[论文解读] Adaptive Gradient Search Beamforming for Full-Duplex mmWave MIMO Systems

Elyes Balti|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2020

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 22被引用 12

一句话总结

该论文提出了一种用于全双工毫米波MIMO系统的自适应梯度上升波束成形算法，旨在单位范数和恒定幅度（CA）约束下最大化和速率，实现接近最优的频谱效率。该方法采用自适应步长以确保在不同初始条件下均能收敛，并将CA引起的速率损失降低至约0.5 bit/s/Hz，从而在有利条件下实现相较于半双工模式高达101%的频谱效率增益。

ABSTRACT

In this work, we present a framework analysis of full-duplex (FD) systems for Millimeter Wave (mmWave) analog architecture. Given that FD systems can double the ergodic capacity, such systems experience large losses caused by the loopback self-interference (SI). In addition, systems with analog architecture also suffer from other forms of losses mainly incurred by the constant amplitude (CA) constraint. For this purpose, we propose the projected Gradient Ascent algorithm to maximize the sum rate under the unit-norm and CA constraints. Unlike previous works, our approach achieves the best spectral efficiency while minimizing the losses incurred by the CA constraint. We also consider an adaptive step size to compensate for the perturbations that may affect the cost function during the optimization. The results will show that the proposed algorithm converges to the same optimal value for different initializations while the number of iterations required for the convergence changes for each case. In this context, we primarily consider the gradient search method for a two-nodes FD systems and then we extend the analysis for a dual-hop FD relaying systems. Finally, we evaluate the robustness of our method in terms of rate and outage probability and compare with previous approaches.

研究动机与目标

• 解决全双工（FD）毫米波MIMO系统中，由于模拟波束成形的恒定幅度（CA）约束所导致的显著频谱效率损失问题。
• 开发一种鲁棒的波束成形算法，以在FD毫米波系统中最大化和速率，同时最小化CA约束和自干扰（SI）带来的损失。
• 通过自适应步长调节，确保在不同初始波束成形器条件下均具备收敛性和性能鲁棒性。
• 将该方法从两节点FD系统扩展至双跳FD中继系统，并从频谱效率、中断概率和误码率等方面评估其性能。
• 证明所提方法在CA约束下可实现接近全数字波束成形的频谱效率，且与之差距极小。

提出的方法

• 提出一种投影梯度上升算法，在单位范数和CA约束下最大化频谱效率，其代价函数基于全双工毫米波MIMO系统的和速率推导得出。
• 引入自适应步长，以动态调整优化步长，提升在代价函数扰动下的收敛鲁棒性。
• 采用几何信道建模方法，通过簇和射线模型分解自干扰（SI），利用球面波近似将SI分解为Line-of-Sight（LOS）和非LOS（NLOS）分量，适用于共址收发器。
• 将梯度搜索方法应用于两节点FD系统和双跳FD中继系统，分别构建频谱效率、中断概率和误码率等性能指标。
• 采用两种波束成形器初始化策略：基于SVD的（信道感知）和基于高斯分布的（盲初始化），以评估收敛速度与性能权衡。
• 实施一种改进的波束成形设计，综合考虑自干扰消除和CA约束，与全数字基准相比显著降低速率退化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化全双工毫米波MIMO系统中的波束成形，以最小化由恒定幅度（CA）约束引起的频谱效率损失？
• RQ2 自适应步长在不同波束成形器初始化策略下，能在多大程度上提升收敛鲁棒性？
• RQ3 所提波束成形算法相较于半双工（HD）系统，在高自干扰（SI）条件下可实现多大的频谱效率增益？
• RQ4 在双跳FD中继系统中，该算法相较于传统波束成形技术，在中断概率和误码率方面表现如何？
• RQ5 所提方法是否能在CA约束下实现接近全数字波束成形的性能？其对应的速率差距是多少？

主要发现

• 所提自适应梯度上升算法无论初始波束成形器如何，均能收敛至相同的最优频谱效率，表明其对初始条件具有高度鲁棒性。
• 与高斯初始化相比，基于SVD的初始化可将收敛迭代次数减少最多30%，因其嵌入了信道先验知识。
• 对于SIR = 0 dB的近点用户，在0 dB SNR条件下，FD系统相较HD模式的速率增益高达101.31%，表明频谱效率显著提升。
• 对于SIR = -60 dB的边缘用户，在-30 dB SNR条件下，速率增益降至-99.986%，表明自干扰功率已超过噪声底限，导致FD通信失效。
• 该算法将CA引起的速率损失降低至约0.5 bit/s/Hz，仅需约2 dB的SNR提升即可补偿该损失。
• 在0 dB和10 dB SNR条件下，该方法使FD系统对近点用户的速率超过HD系统的两倍，凸显其在低自干扰环境下的高效性。