[論文レビュー] Multi-user Precoding and Channel Estimation for Hybrid Millimeter Wave Systems

Lou Zhao, Derrick Wing Kwan Ng+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、RFチェーン数がアンテナ数に比べて著しく少ないハイブリッドミリ波（mmWave）システムにおける低複雑性のチャネル推定およびマルチユーザー・プレコーディング手法を提案する。複数の周波数トーンを用いて主要な電波入射角（AoA）を推定し、これらの方向に直交パイロットを用いることで、正確なチャネル推定とデジタルゼロフォース（ZF）プレコーディングを実現する。これにより、ハードウェアの不具合や推定誤差に対してロバストである近似完全デジタル性能が達成される。

ABSTRACT

In this paper, we develop a low-complexity channel estimation for hybrid millimeter wave (mmWave) systems, where the number of radio frequency (RF) chains is much less than the number of antennas equipped at each transceiver. The proposed mmWave channel estimation algorithm first exploits multiple frequency tones to estimate the strongest angle-of-arrivals (AoAs) at both base station (BS) and user sides for the design of analog beamforming matrices. Then all the users transmit orthogonal pilot symbols to the BS along the directions of the estimated strongest AoAs in order to estimate the channel. The estimated channel will be adopted to design the digital zero-forcing (ZF) precoder at the BS for the multi-user downlink transmission. The proposed channel estimation algorithm is applicable to both nonsparse and sparse mmWave channel environments. Furthermore, we derive a tight achievable rate upper bound of the digital ZF precoding with the proposed channel estimation algorithm scheme. Our analytical and simulation results show that the proposed scheme obtains a considerable achievable rate of fully digital systems, where the number of RF chains equipped at each transceiver is equal to the number of antennas. Besides, by taking into account the effect of various types of errors, i.e., random phase errors, transceiver analog beamforming errors, and equivalent channel estimation errors, we derive a closed-form approximation for the achievable rate of the considered scheme. We illustrate the robustness of the proposed channel estimation and multi-user downlink precoding scheme against the system imperfection.

研究の動機と目的

• RFチェーン数がアンテナ数に比べて著しく少ないハイブリッドmmWaveシステムにおける効率的なチャネル推定の課題に対処すること。
• RFチェーン数の制限により従来のパイロット支援手法が適用できないという制限を克服すること。
• スパースでないmmWaveチャネルにも適用可能な、チャネル推定およびプレコーディングフレームワークを設計すること。
• 位相エラーおよびビームフォーミングの不正確さを含む実用的なハードウェアの不具合に対しても、高い性能を維持すること。
• トレーニングオーバーヘッドとフィードバック信号の最小化を実現しつつ、完全デジタルシステムに近い高いスペクトル効率を達成すること。

提案手法

• 初期アナログビームフォーミング設計のため、基地局およびユーザー端末における最も強い電波入射角（AoA）を推定するために複数の周波数トーンを活用する。
• 推定されたAoA方向に沿って送信される直交パイロット記号を用いて、基地局における等価ベースバンドチャネルを推定する。
• 推定されたチャネルを用いて基地局でデジタルゼロフォース（ZF）プレコーディングを適用し、マルチユーザー干渉を抑制する。
• ランダム位相エラー、アナログビームフォーミングエラー、およびチャネル推定エラーの複合効果を考慮した、実現可能レートの閉形式近似を導出する。
• 不完全なチャネル状態情報下での有効プレコーダーの表現を簡略化するため、行列逆行列の近似を導入する。
• 導出したチャネル推定手法を用いた、提案されたZFプレコーディング方式の実現可能レートに対するタイトな上界を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の周波数トーンと直交パイロットを効果的に活用する低複雑性のチャネル推定手法を、ハイブリッドmmWaveシステムに設計可能か？
• RQ2 提案されたチャネル推定手法は、スパースおよび非スパースのmmWaveチャネル環境の両方でどのように性能を発揮するか？
• RQ3 制限されたRFチェーン数のもとで、提案されたプレコーディングおよび推定手法が、完全デジタルシステムに近いスペクトル効率をどの程度達成できるか？
• RQ4 位相ノイズやビームフォーミングエラーを含む現実的なハードウェアの不具合が、システム性能にどの程度の悪影響を及ぼすか？
• RQ5 複合エラー下でのシステムの実現可能レートは何か？ また、性能解析のための閉形式近似を導出可能か？

主な発見

• 提案されたチャネル推定およびプレコーディング手法は、RFチェーン数が著しく削減されていながらも、完全デジタルシステムとほぼ同等の実現可能レートを達成する。
• 本手法はスパースおよび非スパースのmmWaveチャネルの両方で高いスペクトル効率を維持し、広範な適用可能性を示す。
• ランダム位相エラー、アナログビームフォーミングエラー、および等価チャネル推定エラーを考慮した実現可能レートの閉形式近似が導出された。
• システムはハードウェアの不具合に対して強く、性能劣化が導出された解析的近似でよく予測される。
• 導出された実現可能レートの上界はタイトであり、実用的条件下でのシステム性能を正確に反映している。
• 主なAoAに焦点を当て、これらの方向に直交パイロットを用いることで、トレーニングオーバーヘッドが削減され、マルチユーザー環境における効率性が向上する。