[论文解读] Hybrid Precoding for mmWave V2X Doubly-Selective Multiuser MIMO Systems

Elyes Balti|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 39被引用 8

一句话总结

本文提出了一种针对具有双重选择性衰落信道的毫米波车辆到一切（V2X）多用户MIMO系统的低复杂度混合波束成形算法。该算法采用两阶段设计：第一阶段通过单用户波束成形优化模拟波束成形器；第二阶段在基站通过有限反馈（RVQ或波束成形码本）计算数字预编码器（MRT、ZF、MMSE或迭代算法）。关键贡献在于在训练和反馈开销较低的情况下实现鲁棒性能，通过中断概率、能量效率和移动性鲁棒性分析在毫米波和Sub-6 GHz频段中得到验证。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) is a practical solution to provide high data rate for the vehicle-to-everything (V2X) communications. This enables the future autonomous vehicles to exchange big data with the base stations (BSs) such as the velocity and the location to improve the awareness of the advanced driving assistance system (ADAS). In this context, we consider a single-cell multiuser doubly-selective system wherein the BS simultaneously serves multiple vehicles. To accomplish this requirement, the BS is implemented in hybrid architecture to support multiple spatial streams while the vehicles have analog-only structures. In this work, we develop a low-complexity hybrid precoding algorithm wherein the design of the hybrid precoder at the BS and the analog combiner at the vehicles require small training and feedback overhead. We propose a two-stage hybrid precoding algorithm wherein the first stage designs the analog beamformers as in single user scenario while the second stage designs the multiuser digital precoder at the BS. In the second stage, we derive closed-form digital precoders such as Maximum Ratio Transmission (MRT), Zero-Forcing (ZF) and Minimum Mean Square Error (MMSE) as a first variant while we propose iterative digital precoder as a second variant. The design of the digital precoders for the two variants requires the limited feedback sent from the vehicles to BS. We refer to the random vector quantization (RVQ) and the beamsteering codebooks to quantize the feedbacks for variants I and II, respectively, since the perfect feedback requires long overhead and large training. We evaluate the rate loss incurred by the quantization of the digital and analog codebooks against the perfect channel state information at the transmitter (CSIT).

研究动机与目标

• 解决在具有双重选择性衰落的毫米波多用户MIMO V2X系统中训练和反馈开销过高的挑战。
• 设计一种支持多空间流的混合波束成形架构，实现低复杂度的模拟与数字波束成形。
• 通过利用随机向量量化（RVQ）和波束成形码本，最小化因有限反馈导致的速率损失。
• 评估系统在多普勒引起的载波频率偏移（CFO）和移动性影响下的鲁棒性。
• 分析在不同毫米波频段和ADC功率水平下，各类V2X服务的能量效率权衡。

提出的方法

• 提出一种两阶段混合波束成形框架：第一阶段利用单用户MIMO原理设计模拟波束成形器，以最大化接收信号功率。
• 第二阶段在基站通过闭式解（MRT、ZF、MMSE）或迭代算法计算数字预编码器，以抑制多用户干扰。
• 采用有限反馈机制，通过RVQ（变体I）和波束成形码本（变体II）对车辆端的CSI进行量化。
• 采用混合架构，基站使用完全连接或部分连接的射频链，车辆端仅使用模拟合并器。
• 在真实硬件约束（包括ADC功率和天线数量）下，评估毫米波（28–73 GHz）和Sub-6 GHz频段的性能。
• 通过仿真分析中断概率、频谱效率、能量效率以及多普勒扩展和移动性下的误码性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过RVQ和波束成形码本实现有限反馈，对毫米波V2X系统中混合波束成形的速率损失有何影响？
• RQ2 车辆移动性和多普勒频移对双重选择性毫米波信道中误码性能和系统鲁棒性有何影响？
• RQ3 与单用户TDMA相比，用户数量的增加如何影响频谱效率和中断概率？
• RQ4 在不同毫米波频段和ADC功率水平下，能量效率与用户数量之间的权衡关系如何？
• RQ5 硬件配置（完全连接与部分连接的混合架构）如何影响系统性能和能量效率？

主要发现

• 随着基站天线数量从128增加到256，中断概率有所改善，但由于模拟波束成形器是独立设计的，增益有限。
• 在低用户数情况下（如1–4个用户），模式1（28 GHz，850 MHz带宽，250 mW ADC）因功耗更低而具有最高的能量效率。
• 随着用户数增加，模式4（73 GHz，2 GHz带宽，550 mW ADC，128根天线）因大规模波束成形增益而成为最节能的方案。
• 模式2（39 GHz，1.4 GHz，400 mW ADC）比模式3（相同频段，450 mW ADC）更节能，尽管两者天线数相同，主要得益于更低的ADC功耗。
• 移动性导致显著的CFO，恶化误码性能，尤其在高速移动场景中，凸显了鲁棒波束成形设计的必要性。
• 量化反馈带来的速率损失随用户数增加而增大，尤其是在使用RVQ时，表明反馈开销与频谱效率之间存在权衡。