성기를 제안한다.
• 프론트홀 압축 노이즈를 프론트홀 용량 C에 의해 결정되는 전력의 가우시안 노이즈로 모델링한다.
• B비트 DAC의 왜곡을 선형화하기 위해 추가 양자화 노이즈 모델(AQNM)을 적용하며, 고해상도 근사에서 양자화 계수는 ρ ≈ π√3 / 2·2−2B이다.
• 각 기지국에서의 총 노이즈 전력 Cqm = ρ(1−ρ)diag(∑k fm,kfHm,kηm,k) + (1−ρ)σ²mI를 유도하여 프론트홀 및 DAC 손상 효과를 모두 고려한다.
• 전력 계수와 예비편성기 구성 요소를 번갈아가며 최적화하는 교대 최적화(AO) 알고리즘을 개발하며, 각 하위 문제에서 전역 수렴이 보장된다.
• 하이브리드 beamforming 아키텍처에서 RF 예비편성기 및 수신기의 일정 모듈러스 제약 조건을 충족하기 위해 교대 투영 방법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소-최대 공정성 전력 할당 전략이 저해상도 DAC와 프론트홀 제약 조건 하에서 셀리스 mmWave 매크로 MIMO 시스템의 성능 향상에 기여하는가?
• RQ2 프론트홀 압축과 DAC 양자화의 동시 영향을 고려할 때, 제안된 AO 기반 최적화가 전역 최적 해에 수렴하는가?
• RQ3 어느 정도의 프론트홀 용량과 DAC 해상도에서 셀리스 MIMO 시스템이 전통적인 소셀 아키텍처를 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 측면에서 능가하는가?
• RQ4 하드웨어 손상 조건 하에서 프론트홀 용량과 DAC 해상도가 증가함에 따라 시스템 성능는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 프론트홀 용량 C = 16 bps/Hz일 경우, DAC 해상도에 관계없이 셀리스 시스템이 소셀 시스템보다 열 劣하므로 프론트홀이 성능의 주요 제약 요소임을 시사한다.
• C = 64 bps/Hz일 경우, DAC 해상도 B ≥ 4비트일 때 셀리스 시스템이 소셀 시스템을 능가하며, 무한해상도 DAC 기준선과 비교하여도 동일한 결과를 보인다.
• C = 256 bps/Hz일 경우, B ≥ 4비트일 때 셀리스 시스템이 뛰어난 스펙트럼 효율성을 확보하며, 고용량 프론트홀이 셀리스 이득을 최대한 활용할 수 있음을 확인한다.
• 에너지 효율성은 C = 32 bps/Hz일 경우 B = 4비트, C = 64 bps/Hz일 경우 B = 5비트에서 최대가 되며, 이때 셀리스 시스템이 소셀 시스템을 초월한다.
• 제안된 AO 방법은 각 반복에서 전역 최적 해에 수렴하므로, 최소-최대 공정성 전력 할당 문제의 신뢰성 있고 안정적인 최적화를 보장한다.