[논문 리뷰] Beamforming for Multiuser Massive MIMO Systems: Digital versus Hybrid Analog-Digital

Tadilo Endeshaw Bogale, Long Bao Le|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 02.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 16인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 아날로그-디지털 부스팅 설계를 제안하여 다중 사용자 매크로 MIMO 시스템에서 하드웨어 비용을 줄이며 디지털 부스팅 성능에 가까이 다가가도록 한다. 디지털 부스팅 솔루션을 활용해 블록 대각화를 통해 가중합평균제곱오차(WSMSE) 최소화 문제를 수립하고 압축 측정 이론을 통해 이를 해결함으로써 근사 최적의 총 대역폭을 달성한다. 주요 결과로는 다중 스트림 수를 줄이거나 RF 체인 및 ADC를 늘일 경우 하이브리드와 디지털 부스팅 간 성능 격차가 크게 좁혀진다.

ABSTRACT

This paper designs a novel hybrid (a mixture of analog and digital) beamforming and examines the relation between the hybrid and digital beamformings for downlink multiuser massive multiple input multiple output (MIMO) systems. We assume that perfect channel state information is available only at the transmitter and we consider the total sum rate maximization problem. For this problem, the hybrid beamforming is designed indirectly by considering a weighed sum mean square error (WSMSE) minimization problem incorporating the solution of digital beamforming which is obtained from the block diagonalization technique. The resulting WSMSE problem is solved by applying the theory of compressed sensing. The relation between the hybrid and digital beamformings is studied numerically by varying different parameters, such as the number of radio frequency (RF) chains, analog to digital converters (ADCs) and multiplexed symbols. Computer simulations reveal that for the given number of RF chains and ADCs, the performance gap between digital and hybrid beamformings can be decreased by decreasing the number of multiplexed symbols. Moreover, for the given number of multiplexed symbols, increasing the number of RF chains and ADCs will increase the total sum rate of the hybrid beamforming which is expected.

연구 동기 및 목표

• 디지털 부스팅의 스펙트럼 효율에 근접하는 하이브리드 아날로그-디지털 부스팅 설계를 위한 다중 사용자 매크로 MIMO 시스템을 개발한다.
• 높은 총 대역폭을 유지하면서 RF 체인과 ADC의 수를 최소화하여 하드웨어 비용을 줄인다.
• 다양한 시스템 파라미터에서 하이브리드와 디지털 부스팅 간 성능 격차를 조사한다.
• mmWave 매크로 MIMO 시스템에 대해 확장 가능하고 실용적인 부스팅 솔루션을 제공한다.

제안 방법

• 하이브리드 부스팅을 간접적으로 설계하기 위해 가중합평균제곱오차(WSMSE) 최소화 문제를 수립한다.
• 최적의 디지털 부스팅 솔루션을 참조로 삼기 위해 블록 대각화(BD)를 사용한다.
• 더 강한 스트림을 우선시하기 위해 오차 제곱의 역수 비례로 MSE 가중치를 할당한다.
• 압축 측정 이론을 활용해 도출된 WSMSE 문제를 효율적으로 최적화한다.
• 제약 조건이 있는 아날로그 위상 시프터와 제한된 RF 체인을 갖춘 하이브리드 부스팅을 구현한다.
• 다양한 신호 대 잡음비(SNR), RF 체인, ADC, 다중 스트림 수 조건에서 수치 시뮬레이션을 통해 설계를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 매크로 MIMO 시스템에서 하이브리드 부스팅을 어떻게 설계하여 디지털 부스팅의 총 대역폭 성능에 가까이 다가갈 수 있는가?
• RQ2 다중 스트림 수의 변화가 하이브리드와 디지털 부스팅 간 성능 격차에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 RF 체인과 ADC의 수가 하이브리드 부스팅 시스템의 구현 가능한 총 대역폭에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 압축 측정 이론이 다중 사용자 매크로 MIMO에서 하이브리드 부스팅을 위한 WSMSE 최소화 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 고정된 RF 체인과 ADC 수 조건에서 다중 스트림 수를 줄일 경우 하이브리드와 디지털 부스팅 간 성능 격차가 크게 감소한다.
• RF 체인과 ADC의 수를 늘일수록 하이브리드 부스팅의 총 대역폭이 향상되어 디지털 부스팅 성능에 더 가까워진다.
• SNR = -4 dB일 때, 8개의 다중 스트림 조건에서 RF 체인과 ADC를 8개에서 16개로 늘였을 경우 하이브리드 부스팅의 총 대역폭이 40에서 120 b/s/Hz로 증가한다.
• 다중 스트림 수를 줄일 경우, 조건이 제한된 RF 체인과 ADC 조건에서도 하이브리드와 디지털 부스팅 간 성능 격차가 최소화된다.
• 제안된 WSMSE 기반 하이브리드 부스팅 설계는 감소된 하드웨어 복잡도로 근사 최적의 총 대역폭 성능을 달성한다.
• 시뮬레이션 결과 하이브리드 부스팅 성능은 다양한 신호 대 잡음비와 시스템 설정에서 강인하고 확장 가능함을 확인하였다.