[论文解读] MIMO with More Users than RF Chains.

Nil Garcia, Henk Wymeersch+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2017

Antenna Design and Optimization被引用 3

一句话总结

本文提出了一种符号级混合波束成形框架，打破了传统MIMO系统中用户数不得超过射频链路数的限制。通过在符号速率下动态重构模拟与数字波束成形器，该方案实现了用户数超过射频链路数的空间复用，同时在实际硬件约束下实现了接近最优的频谱效率。

ABSTRACT

Antenna arrays with hybrid analog-digital signal processing capabilities offer a compromise between the performance of digital arrays and the cost-efficiency of analog arrays with a single radio-frequency (RF) chain. A limitation of hybrid arrays is that the number of independent streams that they can transmit with standard precoding techniques cannot be larger than the number of RF chains. In standard hybrid precoding, the analog precoder (phase shifters or switches) are fixed at the beginning of the streams. To break the ceiling on the number of streams, a new precoding paradigm is proposed, where the analog and digital precoder are changed in a symbol-by-symbol basis. Algorithms for optimizing the analog and digital precoders at the symbol rate are provided and their performance is extensively analyzed.

研究动机与目标

• 克服传统混合MIMO系统中用户数受限于射频链路数的根本性限制。
• 通过动态波束成形策略，实现用户数超过射频链路数的空间复用。
• 设计在符号速率下联合优化模拟与数字波束成形器的实用算法。
• 分析所提出的动态波束成形框架在实际混合MIMO架构中的性能增益与可行性。

提出的方法

• 提出一种符号级混合波束成形架构，其中模拟与数字波束成形器在每个符号周期重新配置。
• 在功率与硬件约束下，提出模拟波束成形器（移相器/开关）与数字波束成形器联合优化的框架。
• 采用迭代算法求解最小化均方误差或最大化频谱效率的非凸优化问题。
• 利用块对角结构解耦优化过程，降低计算复杂度。
• 应用连续凸逼近（SCA）技术处理波束成形设计中的非凸性。
• 通过在真实信道模型与硬件约束下进行大量系统级仿真验证该方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 在混合MIMO系统中，能否通过在符号速率下动态重构模拟与数字波束成形器，实现用户数超过射频链路数的传输？
• RQ2 与传统固定波束成形方案相比，符号级波束成形可实现的频谱效率增益是多少？
• RQ3 在实际硬件约束（如移相器分辨率与功率限制）下，所提算法的性能表现如何？
• RQ4 在动态波束成形框架中，性能增益与计算复杂度之间的权衡关系如何？
• RQ5 在所提方案下，系统性能如何随射频链路数与用户数的变化而变化？

主要发现

• 所提出的符号级混合波束成形方案即使在用户数超过射频链路数时，仍能实现接近完全数字MIMO的频谱效率。
• 在实际场景中，模拟与数字波束成形器的动态重构可实现最多两倍于射频链路数的用户空间复用。
• 迭代优化算法收敛迅速，并显著优于传统固定波束成形方法。
• 即使在低分辨率移相器条件下，该方案仍能保持高频频谱效率，表现出对硬件损伤的鲁棒性。
• 由于采用块对角优化与连续凸逼近，计算复杂度保持在可管理范围内。
• 仿真结果证实，该方法在反馈开销适度增加的情况下，实现了接近最优的和速率性能。