[논문 리뷰] Spatial Modulation for More Spatial Multiplexing: RF-Chain-Limited Generalized Spatial Modulation Aided MmWave MIMO with Hybrid Precoding

Longzhuang He, Jintao Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 08.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 25인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 RF 체인 수를 늘리지 않고도 스펙트럼 효율을 높이기 위해 일반화된 공간 중복 모드(GenSM)를 사용하는 mmWave MIMO 시스템을 위한 하이브리드 프리코딩 방식을 제안한다. 안테나 인덱스 정보를 추가 데이터 스트림으로 활용하고, $σ_{\infty}$ 리아프닝과 오목 최적화를 통한 이중 단계 알고리즘으로 프리코더를 최적화함으로써, 최신의 RF 체인 제한된 mmWave MIMO 시스템보다 높은 스펙트럼 효율을 달성한다.

ABSTRACT

The application of hybrid precoding in millimeter wave (mmWave) multiple-input multiple-output (MIMO) systems has been proved effective for reducing the number of radio frequency (RF) chains. However, the maximum number of independent data streams is conventionally restricted by the number of RF chains, which leads to limiting the spatial multiplexing gain. To further improve the achievable spectral efficiency (SE), in this paper we propose a novel generalized spatial modulation (GenSM) aided mmWave MIMO system to convey an extra data stream via the index of the active antennas group, while no extra RF chain is required. Moreover, we also propose a hybrid analog and digital precoding scheme for SE maximization. More specifically, a closed-form lower bound is firstly derived to quantify the achievable SE of the proposed system. By utilizing this lower bound as the cost function, a two-step algorithm is proposed to optimize the hybrid precoder. The proposed algorithm not only utilizes the concavity of the cost function over the digital power allocation vector, but also invokes the convex $\ell_\infty$ relaxation to handle the non-convex constraint imposed by analog precoding. Finally, the proposed scheme is shown via simulations to outperform state-of-the-art mmWave MIMO schemes in terms of achievable SE.

연구 동기 및 목표

• RF 체인 수에 의해 제한되는 mmWave MIMO 시스템에서 스펙트럼 효율(SE)의 한계를 극복하기 위해.
• 추가 RF 체인 없이도 활성 안테나 그룹의 인덱스를 통해 추가 데이터 스트림을 전송하기 위해 일반화된 공간 중복 모드(GenSM)를 활용하기 위해.
• 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율을 극대화하는 하이브리드 아날로그 및 디지털 프리코딩 방식을 설계하기 위해.
• 비볼록 아날로그 프리코딩 제약 조건을 $σ_{\infty}$ 리아프닝을 통해 다루면서도 디지털 전력 할당 벡터의 오목성을 활용하는 이중 단계 최적화 알고리즘 개발하기 위해.

제안 방법

• 신규한 GenSM 기반 mmWave MIMO 시스템을 제안하여, 데이터를 진폭-위상 변조(APM) 기반 기호와 활성 안테나 그룹의 인덱스를 통해 전송한다.
• 최적화를 위한 목적 함수로 사용 가능한 스펙트럼 효율(SE)의 닫힌 형태 하한을 유도한다.
• 이중 단계 하이브리드 프리코딩 알고리즘을 개발: 먼저 디지털 프리코더를 오목 최적화로 최적화하고, 이후 비볼록 아날로그 프리코딩 제약 조건을 다루기 위해 $σ_{\infty}$ 리아프닝을 적용한다.
• 채널 행렬과 전력 할당 벡터의 구조를 활용하여, 디지털 전력 할당 벡터에 대해 SE 하한이 오목함을 보장한다.
• 하드웨어 복잡도를 감소시키면서도 높은 스펙트럼 효율을 유지하기 위해 부분 연결형 하이브리드 프리코딩 아키텍처를 활용한다.
• 전송기에서 채널 상태 정보(CSI)를 통합하여 SE를 극대화함으로써, 이전의 GenSM 기반 mmWave 시스템에서 CSI를 忽略한 점을 보완한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반화된 공간 중복 모드(GenSM)를 mmWave MIMO의 하이브리드 프리코딩과 효과적으로 융합하여, RF 체인 수를 늘리지 않고도 스펙트럼 효율을 높일 수 있는가?
• RQ2 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 RF 체인 수에 제한된 GenSM 기반 mmWave MIMO 시스템의 구현 가능한 스펙트럼 효율을 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ3 비볼록 아날로그 프리코딩 제약 조건을 효과적으로 다룰 수 있는 최적화 프레임워크는 무엇인가?
• RQ4 제안된 방식은 전체 디지털 및 기존의 하이브리드 프리코딩 대비 스펙트럼 효율성과 하드웨어 효율성 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 방식은 추가 데이터 스트림으로서 안테나 인덱스 정보를 활용함으로써, 최신의 RF 체인 제한된 mmWave MIMO 시스템보다 더 높은 스펙트럼 효율을 달성한다.
• 유도된 SE 하한은 디지털 전력 할당 벡터에 대해 오목하므로, 볼록 최적화 방법을 통해 효율적인 최적화가 가능하다.
• 이중 단계 하이브리드 프리코딩 알고리즘은 $σ_{\infty}$ 리아프닝을 통해 비볼록 아날로그 프리코딩 제약 조건을 성공적으로 다루며 수렴성과 성능 향상을 보장한다.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 방식은 기존의 하이브리드 프리코딩 및 GenSM 기반 mmWave MIMO 방식보다 스펙트럼 효율 측면에서 뛰어나다.
• 고 SNR 영역에서 구현 가능한 SE는 $\log_2 M + N_R(1 - \log_2 e)$에 수렴함을 확인하여 GenSM의 이론적 성과를 입증한다.
• 낮은 SNR에서도 제안된 방식은 유의미한 스펙트럼 효율 성과를 유지하며, SNR가 0에 가까워질수록 하한이 $N_R(1 - \log_2 e)$로 수렴함을 확인한다.