[論文レビュー] Quantized Precoding for Multi-Antenna Downlink Channels with MAGIQ

Andrei Nedelcu, Fabian Steiner+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、1次元あたり1ビット解像度を有する多アンテナ下行リンクチャネルを対象とした、グリーディで反復的な量子化プリコーディング手法MAGIQを提案する。MAGIQは非凸なプリコーディング問題を低次元の部分問題に分解し、ADMMと同等の情報レートを達成するとともに、16-QAM や 64-QAM といった高次変調方式においてQLP や SQUID を上回る性能を示し、周波数選択的OFDMシステムにおいては最小限の性能損失に抑えている。

ABSTRACT

A multi-antenna, greedy, iterative, and quantized (MAGIQ) precoding algorithm is proposed for downlink channels. MAGIQ allows a straightforward integration with orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM). MAGIQ is compared to three existing algorithms in terms of information rates and complexity: quantized linear precoding (QLP), SQUID, and an ADMM-based algorithm. The information rate is measured by using a lower bound for finite modulation sets, and the complexity is measured by the number of multiplications and comparisons. MAGIQ and ADMM achieve similar information rates with similar complexity for Rayleigh flat-fading channels and one-bit quantization per real dimension, and they outperform QLP and SQUID for higher order modulation.

研究の動機と目的

• 粗い量子化を伴う massive MIMO 下行リンクシステムにおける低解像度プリコーディングの課題に対処すること。
• 非凸で離散的なプリコーディング問題を効率的に解く低複雑度の反復的アルゴリズムの開発。
• 周波数選択的 fading チャネル向けに OFDM とシームレスに統合すること。
• 1ビット ADC/DAC や低複雑度のパワー増幅器といった実用的ハードウェア制約下でも高いスペクトル効率を達成すること。
• 既存の量子化プリコーディング方式に比べ、高次変調方式において優れた性能-複雑度トレードオフを実現すること。

提案手法

• MAGIQは、高次元の非凸プリコーディング問題を低次元の部分問題に分解するグリーディで反復的なアプローチを採用する。
• 各反復で、他のプリコーディングベクトルを固定した状態で、1ユーザー分のプリコーディングベクトルを最適化し、量子化された信号.constellation を用いる。
• 2^b レベルの位相シフトオンativeプリコーディングアルファベットを採用し、1次元あたり1ビット解像度とするために b = 2 を設定する。
• 収束を高速化するために、量子化されたマッチドフィルタ解を初期値として用いる。
• 周波数選択的チャネルの場合、離散アルファベット制約を強制するためにドメイン変換を回避するため、時間領域で動作する。
• 達成可能な情報レートの下限を計算するために、不一致デコードフレームワークを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グリーディで反復的なアルゴリズムは、1次元あたり1ビット解像度のもとで massive MIMO 下行リンクで高いスペクトル効率を達成できるか？
• RQ2 16-QAM や 64-QAM といった高次変調方式において、MAGIQ は QLP、SQUID、ADMM を用いたプリコーディングと比較して、性能と複雑度の面でどのように差をつけるか？
• RQ3 OFDM と統合された場合、MAGIQ は周波数選択的 fading チャネルにおいてどれほど性能を維持できるか？
• RQ4 OFDM システムにおいて、MAGIQ の時間領域での動作は周波数領域手法と比較して性能損失を避けるか？
• RQ5 プリコーディング係数 α の適応的チューニングにより、複雑度を増加させることなく性能を向上させられるか？

主な発見

• QPSK では、MAGIQ は無限解像度 ZF ベンチマークと 0.25 dB 以内のスペクトル効率を達成し、SQUID-α および ADMM と同等の性能を示した。
• 16-QAM では、MAGIQ と ADMM は同等のレートを達成し、QLP-MF や QLP-ZF を上回った。SQUID-α も競争力はあったが、高SNRでは最大レートに達しなかった。
• 64-QAM では、MAGIQ と ADMM が同等の性能を示したのに対し、QLP と SQUID は顕著な性能劣化を示した。
• 周波数選択的 OFDM チャネルでは、MAGIQ は平坦フェージングの場合と比較して 3.0 bpcu で約 0.25 dB の損失にとどまり、ロバスト性を示した。
• アンテナ数を 1.5 から 1.7 倍に増加させることで、1ビット量子化の影響を相殺し、74～94アンテナで ZF と同等の性能を達成できた。
• 受信機がプリコーディング係数を把握しない Scenario 3 のMAGIQは、Scenario 1 とほぼ同等の性能を示し、高精度な性能を達成するためには受信機側の係数情報が必須ではないことが示された。