[논문 리뷰] Turbo-Like Beamforming Based on Tabu Search Algorithm for Millimeter-Wave Massive MIMO Systems

Xinyu Gao, Linglong Dai외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 16.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 터보-유사 반복 프레임워크 내에서 탭우 검색(Tabu Search, TS) 알고리즘을 사용하여 mmWave 미세모드 MIMO 시스템에 대한 저복잡도, 근사 최적의 아날로그 비트포밍 기법인 Turbo-TS 비트포밍을 제안한다. TS를 통해 코드북 쌍을 지능적으로 탐색하고 반복적으로 피드백을 교환함으로써, 전체 검색(FS) 비트포밍의 복잡도의 2.1%에 불과하면서도 FS에 근접한 성능을 달성한다.

ABSTRACT

For millimeter-wave (mmWave) massive MIMO systems, the codebook-based analog beamforming (including transmit precoding and receive combining) is usually used to compensate the severe attenuation of mmWave signals. However, conventional beamforming schemes involve complicated search among pre-defined codebooks to find out the optimal pair of analog precoder and analog combiner. To solve this problem, by exploring the idea of turbo equalizer together with tabu search (TS) algorithm, we propose a Turbo-like beamforming scheme based on TS, which is called Turbo-TS beamforming in this paper, to achieve the near-optimal performance with low complexity. Specifically, the proposed Turbo-TS beamforming scheme is composed of the following two key components: 1) Based on the iterative information exchange between the base station and the user, we design a Turbo-like joint search scheme to find out the near-optimal pair of analog precoder and analog combiner; 2) Inspired by the idea of TS algorithm developed in artificial intelligence, we propose a TS-based precoding/combining scheme to intelligently search the best precoder/combiner in each iteration of Turbo-like joint search with low complexity. Analysis shows that the proposed Turbo-TS beamforming can considerably reduce the searching complexity, and simulation results verify that it can achieve the near-optimal performance.

연구 동기 및 목표

• mmWave 미세모드 MIMO 시스템에서 기존의 코드북 기반 아날로그 비트포밍의 높은 계산 복잡도를 해결한다.
• 반복 비트포밍 기법에서 내재된 신호 전송 오버헤드와 검색 복잡도를 감소시키되 스펙트럼 효율성을 저하시키지 않는다.
• 인공지능 기반 검색 기법을 활용한 저복잡도, 근사 최적의 비트포밍 솔루션을 개발한다.
• 전체 검색 비트포밍에 근접한 성능를 달성하면서도 대규모 안테나 어레이와 실용적인 RF 체인 제약 조건에 대응 가능한 확장성을 확보한다.

제안 방법

• 기지국과 사용자 간의 반복적 피드백을 교환하여 비트포밍 벡터를 정밀화하는 터보-유사 공동 검색 기법을 제안한다.
• 각 반복 단계에서 코드북 공간을 지능적으로 탐색하기 위해 탭우 검색(TS)-기반 예측/합성 알고리즘을 도입한다.
• TS 프레임워크 내에서 이웃 영역, 비용 함수, 정지 기준을 정의하여 최적의 아날로그 예측기 및 합성기 쌍을 향해 검색을 유도한다.
• 이동(move)이 아닌 정확한 해(해의 집합)를 탭우 요소로 사용하여 검색 범위를 확장하고 국소 최적값을 피한다.
• 균일 분포된 초기 해를 사용한 재시작 메커니즘을 도입하여 전역 수렴성과 성능을 향상시킨다.
• 복잡도가 양자화 비트(Bt_RF, Br_RF)와 무관하게 RF 체인 수(Nt_RF, Nr_RF)에 대해 선형으로 증가함을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탭우 검색 기반 접근법은 mmWave 미세모드 MIMO에서 코드북 기반 비트포밍의 검색 복잡도를 감소시키면서도 근사 최적의 성능를 유지할 수 있는가?
• RQ2 터보-유사 반복 피드백 메커니즘이 기존의 일회성 또는 다중 반복 기법에 비해 수렴성과 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 제안된 TS 기반 검색 기법은 스펙트럼 효율성과 복잡도 측면에서 기존의 저복잡도 비트포밍 알고리즘보다 어느 정도 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 RF 체인 수를 늘리지 않고도 더 큰 어레이(예: 32×128)로 확장할 경우 성능 향상이 유지되는가?
• RQ5 재시작 메커니즘과 탭우 정의가 전역 검색 능력을 크게 향상시키고 조기 수렴을 방지하는 데 기여하는가?

주요 결과

• 최대 반복 수(max_iter=3000), 최대 길이(max_len=600), M=5, K=4 조건에서 제안된 Turbo-TS 비트포밍은 전체 검색(FS) 비트포밍의 90% 수준의 도달 가능한 속도를 달성한다.
• SNR = 0 dB이고 Bt_RF = Br_RF = 4일 때, Turbo-TS는 7 bit/s/Hz의 성능를 기록하며, 전체 검색 비트포밍의 7.2 bit/s/Hz와 근접한 성능를 보여준다.
• Bt_RF = Br_RF = 6일 경우, 16×64 어레이에서는 도달 가능한 속도가 10.1 bit/s/Hz로 증가하고, 32×128 어레이에서는 14 bit/s/Hz에 도달하여 어레이 크기에 따른 확장성을 입증한다.
• Turbo-TS의 복잡도는 전체 검색 비트포밍의 복잡도의 2.1%에 불과하며, Nt_RF와 Nr_RF에 대해 선형으로 증가하고 Bt_RF 및 Br_RF와는 독립적이다.
• 저비용 안테나 수를 늘리는 것(예: 16×64에서 32×128로)이 RF 체인 수를 늘리는 것보다 더 뚜렷한 성능 향상을 가져오며, 하드웨어 효율성을 강조한다.
• 균일 분포된 초기 해를 사용한 재시작 메커니즘이 고차원 검색 공간에서 수렴성과 성능 향상에 기여한다.