[논문 리뷰] Hybrid Precoding in Millimeter Wave Systems: How Many Phase Shifters Are Needed?

Xianghao Yu, Jun Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 26.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 mmWave 시스템을 위한 고정된 위상 이동자(hybrid precoding) 아키텍처인 고정 위상 이동자(FPS)를 제안하며, 고정된 양자화된 위상만을 사용함으로써 하드웨어 복잡도를 극적으로 감소시킨다. 동적 스위치 네트워크와 폐형 해법을 가진 교대 최소화(AltMin) 알고리즘을 통합함으로써, 실용적인 상황에서 RF 체인당 약 10개의 위상 이동자만으로도 완전한 디지털 프리코딩 수준에 가까운 스펙트럼 효율성을 달성한다.

ABSTRACT

Hybrid precoding has been recently proposed as a cost-effective transceiver solution for millimeter wave (mm-wave) systems. The analog component in such precoders, which is composed of a phase shifter network, is the key differentiating element in contrast to conventional fully digital precoders. While a large number of phase shifters with unquantized phases are commonly assumed in existing works, in practice the phase shifters should be discretized with a coarse quantization, and their number should be reduced to a minimum due to cost and power consideration. In this paper, we propose a new hybrid precoder implementation using a small number of phase shifters with quantized and fixed phases, i.e., a fixed phase shifter (FPS) implementation, which significantly reduces the cost and hardware complexity. In addition, a dynamic switch network is proposed to enhance the spectral efficiency. Based on the proposed FPS implementation, an effective alternating minimization (AltMin) algorithm is developed with closed-form solutions in each iteration. Simulation results show that the proposed algorithm with the FPS implementation outperforms existing ones. More importantly, it needs much fewer phase shifters than existing hybrid precoder proposals, e.g., $\sim$10 fixed phase shifters are sufficient for practically relevant system settings.

연구 동기 및 목표

• 무한정 또는 미세하게 양자화된 위상 값을 갖는 다수의 위상 이동자가 필요한 기존 하이브리드 프리코더의 높은 하드웨어 비용과 전력 소모 문제를 해결하기 위해.
• 고해상도 위상 이동자를 가정하는 기존 하이브리드 프리코딩 설계의 한계를 극복하기 위해, mmWave 시스템에서는 하드웨어 복잡도로 인해 실용적이지 않은 고해상도 위상 이동자를 배제하기 위해.
• 최소한의 위상 이동자 수와 고정 위상 이동자를 사용하면서도 높은 스펙트럼 효율성을 유지하는 저복잡도, 저비용의 하이브리드 프리코딩 아키텍처를 개발하기 위해.
• 고정 위상 이동자로 인한 성능 손실을 상보적으로 보완하기 위해, 적응형 위상 제어 없이도 유연한 비드포밍을 가능하게 하는 동적 스위치 네트워크를 도입하기 위해.
• 고정 위상 제약 조건 하에서 스위치 네트워크와 디지털 프리코더를 동시에 최적화하기 위한 교대 최소화(AltMin) 알고리즘을 설계하며, 이 알고리즘은 폐형 해법을 제공한다.

제안 방법

• 프로그래밍 가능한 위상 이동자가 아닌 고정된 양자화된 위상 값을 갖는 새로운 고정 위상 이동자(FPS) 구현 방식을 제안하여 하드웨어 비용과 전력 소모를 크게 감소시킨다.
• 위상 이동자와 RF 체인/안테나 간의 재구성 가능한 연결을 가능하게 하는 동적 스위치 네트워크를 도입하여, 위상 적응이 필요 없이도 비드포밍의 유연성을 확보한다.
• 디지털 베이스밴드 프리코더와 스위치 네트워크를 동시에 최적화하기 위해 교대 최소화(AltMin) 알고리즘을 개발하며, 스위치 매트릭스의 대규모 이진 제약 조건을 다루기 위해 서브티튜트 상한을 사용한다.
• 최적화 문제의 구조와 위상 값의 순서를 활용하여 각 반복에서 스위치 매트릭스와 디지털 프리코더에 대한 폐형 해법을 유도한다.
• 벡터화와 간격 기반 최적화를 활용하여 비볼록 문제인 최적의 위상 값과 스위치 매핑 선택을 효율적으로 해결하며, 최적의 스위치 상태가 목표 위상 값에 가까운지에 따라 결정된다는 사실을 활용한다.
• 이차 근사와 간격 분석을 적용하여 평균 제곱오차를 최소화하는 최적의 고정 위상 값 α를 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실용적인 하드웨어 제약 조건 하에서 mmWave 시스템의 하이브리드 프리코더에서 near-optimal 스펙트럼 효율성을 달성하기 위해 필요한 위상 이동자 수는 얼마인가?
• RQ2 동적 스위치 네트워크를 갖춘 고정 위상 이동자 아키텍처가 하드웨어 복잡도를 극적으로 줄이면서도 완전한 디지털 프리코딩 수준에 가까운 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ3 위상 이동자가 프로그래밍 가능한 것이 아니라 고정된 양자화된 위상 값을 갖는 경우, 스위치 네트워크와 디지털 프리코더를 최적화하는 가장 효과적인 방법은 무엇인가?
• RQ4 고정 위상 및 이진 스위치 제약 조건 하에서 폐형 해법을 갖춘 교대 최소화 알고리즘을 하이브리드 프리코딩에 적용할 수 있는가?
• RQ5 제안된 FPS 기반 하이브리드 프리코더의 성능은 기존 하이브리드 프리코딩 기법과 비교해 스펙트럼 효율성과 위상 이동자 수 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• 동적 스위칭을 갖춘 제안된 FPS 하이브리드 프리코더는 RF 체인당 약 10개의 고정 위상 이동자만으로도 완전한 디지털 프리코딩 수준에 매우 가까운 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 기존 설계 대비 요구되는 위상 이동자 수가 극적으로 감소한다 — 예를 들어, 이전 연구에서 RF 체인당 40개가 필요로 했던 것을 제안된 방법에서는 실용적 시스템 설정에서 약 10개로 줄였다.
• 폐형 해법을 갖춘 교대 최소화(AltMin) 알고리즘이 효율적으로 수렴하며 근사 최적 성능을 제공한다. 각 반복에서 스위치 매트릭스와 디지털 프리코더가 모두 폐형으로 해결된다.
• 동적 스위치 네트워크는 고정 위상 이동자로 인한 성능 손실을 효과적으로 상쇄하여, 적응형 위상 제어 없이도 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 이론적 분석을 통해 최적의 위상 값 α가 순서가 정렬된 위상 값으로 정의된 간격 내에 존재하며, 알고리즘이 이러한 간격을 효율적으로 탐색하여 전역 최소값을 찾을 수 있음을 증명한다.
• 시뮬레이션 결과는 FPS-AltMin 알고리즘이 기존 하이브리드 프리코딩 방법보다 스펙트럼 효율성에서 뛰어나면서도 낮은 하드웨어 복잡도를 유지함을 확인한다.