[论文解读] Constant-Envelope Multi-User Precoding for Frequency-Selective Massive MIMO Systems

Saif Khan Mohammed, Erik G. Larsson|arXiv (Cornell University)|May 7, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 4被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种用于频率选择性大规模MIMO下行链路系统的低复杂度恒包络（CE）预编码算法，其中每个基站（BS）天线以固定幅度传输信号，从而支持高效率的非线性功率放大器（PA）。该方法联合优化时域上的相位偏移，以抑制多用户干扰，仅需比总平均功率受限系统多1.0 dB的发射功率，即可实现近似最优性能，同时在天线数量增加时保持O(N)阵列增益。

ABSTRACT

We consider downlink precoding in a frequency-selective multi-user Massive MIMO system with highly efficient but non-linear power amplifiers at the base station (BS). A low-complexity precoding algorithm is proposed, which generates constant-envelope (CE) signals at each BS antenna. To achieve a desired per-user information rate, the extra total transmit power required under the per-antenna CE constraint when compared to the commonly used less stringent total average transmit power constraint, is small.

研究动机与目标

• 为解决非线性功率放大器（PA）要求恒包络（CE）输入以避免失真的大规模MIMO系统中，实现高效下行链路传输的挑战。
• 设计一种低复杂度的预编码算法，确保在频率选择性衰落信道中每个天线的恒包络传输，其中信道记忆效应使信号设计更加复杂。
• 评估所提出的CE预编码与传统总平均功率约束（TAPC）之间的性能差距，特别是在实现目标遍历速率所需的发射功率方面。
• 证明即使在严格的每根天线CE约束下，所提方法仍能实现显著的阵列增益（每双倍天线数，发射功率降低3 dB）。

提出的方法

• 系统模型考虑基站（BS）有N根天线、M个单天线用户的大规模MIMO下行链路，信道具有L抽头的频率选择性衰落特性。
• 每根BS天线的发射信号被约束为恒包络：$ x_i[t] = \sqrt{P_T/N} \, e^{j\theta_i[t]} $，确保无论相位如何变化，信号幅度保持恒定。
• 预编码算法联合优化时域上的相位偏移 $ \theta_i[t] $，以最小化接收信号在无噪声情况下的误差，使其接近期望用户符号，从而有效抑制多用户干扰（MUI）。
• 提出一种迭代算法，近似最优地求解非凸优化问题，利用当 $ N \gg M $ 时的大量自由度。
• 通过信干噪比协方差矩阵与噪声方差的互信息表达式，对遍历可实现速率进行下界估计，性能通过信道实现的蒙特卡洛平均进行评估。
• 数值结果将所提CE预编码与TAPC基准进行比较，采用ZF预编码（下界）和协作用户和容量（上界）作为参考。

实验结果

研究问题

• RQ1 在频率选择性大规模MIMO系统中，与总平均功率受限方案相比，每根天线恒包络预编码方案需要额外多少发射功率？
• RQ2 在频率选择性信道中，严格的每根天线CE约束下，低复杂度迭代算法能否实现近似最优性能？
• RQ3 尽管存在CE约束，所提CE预编码方案是否仍能实现传统的O(N)阵列增益（每双倍天线数，发射功率降低3 dB）？
• RQ4 信道记忆（L）和观测窗口长度（τ）如何影响CE与TAPC预编码之间的性能差距？
• RQ5 在CE和TAPC约束下，用户功率分配（E₁,…,Eₘ）对遍历和速率有何影响？

主要发现

• 在具有i.i.d.抽头的频率选择性瑞利衰落信道中，所提CE预编码实现与总平均功率约束（TAPC）基准相同的用户遍历速率时，总发射功率额外增加不足1.0 dB。
• 当观测窗口长度τ远大于信道记忆L（τ ≫ L）时，CE预编码性能趋于饱和并接近TAPC性能，表明迭代算法具有近似最优性。
• 所提CE预编码保持O(N)阵列增益：每双倍基站天线数（N）可使维持固定用户速率所需的发射功率降低3 dB，即使在每根天线CE约束下亦成立。
• 对于固定用户数（M=10），所需 $ P_T/\sigma^2 $ 每次N加倍减少3 dB，证实了在CE约束下阵列增益的鲁棒性。
• 当τ ≫ L时，CE与TAPC之间的性能差距最小；随着L增大，差距略有增加，但所需SNR仍保持在TAPC基准的1.0 dB以内。
• 使用CE输入的非线性PA相比线性PA可实现高达5.0 dB的总功率节省，因为非线性PA的功率效率高出4至6倍。