[论文解读] Beamforming for Multiuser Massive MIMO Systems: Digital versus Hybrid Analog-Digital

Tadilo Endeshaw Bogale, Long Bao Le|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 16被引用 19

一句话总结

本文提出了一种新型混合模拟-数字波束成形设计，用于下行链路多用户大规模MIMO系统，旨在以降低的硬件成本逼近数字波束成形的性能。通过利用逐块对角化方法获得的数字波束成形解，构建加权和均方误差（WSMSE）最小化问题，并利用压缩感知求解该问题，该方法实现了接近最优的和速率。关键结果表明，减少复用流数或增加射频链路/ADC数量可显著缩小混合波束成形与数字波束成形之间的性能差距。

ABSTRACT

This paper designs a novel hybrid (a mixture of analog and digital) beamforming and examines the relation between the hybrid and digital beamformings for downlink multiuser massive multiple input multiple output (MIMO) systems. We assume that perfect channel state information is available only at the transmitter and we consider the total sum rate maximization problem. For this problem, the hybrid beamforming is designed indirectly by considering a weighed sum mean square error (WSMSE) minimization problem incorporating the solution of digital beamforming which is obtained from the block diagonalization technique. The resulting WSMSE problem is solved by applying the theory of compressed sensing. The relation between the hybrid and digital beamformings is studied numerically by varying different parameters, such as the number of radio frequency (RF) chains, analog to digital converters (ADCs) and multiplexed symbols. Computer simulations reveal that for the given number of RF chains and ADCs, the performance gap between digital and hybrid beamformings can be decreased by decreasing the number of multiplexed symbols. Moreover, for the given number of multiplexed symbols, increasing the number of RF chains and ADCs will increase the total sum rate of the hybrid beamforming which is expected.

研究动机与目标

• 设计一种用于多用户大规模MIMO的混合模拟-数字波束成形方案，以逼近数字波束成形的频谱效率。
• 通过最小化射频链路和ADC数量来降低硬件成本，同时保持高和速率。
• 研究在不同系统参数下混合波束成形与数字波束成形之间的性能差距。
• 为毫米波大规模MIMO系统提供一种可扩展且实用的波束成形解决方案。

提出的方法

• 通过间接设计混合波束成形，构建加权和均方误差（WSMSE）最小化问题。
• 使用块对角化（BD）方法获得最优数字波束成形解，作为WSMSE权重的参考。
• 将均方误差权重设置为与数字波束成形增益平方成反比，以优先考虑更强的流。
• 利用压缩感知理论求解所得的WSMSE问题，以实现高效优化。
• 在模拟波束成形受限于相位移器和有限射频链路的条件下实现混合波束成形。
• 通过在不同信噪比（SNR）、射频链路数、ADC数量和复用流数下进行数值仿真验证设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计混合波束成形，使其在大规模MIMO系统中能紧密逼近数字波束成形的和速率性能？
• RQ2 复用数据流的数量对混合波束成形与数字波束成形之间性能差距的影响是什么？
• RQ3 射频链路数和ADC数量如何影响混合波束成形系统的可实现和速率？
• RQ4 压缩感知能否有效求解多用户大规模MIMO中混合波束成形的WSMSE最小化问题？

主要发现

• 在射频链路和ADC数量固定的情况下，显著减少复用符号数量可显著缩小混合波束成形与数字波束成形之间的性能差距。
• 增加射频链路数和ADC数量可提高混合波束成形的和速率，使其更接近数字波束成形的性能。
• 在SNR = -4 dB时，当射频链路和ADC数量从8增加到16，且复用流数为8时，混合波束成形的和速率从40 b/s/Hz提升至120 b/s/Hz。
• 即使在射频链路和ADC数量有限的情况下，当复用符号数量减少时，混合波束成形与数字波束成形之间的性能差距也最小化。
• 所提出的基于WSMSE的混合波束成形设计在降低硬件复杂度的同时实现了接近最优的和速率。
• 仿真结果证实，混合波束成形在不同信噪比和系统配置设置下均表现出鲁棒性和可扩展性。