[论文解读] Hybrid precoding and combining for frequency-selective mmWave MIMO Systems with per-antenna power constraints

Javier Rodríguez-Fernández, Roberto López-Valcarce+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 23被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在每阵元功率受限条件下，针对频率选择性毫米波MIMO系统的混合预编码与波束成形框架，通过最小化弦距离来近似全数字解。即使存在波束离焦效应且带宽扩展至3 GHz，该方法仍能实现接近最优的频谱效率，在实际硬件环境下优于总功率受限的设计方案。

ABSTRACT

Configuring hybrid precoders and combiners is a major challenge to deploy practical mmWave communication systems. Prior work addresses the problem of designing hybrid precoders and combiner, yet focusing on finding solutions under a total transmit power constraint. The design of hybrid precoders and combiners in practical system, is constrained, however, by a per antenna transmit power, since each antenna element in the array is connected to a power amplifier (PA) that has to operate within its linear region. In this paper, we focus on the problem of hybrid precoding and combining with per-antenna power constraints, and under a frequency-selective bandlimited channel model. We first propose an all-digital solution to this problem, and develop a hybrid precoding and combining strategy that aims at matching this solution by minimizing the chordal distance between the all-digital precoders (combiners) and their hybrid approximations. Finally, since minimizing this metric does not guarantee that the final spectral efficiency will be maximized, we optimize the resulting spectral efficiency taking into account the per-antenna power constraints. Simulation results show the effectiveness of our all-digital and hybrid solutions, while emphasizing the differences with respect to the corresponding solution under a total power constraints. As shown in our numerical results, the proposed all-digital solution performs similarly to the case in which a total power constraint is considered. Further, our proposed hybrid solution is also shown to exhibit near-optimum performance, and the influence of different system parameters is also shown, thereby showing the suitability of our proposed framework to deploy practical mmWave MIMO systems.

研究动机与目标

• 解决由于功率放大器线性度限制，导致每阵元功率受限的实际毫米波系统中混合预编码器与波束成形器设计的挑战。
• 在具有现实硬件约束的频率选择性、带限信道模型下，设计一种近似全数字解的混合预编码策略。
• 在考虑波束离焦和每阵元功率限制的前提下，优化频谱效率，避免先前迭代方法中次优的功率分配。
• 提出一种基于子空间的框架，定量分析带宽和频率选择性对混合预编码器设计的影响。
• 在存在信道估计误差的情况下，验证所提方法在使用先进估计算法时的鲁棒性。

提出的方法

• 在每阵元功率受限条件下，提出全数字预编码与波束成形方案，作为性能上限基准。
• 通过最小化全数字预编码器/波束成形器与其混合近似之间的弦距离，设计混合预编码器与波束成形器。
• 采用基于Grassmann流形的优化框架，使射频前端的模拟预编码器/波束成形器与各子载波上频率选择性信道的主导奇异子空间对齐。
• 将混合设计建模为一个受约束的优化问题，以满足每阵元功率限制和带宽扩展的影响。
• 通过在射频前端引入频率相关响应和脉冲整形效应，将波束离焦效应建模到信道模型中。
• 采用改进的SS-SW-OMP+Th算法进行信道估计，实现在实际训练开销约束下的可靠CSI获取。

实验结果

研究问题

• RQ1 每阵元功率限制如何影响频率选择性毫米波MIMO系统中混合预编码器与波束成形器的设计与性能？
• RQ2 在每阵元功率受限条件下，全数字与混合预编码器/波束成形器之间弦距离最小化在多大程度上能实现接近最优的频谱效率？
• RQ3 波束离焦如何降低宽带毫米波系统中的性能？所提出的混合设计能否缓解此影响？
• RQ4 带宽增加对子载波间奇异子空间相干性有何影响？这对混合预编码器设计有何影响？
• RQ5 在CSI不完美条件下，所提框架是否能保持高频频谱效率，特别是在使用实际信道估计算法时？

主要发现

• 所提出的每阵元功率受限下的全数字解在频谱效率上与总功率受限情况相当，验证了其作为性能基准的有效性。
• 基于弦距离最小化的混合预编码与波束成形设计即使在3 GHz带宽和显著波束离焦效应下，仍能实现接近最优的频谱效率。
• 由于子载波间奇异子空间相干性降低，频谱效率随带宽增加而下降，该现象由式(65)中的质量度量所证实。
• 式(65)中的质量度量表明，更高的子空间维度 $ d $ 能更优地表征频率选择性信道，验证了混合设计中足够自由度的必要性。
• SS-SW-OMP+Th信道估计算法实现了可靠的CSI获取，使混合系统即使在CSI不完美时也能实现接近最优的频谱效率。
• 与先前的迭代方法相比，所提方法在训练开销和计算复杂度方面表现更优，同时避免了交替优化带来的误差传播。