[论文解读] MmWave Amplify-and-Forward MIMO Relay Networks with Hybrid Precoding/Combining Design

Lisi Jiang, Hamid Jafarkhani|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 32被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种针对毫米波放大-转发MIMO中继网络的低复杂度混合预编码/合并设计，采用两阶段方法：首先通过射频仅相位波束成形对齐信道的特征模式，随后在源节点和中继节点上基于加权最小均方误差（WMMSE）的基带预编码器/合并器优化以最大化互信息。该方法在复杂度低于先前工作的同时实现了更优的频谱效率，并在信道状态信息不完美时表现出鲁棒性能。

ABSTRACT

In this paper, we consider the amplify-and-forward relay networks in mmWave systems and propose a hybrid precoder/combiner design approach. The phase-only RF precoding/combining matrices are first designed to support multi-stream transmission, where we compensate the phase for the eigenmodes of the channel. Then, the baseband precoders/combiners are performed to achieve the maximum mutual information. Based on the data processing inequality for the mutual information, we first jointly design the baseband source and relay nodes to maximize the mutual information before the destination baseband receiver. The proposed low-complexity iterative algorithm for the source and relay nodes is based on the equivalence between mutual information maximization and the weighted MMSE. After we obtain the optimal precoder and combiner for the source and relay nodes, we implement the MMSE-SIC filter at the baseband receiver to keep the mutual information unchanged, thus obtaining the optimal mutual information for the whole relay system. Simulation results show that our algorithm achieves better performance with lower complexity compared with other algorithms in the literature. In addition, we also propose a robust joint transceiver design for imperfect channel state information.

研究动机与目标

• 解决由于大数量射频链路导致的毫米波MIMO中继系统中硬件成本高和复杂度高的问题。
• 设计一种混合模拟/数字预编码/合并方案，以减少射频链路数量，同时保持高 spectral efficiency。
• 通过在源节点和中继节点联合设计基带预编码器和合并器，最大化中继系统的互信息。
• 开发一种鲁棒收发器设计，以缓解因信道状态信息（CSI）不完美导致的性能下降。

提出的方法

• 对源-中继和中继-目的地信道应用奇异值分解（SVD），将其分解为并行子信道。
• 设计仅相位的射频预编码器和合并器，以补偿每个特征模式的相位，从而支持多流传输。
• 将基带预编码和合并设计建模为加权最小均方误差（WMMSE）优化问题，以最大化互信息。
• 基于互信息最大化与WMMSE最小化之间的等价性，使用迭代算法联合优化源节点和中继节点的基带滤波器。
• 在目的地基带接收机中实现MMSE连续干扰消除（MMSE-SIC），以保持中继处实现的互信息。
• 通过在WMMSE优化中引入信道估计误差协方差模型，将设计扩展为鲁棒版本，确保在CSI不完美时的性能稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计混合预编码/合并方案，以在减少射频链路数量的前提下，最大化毫米波放大-转发MIMO中继网络中的互信息？
• RQ2 与传统的MMSE或OMP方法相比，基于WMMSE的基带优化在该类系统中能带来多大的性能增益？
• RQ3 与现有的SDP或ADMM方法相比，所提出的算法如何在降低计算复杂度的同时保持高谱效率？
• RQ4 信道估计误差在多大程度上会降低系统性能？如何系统性地将鲁棒性融入收发器设计中？
• RQ5 所提出的算法能否有效扩展至全连接和子连接型混合预编码架构？

主要发现

• 所提出的基于WMMSE的迭代算法在频谱效率上优于传统MMSE和OMP方法，在高信噪比（SNR）区域表现出明显性能增益。
• 与ADMM和SDP方法相比，该算法显著降低了计算复杂度，同时保持了接近最优的互信息性能。
• 在CSI不完美时，鲁棒设计优于非鲁棒设计，尤其在高SNR区域，此时估计误差主导噪声并导致严重性能下降。
• 当σ²ₑ = 0.1时，非鲁棒算法的速率下降至完美CSI时的一半，而所提出的鲁棒方案在所有误差水平下均保持高性能。
• 在所有测试的误差方差下，所提方法在性能上均优于文献[23]中的OMP算法，证明了其在鲁棒性和频谱效率方面的优越性。
• 目的地的MMSE-SIC滤波器确保了基带处理后互信息得以保留，验证了整体设计的最优性。