[论文解读] Majorization-Minimization Aided Hybrid Transceivers for MIMO Interference Channels

Shiqi Gong, Chengwen Xing+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 33被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于主要化-最小化（MM）的混合波束成形设计，适用于毫米波和微波频段的MIMO干扰信道，可在单位模约束下实现低复杂度、高性能的模拟与数字波束成形。该方法在显著降低硬件复杂度和射频链路数量的同时，性能可与全数字WMMSE、BD-ZF和SLNR方案相媲美。

ABSTRACT

The potential of deploying large-scale antenna arrays in future wireless systems has stimulated extensive research on hybrid transceiver designs aiming to approximate the optimal fully-digital schemes with much reduced hardware cost and signal processing complexity. Generally, this hybrid transceiver structure requires a joint design of analog and digital processing to enable both beamsteering and spatial multiplexing gains. In this paper, we develop various weighted mean-square-error minimization (WMMSE) based hybrid transceiver designs over multiple-input multiple-output (MIMO) interference channels at both millimeter wave (mmWave) and microwave frequencies. Firstly, a heuristic joint design of hybrid precoder and combiner using alternating optimization is proposed, in which the majorization-minimization (MM) method is utilized to design the analog precoder and combiner with unit-modulus constraints. It is validated that this scheme achieves the comparable performance to the WMMSE fully-digital solution. To further reduce the complexity, a phase projection-based two-stage scheme is proposed to decouple the designs of analog and digital precoder combiner. Secondly, inspired by the fully-digital solutions based on the block-diagonalization zero-forcing (BD-ZF) and signal-to-leakage-plus-noise ratio (SLNR) criteria, low-complexity MMbased BD-ZF and SLNR hybrid designs are proposed to well approximate the corresponding fully-digital solutions. Thirdly, the partially-connected hybrid structure for reducing system hardware cost and power consumption is considered, for which the MM-based alternating optimization still works. Numerical results demonstrate the similar or superior performance of all the above proposed schemes over the existing benchmarks.

研究动机与目标

• 为解决大规模阵列中全数字MIMO波束成形带来的高硬件成本与复杂度问题。
• 设计一种混合波束成形器，以在减少射频链路数量和单位模模拟预编码/合并约束下逼近最优全数字波束成形性能。
• 利用MM优化方法，为毫米波与微波MIMO干扰信道开发低复杂度、可扩展的解决方案。
• 通过基于MM的优化，将现有的全数字波束成形准则——WMMSE、BD-ZF和SLNR——扩展至混合架构。
• 评估部分连接混合结构下的性能，以实现能效提升与硬件成本降低。

提出的方法

• 采用主要化-最小化（MM）算法，在单位模约束下迭代优化模拟预编码器与合并器，确保收敛性并实现接近全数字基准的性能。
• 提出一种两阶段方案，将模拟与数字处理解耦：首先通过MM优化模拟波束成形器，随后优化数字预编码器/合并器以抑制干扰。
• 利用基于MM的交替优化方法，将全数字WMMSE、BD-ZF和SLNR解映射至混合设计，以在降低复杂度的同时保持性能。
• 将MM方法应用于部分连接混合结构，实现能效波束成形，性能接近全连接设计。
• 采用矩阵分解与奇异值分解（SVD）建模大规模毫米波信道，并推导渐近收敛行为。
• 通过渐近分析证明：当阵元数量增加时，所提出的混合预编码器收敛至最优全数字BD-ZF解。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于MM的优化能否在单位模模拟波束成形器下实现接近最优的混合MIMO波束成形性能？
• RQ2 所提出的两阶段设计在复杂度与性能方面相较于联合优化有何差异？
• RQ3 基于MM的混合设计在多大程度上可逼近全数字WMMSE、BD-ZF和SLNR解？
• RQ4 与现有混合波束成形基准相比，所提方案在毫米波与微波MIMO干扰信道中能带来多大性能增益？
• RQ5 相较于全连接设计，部分连接混合结构在性能与硬件效率方面有何影响？

主要发现

• 所提出的基于MM的联合设计即使在射频链路减少的情况下，性能仍可与最优全数字WMMSE解相媲美。
• 两阶段相位投影方案显著降低了复杂度，同时保持了接近全数字基准的性能。
• 基于MM的BD-ZF与SLNR混合设计能良好逼近其全数字对应方案，尤其在高信噪比与大规模阵列场景下表现更优。
• 部分连接混合结构在降低硬件成本与功耗的同时保持了优异性能，在渐近大规模MIMO场景下表现出接近最优的行为。
• 渐近分析证实：当阵元数量趋于无穷时，所提出的混合预编码器收敛至最优全数字BD-ZF解。
• 数值结果表明，所有所提方案在频谱效率与干扰抑制方面均优于或匹配现有基准。