[論文レビュー] Reduced Switching Connectivity for Power-Efficient Large Scale Antenna Selection.

Adrián García‐Rodríguez, Christos Masouros+1 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、マスティブ MIMO アンテナ選択システムにおける完全に柔軟なスイッチングマトリクスの代替として、部分的に接続されたRFスイッチングネットワークを提案する。スイッチング接続性を低減させることで、挿入損失およびスイッチング損失を最小限に抑え、特にRFチェーン数が少ない場合に優れたエネルギー効率を達成する。同時に、チャネルパワーに基づく信号処理により高いスペクトル効率を維持する。

ABSTRACT

In this paper, we explore reduced-connectivity radio frequency (RF) switching networks for reducing the analog hardware complexity and switching power losses in antenna selection (AS) systems. In particular, we analyze different hardware architectures for implementing the RF switching matrices required in AS designs with a reduced number of RF chains. We explicitly show that fully-flexible switching matrices, which facilitate the selection of any possible subset of antennas and attain the maximum theoretical sum rates of AS, present numerous drawbacks such as the introduction of significant insertion losses, particularly pronounced in massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems. Since these disadvantages make fully-flexible switching suboptimal in the energy efficiency sense, we further consider partially-connected switching networks as an alternative switching architecture with reduced hardware complexity, which we characterize in this work. In this context, we also analyze the impact of reduced switching connectivity on the analog hardware and digital signal processing of AS schemes that rely on channel power information. Overall, the analytical and simulation results shown in this paper demonstrate that partially-connected switching maximizes the energy efficiency of massive MIMO systems for a reduced number of RF chains, while fully-flexible switching offers sub-optimal energy efficiency benefits due to its significant switching power losses.

研究の動機と目的

• マスティブ MIMO アンテナ選択システムにおける完全に柔軟なRFスイッチングマトリクスの高いエネルギー消費とハードウェアの複雑さに対処すること。
• RFスイッチングアーキテクチャにおけるスイッチングの柔軟性、挿入損失、およびエネルギー効率のトレードオフを分析すること。
• 完全に柔軟な設計と比較して、低複雑性の代替手段としての部分的接続スイッチングネットワークの性能を評価すること。
• チャネルパワー情報に基づくアナログハードウェアおよびデジタル信号処理への、スイッチング接続性の低減が及ぼす影響を特徴付けること。
• RFチェーン数が限られているマスティブ MIMO システムにおいて、部分的接続スイッチングがエネルギー効率を最大化できることを示すこと。

提案手法

• アンテナ選択に適したさまざまなRFスイッチングネットワークアーキテクチャ（完全に柔軟な構成と部分的接続構成を含む）を分析すること。
• 特にアンテナ数が多いマスティブ MIMO システムにおける完全に柔軟なスイッチングマトリクスの挿入損失をモデル化すること。
• アクティブなRFスイッチと接続数を削減するために、部分的接続スイッチングネットワークを設計すること。
• フィードバックオーバーヘッドを最小限に抑えるために、デジタル信号処理にチャネルパワー情報を利用するシステム性能の評価。
• 完全に柔軟なスイッチングと部分的接続スイッチングアーキテクチャの間で、エネルギー効率とスペクトル効率を比較すること。
• 解析的導出とシミュレーションを用いて、ハードウェアの複雑さ、スイッチング損失、および和レート性能の間のトレードオフを定量化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に柔軟なRFスイッチングマトリクスにおける挿入損失は、マスティブ MIMO システムのエネルギー効率にどのように影響するか？
• RQ2 アンテナ選択アーキテクチャにおいて、スイッチングの柔軟性とエネルギー効率の間にはどのような性能的トレードオフがあるか？
• RQ3 RFチェーン数が限られているマスティブ MIMO システムにおいて、部分的接続スイッチングネットワークは完全に柔軟な設計を上回るエネルギー効率を達成できるか？
• RQ4 スイッチング接続性の低減は、アンテナ選択システムにおけるアナログハードウェアおよびデジタル信号処理の複雑さにどのように影響するか？
• RQ5 大規模 MIMO システムにおいてエネルギー効率を最大化する最適なスイッチングアーキテクチャは何か？

主な発見

• 完全に柔軟なスイッチングマトリクスは、特にマスティブ MIMO システムにおいて顕著な挿入損失を引き起こし、理論的最大和レートを達成できる反面、エネルギー効率を著しく低下させる。
• 部分的接続スイッチングネットワークは、ハードウェアの複雑さとスイッチング損失を低減させることで、完全に柔軟な設計と比較してエネルギー効率が向上する。
• RFチェーン数が限られている場合に特に顕著に、部分的接続アーキテクチャは完全に柔軟なスイッチングよりも高いエネルギー効率を達成する。
• チャネルパワーに基づく信号処理と組み合わせることで、スイッチング接続性の低減はスペクトル効率にほとんど影響を与えず、高い和レートを維持できる。
• 提案された部分的接続スイッチングアーキテクチャは、RFチェーン数を削減したマスティブ MIMO システムにおいてエネルギー効率を最適化するものである。
• シミュレーションおよび解析的結果から、エネルギー効率が部分的接続スイッチングによって最大限に達成され、低減した電力損失とハードウェア要件によるものであることが確認された。