[论文解读] Hybrid LISA for Wideband Multiuser Millimeter Wave Communication Systems under Beam Squint

José P. González-Coma, Wolfgang Utschick+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 17被引用 5

一句话总结

本文提出 Hybrid-LISA，一种针对宽带多用户毫米波系统在波束 squint 效应下的联合用户调度与混合预编码/合并器设计方法。通过利用子载波范围内的信道相似性，并迭代分配数据流以抑制干扰，该方法在低复杂度下实现了接近最优的和速率，优于忽略波束 squint 效应而假设子载波间具有公共平坦衰落信道结构的方法。

ABSTRACT

This work jointly addresses user scheduling and precoder/combiner design in the downlink of a wideband millimeter wave (mmWave) communications system. We consider Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation to overcome channel frequency selectivity and obtain a number of equivalent narrowband channels. Hence, the main challenge is that the analog preprocessing network is frequency flat and common to all the users at the transmitter side. Moreover, the effect of the signal bandwidth over the Uniform Linear Array (ULA) steering vectors has to be taken into account to design the hybrid precoders and combiners. The proposed algorithmic solution is based on Linear Successive Allocation (LISA), which greedily allocates streams to different users and computes the corresponding precoders and combiners. By taking into account the rank limitations imposed by the hardware at transmission and reception, the performance loss in terms of achievable sum rate for the hybrid approach is negligible. Numerical experiments show that the proposed method exhibits excellent performance with reasonable computational complexity.

研究动机与目标

• 解决宽带毫米波多用户系统中波束 squint 带来的挑战，其中模拟预编码器必须在所有子载波上保持平坦频率响应。
• 克服现有混合预编码方法的局限性，这些方法假设子载波间具有相同的信道结构，但在宽带操作下并不准确。
• 设计一种联合用户调度与混合预编码/合并器算法，在硬件限制（有限射频链路）下仍能保持高 spectral efficiency。
• 通过数字预编码实现子载波关断，以提高能效并适应频率选择性信道增益。
• 证明忽略波束 squint 会导致实际宽带毫米波系统中显著的性能下降。

提出的方法

• 采用迭代线性连续分配（LISA）框架，贪婪地将数据流分配给所有子载波上的用户。
• 在每次迭代中，通过最大化有效信道增益并抑制对已调度用户的干扰，选择最佳用户和子载波。
• 基于联合子载波范围内的信道响应计算频率平坦的模拟预编码器与合并器，利用波束 squint 下波束成形向量仍存在的残余相似性。
• 使用频率选择性数字预编码器消除用户间干扰，并实现子载波特定的功率分配。
• 在子载波上应用基于水填法的功率分配，允许等效增益较低的子载波（如边缘子载波）被关断。
• 引入基于子带的变体，通过在选择过程中使用每带的代表性子载波来降低计算复杂度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当假设子载波间具有公共平坦衰落信道结构时，波束 squint 如何影响宽带毫米波多用户系统中混合预编码的性能？
• RQ2 联合用户调度与混合预编码/合并器设计是否能在无需每子载波完整信道状态信息的情况下缓解波束 squint 导致的性能损失？
• RQ3 在波束 squint 条件下，子载波关断对宽带毫米波系统和速率与能效的影响如何？
• RQ4 与假设子载波间具有公共信道结构的最先进方法相比，所提出的 Hybrid-LISA 算法在和速率与复杂度方面表现如何？
• RQ5 边缘子载波由于波束 squint 导致等效信道增益降低的程度如何？可通过功率分配与子载波管理在多大程度上补偿？

主要发现

• 先前工作中采用的公共平坦衰落信道假设在宽带毫米波系统中导致显著性能下降，尤其在高带宽下更为明显。
• 所提出的 Hybrid-LISA 方法即使在波束 squint 条件下，也能实现接近完全数字预编码的和速率性能，损失可忽略不计。
• 由于波束 squint 的影响，靠近带宽边缘的子载波等效信道增益显著降低，因此更可能被关断。
• 在低信噪比下，水填法功率分配倾向于选择中心频段的子载波；而在高信噪比下，功率在子载波间分布更均匀。
• 随着带宽增大，子载波被关断的概率增加，且这些子载波主要集中在频带边缘。
• Hybrid-LISA 的子带变体在保持高性能的同时显著降低了计算复杂度，使其更适合实际部署。