[论文解读] Hybrid Precoding in Millimeter Wave Systems: How Many Phase Shifters Are Needed?

Xianghao Yu, Jun Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 13被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于毫米波系统的固定相移器（FPS）混合波束成形架构，通过仅使用少量具有固定、量化相位的相移器，显著降低了硬件复杂度。通过集成动态开关网络与具有闭式解的交替最小化（AltMin）算法，该方法在实际场景中每射频链仅需约10个相移器，即可实现接近完全数字波束成形的频谱效率。

ABSTRACT

Hybrid precoding has been recently proposed as a cost-effective transceiver solution for millimeter wave (mm-wave) systems. The analog component in such precoders, which is composed of a phase shifter network, is the key differentiating element in contrast to conventional fully digital precoders. While a large number of phase shifters with unquantized phases are commonly assumed in existing works, in practice the phase shifters should be discretized with a coarse quantization, and their number should be reduced to a minimum due to cost and power consideration. In this paper, we propose a new hybrid precoder implementation using a small number of phase shifters with quantized and fixed phases, i.e., a fixed phase shifter (FPS) implementation, which significantly reduces the cost and hardware complexity. In addition, a dynamic switch network is proposed to enhance the spectral efficiency. Based on the proposed FPS implementation, an effective alternating minimization (AltMin) algorithm is developed with closed-form solutions in each iteration. Simulation results show that the proposed algorithm with the FPS implementation outperforms existing ones. More importantly, it needs much fewer phase shifters than existing hybrid precoder proposals, e.g., $\sim$10 fixed phase shifters are sufficient for practically relevant system settings.

研究动机与目标

• 解决传统混合波束成形器因需要大量未量化或精细量化相位的相移器而导致的高硬件成本与高功耗问题。
• 克服现有混合波束成形设计中假设使用高分辨率相移器的局限性，这些相移器在毫米波系统中因硬件复杂度过高而不切实际。
• 开发一种低复杂度、低成本的混合波束成形架构，在保持高频频谱效率的同时，将相移器数量最小化，并使用固定相移器。
• 引入动态开关网络以补偿固定相移器带来的性能损失，实现在无需自适应相位控制的情况下灵活波束成形。
• 设计一种具有闭式解的交替最小化算法，以在固定相位约束下联合优化开关网络与数字波束成形器。

提出的方法

• 提出一种新型固定相移器（FPS）实现方式，其中相移器具有固定、量化相位而非可编程相位，显著降低硬件成本与功耗。
• 引入一种动态开关网络，实现相移器与射频链/天线之间的可重构连接，提供无需相位自适应的波束成形灵活性。
• 开发一种交替最小化（AltMin）算法，以联合优化基带数字波束成形器与开关网络，采用代理上界处理开关矩阵的大规模二值约束。
• 通过利用优化问题的结构特征与相位值的排序关系，推导出每轮迭代中开关矩阵与数字波束成形器的闭式解。
• 采用向量化与基于区间的优化方法，高效求解选择最优相位值与开关映射的非凸问题，利用最优开关状态依赖于与目标相位值接近程度的特性。
• 应用二次逼近与区间分析，确定最小化期望波束成形响应与实际响应之间均方误差的最优固定相位值α。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有实际硬件约束的毫米波系统中，混合波束成形器需要多少个相移器才能实现接近最优的频谱效率？
• RQ2 具有动态开关网络的固定相移器架构能否在大幅降低硬件复杂度的同时，实现与完全数字波束成形相当的频谱效率？
• RQ3 当相移器具有固定、量化相位而非可编程相位时，最优开关网络与数字波束成形器的设计方法是什么？
• RQ4 能否为在固定相位与二值开关约束下的混合波束成形开发一种具有闭式解的交替最小化算法？
• RQ5 所提出的基于FPS的混合波束成形器在频谱效率与相移器数量方面，相较于现有混合波束成形方案表现如何？

主要发现

• 所提出的结合动态切换的FPS混合波束成形器即使每射频链仅使用约10个固定相移器，其频谱效率也极为接近完全数字波束成形。
• 与现有设计相比，所需相移器数量大幅减少——例如，在先前工作中每射频链需40个相移器，而本方案在实际系统设置下仅需约10个。
• 具有闭式解的交替最小化（AltMin）算法收敛迅速，性能接近最优，且每轮迭代均可闭式求解开关矩阵与数字波束成形器。
• 动态开关网络有效补偿了固定相移器带来的性能损失，实现在无需自适应相位控制的情况下保持高频频谱效率。
• 理论分析证明，最优相位值α位于由有序相位值定义的区间内，且该算法能高效搜索这些区间以找到全局最小值。
• 仿真结果证实，FPS-AltMin算法在频谱效率方面优于现有混合波束成形方法，同时保持了低硬件复杂度。