[論文レビュー] MmWave Amplify-and-Forward MIMO Relay Networks with Hybrid Precoding/Combining Design

Lisi Jiang, Hamid Jafarkhani|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、2段階の手法を用いて、mmWaveのアンプアンドフォワードMIMOリレーネットワークにおける低複雑性ハイブリッドビームフォーミング/コンビニング設計を提案する。まず、RF位相のみのビームフォーミングによりチャネルの固有モードを整合化し、次に、送信側およびリレーノードにおける重み付きMMSEに基づくベースバンドプレコーディング/コンビニング最適化により相互情報量を最大化する。本手法は、先行研究と比較して、より低い複雑性で優れたスペクトル効率を達成し、チャネル状態情報（CSI）の不正確さに対しても高いロバスト性を示す。

ABSTRACT

In this paper, we consider the amplify-and-forward relay networks in mmWave systems and propose a hybrid precoder/combiner design approach. The phase-only RF precoding/combining matrices are first designed to support multi-stream transmission, where we compensate the phase for the eigenmodes of the channel. Then, the baseband precoders/combiners are performed to achieve the maximum mutual information. Based on the data processing inequality for the mutual information, we first jointly design the baseband source and relay nodes to maximize the mutual information before the destination baseband receiver. The proposed low-complexity iterative algorithm for the source and relay nodes is based on the equivalence between mutual information maximization and the weighted MMSE. After we obtain the optimal precoder and combiner for the source and relay nodes, we implement the MMSE-SIC filter at the baseband receiver to keep the mutual information unchanged, thus obtaining the optimal mutual information for the whole relay system. Simulation results show that our algorithm achieves better performance with lower complexity compared with other algorithms in the literature. In addition, we also propose a robust joint transceiver design for imperfect channel state information.

研究の動機と目的

• 大きなRFチェーン数を要するため、mmWave MIMOリレーシステムにおける高コスト・高複雑性の課題に対処すること。
• RFチェーン数を削減しながら高いスペクトル効率を維持するハイブリッドアナログ/デジタルプレコーディング/コンビニング方式を設計すること。
• 送信ノードおよびリレーノードにおける共同ベースバンドプレコーダとコンビナー設計により、リレーシステムの相互情報量を最大化すること。
• 不完全なチャネル状態情報（CSI）によって引き起こされる性能劣化を軽減するためのロバストな受信機設計を開発すること。

提案手法

• ソース-リレーおよびリレー-受信機チャネルを特異値分解（SVD）により並列サブチャネルに分解する。
• 各固有モードの位相を補償するため、位相のみのRFプレコーダとコンビナーを設計し、マルチストリーム伝送を可能にする。
• 相互情報量の最大化を目的として、ベースバンドプレコーディングおよびコンビニング設計を重み付き最小平均二乗誤差（WMMSE）最適化問題として定式化する。
• 相互情報量最大化とWMMSE最小化の等価性に基づく反復的アルゴリズムを用い、送信側およびリレーノードのベースバンドフィルタを共同最適化する。
• 受信側ベースバンド受信機でMMSE逐次干渉キャンセレーション（MMSE-SIC）を実装し、リレーで達成された相互情報量を保持する。
• WMMSE最適化にチャネル推定誤差の共分散モデルを組み込むことで、不完全なCSI下でも性能が安定するロバストな設計に拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RFチェーン数を削減したmmWaveアンプアンドフォワードMIMOリレーネットワークにおいて、ハイブリッドプレコーディング/コンビニングをどのように設計すれば相互情報量を最大化できるか？
• RQ2 本手法と比較して、WMMSEベースのベースバンド最適化は、従来のMMSEやOMPに基づく手法に比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ3 既存のSDPやADMMに基づく手法と比較して、本アルゴリズムは計算複雑性をどのように低減しながらスペクトル効率を高い水準に維持しているか？
• RQ4 チャネル推定誤差がシステム性能にどの程度悪影響を及ぼすか、そしてロバスト性を受信機設計に体系的に組み込むにはどうすればよいか？
• RQ5 本手法は、完全接続型および部分接続型のハイブリッドプレコーディングアーキテクチャの両方に対して効果的に拡張可能か？

主な発見

• 提案されたWMMSEベースの反復的アルゴリズムは、従来のMMSEおよびOMPベースの手法よりも高いスペクトル効率を達成し、特に高SNR領域で顕著な性能向上を示す。
• ADMMおよびSDPベースの手法と比較して、計算複雑性を顕著に低減しながら、ほぼ最適な相互情報量性能を維持する。
• 不完全なCSI下でも、非ロバストな手法に比べてロバスト設計が優れた性能を示す。特に高SNRでは推定誤差がノイズを上回り、深刻な性能劣化を引き起こすが、本手法はその影響を緩和する。
• σ²ₑ = 0.1の条件下では、非ロバスト手法は完全なCSI時のレートの半分にまで劣化するが、本手法のロバスト設計はあらゆる誤差レベルで高い性能を維持する。
• テストされた誤差分散のすべての条件下で、[23]のOMPアルゴリズムよりも本手法が優れた性能を示し、ロバスト性およびスペクトル効率の面で優位性を確認した。
• 受信側で実装されたMMSE-SICフィルタにより、ベースバンド処理後の相互情報量が保持されることを確認し、全体の設計の最適性を裏付けた。