[论文解读] Performance of Cell-Free MmWave Massive MIMO Systems with Fronthaul Compression and DAC Quantization

In-Soo Kim, Junil Choi|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2021

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 18被引用 7

一句话总结

本文提出一种针对受限于低分辨率数模转换器（DAC）和容量有限回传链路的无蜂窝毫米波大规模MIMO系统，采用最大-最小公平功率分配的迫零（ZF）预编码方案。通过保证收敛的交替优化（AO）方法，该方案最大化基于加性量化噪声模型（AQNM）推导出的最小可实现速率下界。仿真结果表明，当回传链路容量适中时（例如64 bps/Hz），即使使用4–5比特DAC，无蜂窝系统性能仍优于小小区系统，展现出能量效率和频谱效率的增益。

ABSTRACT

In this paper, the zero-forcing (ZF) precoder with max-min power allocation is proposed for cell-free millimeter wave (mmWave) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems using low-resolution digital-to-analog converters (DACs) with limited-capacity fronthaul links. The proposed power allocation aims to achieve max-min fairness on the achievable rate lower bounds of the users obtained by the additive quantization noise model (AQNM), which mimics the effect of low-resolution DACs. To solve the max-min power allocation problem, an alternating optimization (AO) method is proposed, which is guaranteed to converge because the global optima of the subproblems that constitute the original problem are attained at each AO iteration. The performance of cell-free and small-cell systems is explored in the simulation results, which suggest that not-too-small fronthaul capacity suffices for cell-free systems to outperform small-cell systems.

研究动机与目标

• 解决由低分辨率数模转换器（DAC）和容量受限回传链路引起的无蜂窝毫米波大规模MIMO系统性能限制问题。
• 设计一种功率分配策略，以最大化用户间最小可实现速率下界，确保最大-最小公平性。
• 开发一种联合考虑回传链路压缩噪声与DAC量化效应的收敛优化框架。
• 在真实硬件约束下，评估无蜂窝系统相对于传统小小区架构的频谱效率与能量效率。

提出的方法

• 提出一种结合最大-最小公平功率分配的ZF预编码器，以在硬件受限条件下平衡用户速率。
• 将回传链路压缩噪声建模为功率由回传容量C决定的加性高斯噪声。
• 应用加性量化噪声模型（AQNM）对B比特DAC引起的非线性失真进行线性化处理，其中量化因子ρ ≈ π√3 / 2·2−2B用于高分辨率近似。
• 推导每个基站的总噪声功率为Cqm = ρ(1−ρ)diag(∑k fm,kfHm,kηm,k) + (1−ρ)σ²mI，综合考虑回传链路与DAC的双重影响。
• 设计一种交替优化（AO）算法，迭代优化功率系数与预编码器分量，且每个子问题均保证全局收敛。
• 采用交替投影法满足混合波束成形架构中射频预编码器与组合器的常模约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低分辨率DAC与回传链路约束下，最大-最小公平功率分配能否提升无蜂窝毫米波大规模MIMO系统的性能？
• RQ2 在回传压缩与DAC量化双重影响下，所提出的基于AO的优化是否能收敛至全局最优解？
• RQ3 在何种回传容量与DAC分辨率下，无蜂窝MIMO系统在频谱效率与能量效率方面优于传统小小区系统？
• RQ4 在存在硬件受限条件下，系统性能如何随回传容量与DAC分辨率的提升而变化？

主要发现

• 当回传容量C = 16 bps/Hz时，无论DAC分辨率如何，无蜂窝系统性能均劣于小小区系统，表明回传链路为性能瓶颈。
• 在C = 64 bps/Hz时，当DAC分辨率B ≥ 4比特时，无蜂窝系统性能优于小小区系统，即使以无限分辨率DAC为基准也成立。
• 在C = 256 bps/Hz时，当B ≥ 4比特，无蜂窝系统实现更高的频谱效率，证实高容量回传链路可充分发挥无蜂窝系统优势。
• 在C = 32 bps/Hz与C = 64 bps/Hz时，能量效率分别在B = 4和B = 5比特时达到最大，且无蜂窝系统性能超过小小区系统。
• 所提出的AO方法在每次迭代中均收敛至全局最优解，确保最大-最小公平功率分配问题的可靠与稳定优化。