[論文レビュー] Millimeter Wave Receiver Comparison Under Energy vs Spectral Efficiency Trade-off

Waqas Bin Abbas, Felipe Gómez-Cuba+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 24被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、スペクトル効率（SE）とエネルギー効率（EE）のトレードオフを考慮したミリ波システムにおけるアナログ結合（AC）、ハイブリッド結合（HC）、デジタル結合（DC）受信機の比較について、再現可能でパラメータに柔軟な手法を提案する。SEとEEの間の好みの重みを調整可能な多目的効用最適化を用い、ADCの消費電力やシステム制約に応じてDCがHCやACを上回ることを示した。これは、DCが常に高い消費電力を持つという仮定に反する。

ABSTRACT

Receivers for mmWave systems suffer from high power consumption in Analog to Digital Converters (ADC), and there is a need to compare the three major receiver architectures: Analog, Hybrid and Digital Combining (AC, HC and DC). Moreover, the specific power consumption figure of merit of ADCs varies significantly between different component designs in the literature, so that comparisons performed for one ADC model - no matter how representative of the state of the art - do not necessarily carry over to other ADC designs with different figures of merit. In this work, we formulate a comparison method between AC, HC and DC that can be easily reproduced with different power consumption parameters and provides all information for receiver architecture selection in a compact chart figure. We also present an interpretation of the receiver selection decision problem as a multi-objective utility optimization to find the best Spectral Efficiency (SE) versus Energy Efficiency (EE) trade-off. We use existing results on the achievable rate of AC, HC and DC systems and an Additive Quantization Noise Model (AQNM) of the ADC capacity degradation. For some example commercial component parameters, we show that the usually held belief that DC requires the highest power is not valid in many cases. Rather, either DC or HC alternatively result in the better SE vs EE trade-off depending strongly on the considered component parameters and on the weight assigned to SE vs EE in the utility maximization.

研究の動機と目的

• ADCの消費電力の急速な変化に伴う、アナログ・ハイブリッド・デジタル結合受信機の間の一般化可能な比較の不足に対処する。
• 過去の研究が古くなった1つのADCモデルに依存するという制限を克服し、現在および将来のハードウェアトレンドを反映する。
• 異なる部品パラメータ下でのSE対EEトレードオフを評価するための柔軟で再利用可能なフレームワークを提供する。
• SEとEEの間のユーザーの好みを調整可能な効用重みを介して統合し、最適な受信機選択を支援する。
• 最適な受信機選択（AC、HC、またはDC）が、ADCの消費電力特性およびSNRやデバイスの電力予算などのシステム制約に強く依存することを示す。

提案手法

• SEとEEのトレードオフを自由パラメータαで重み付けする多目的効用最大化問題を定式化し、ユーザーが1つの指標を優先する傾向を表現できるようにする。
• 低解像度ADCの影響を実現可能なレートとスペクトル効率に与える影響をモデル化するために、加法的量子化ノイズモデル（AQNM）を用いる。
• 現実的で可変なADC消費電力モデル（高消費電力：HPADC、中程度消費電力：IPADC、低消費電力：LPADC）を統合し、現在および将来のハードウェアトレンドを反映する。
• RFチェーン数（N_RF）、ADCビット数（b）、SNRの異なる値において、AC、HC、DCのSE対EEトレードオフを可視化するコンactで再現可能な比較表を開発する。
• 参考文献[19]からアクセス可能なWebツールを実装し、ユーザー自身の部品パラメータを用いてカスタムSE対EEトレードオフ図を生成できるようにする。
• 上行リンクおよび下行リンクの両方のシナリオを分析し、非対称なチャネル条件および異なる電力制約下での性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ADCの消費電力が変化する中で、特にADC技術の急速な進化が見られる状況において、アナログ結合、ハイブリッド結合、デジタル結合受信機の選択はどのように変化するか？
• RQ2 ADCの消費電力とシステム制約が変化する条件下で、デジタル結合（DC）がハイブリッド結合（HC）を上回る条件は何か。また、HCが優勢となる条件は何か？
• RQ3 ハイブリッド結合における最適なRFチェーン数（N_RF）は、SNRとADC解像度にどのように依存するか。また、その影響はSE対EEトレードオフにどのように現れるか？
• RQ4 単一の代表的ADCモデルに依存せず、さまざまなハードウェア設定に対応できる統一的でパラメータ化されたフレームワークを開発できるか？
• RQ5 SE対EEの間の調整可能な好み重み（α）を組み込むことで、実用的なmmWaveシステムにおける最適な受信機アーキテクチャの選択にどのような影響を与えるか？

主な発見

• デジタル結合（DC）が最も高い消費電力を要するという一般的な認識は、普遍的ではない。ADCの消費電力とシステム制約に応じて、DCはHCやACを上回る可能性がある。
• 高SNRで低消費電力ADC（LPADC）を搭載した下行リンクでは、8ビット解像度のDCがHCおよびACよりも顕著に優れたSEとEEを達成し、トレードオフを完全に解消する。
• 上行リンクでは、中程度の消費電力デバイス（3–10 W）であるピコセルベースステーションのような環境では、HCがDCよりも優れたSE対EEトレードオフを実現するが、高消費電力（≥8 W）および低消費電力（≤3 W）の領域ではDCが優勢である。
• 低SNR条件下では、アナログ結合（AC）が最高のエネルギー効率を達成するが、その代償としてスペクトル効率が50%低下するため、低SNR環境における重要なトレードオフが顕在化する。
• ハイブリッド結合における最適なRFチェーン数（N_RF）はSNRに依存する：SNRが低い場合、N_RFを過剰に増加させてもSEの向上は限界に達し、不適切な設定では性能が最適でなくなる。
• 低消費電力ADC（LPADC）では、エネルギー効率がADC解像度（b）に従って単調に増加し、SE最大化とEE最大化の設定が一致する。一方、高消費電力ADCではトレードオフが継続する。