[论文解读] Multi-user Precoding and Channel Estimation for Hybrid Millimeter Wave Systems

Lou Zhao, Derrick Wing Kwan Ng+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 13

一句话总结

该论文提出了一种针对射频链数量远少于天线数的混合毫米波（mmWave）系统、具有低复杂度的信道估计与多用户预编码方案。通过利用多个频率音来估计到达角（AoA）的主导波束方向，并在这些方向上使用正交导频，该方案实现了精确的信道估计与数字迫零（ZF）预编码，从而在硬件损伤和估计误差下仍能实现接近全数字系统性能的表现。

ABSTRACT

In this paper, we develop a low-complexity channel estimation for hybrid millimeter wave (mmWave) systems, where the number of radio frequency (RF) chains is much less than the number of antennas equipped at each transceiver. The proposed mmWave channel estimation algorithm first exploits multiple frequency tones to estimate the strongest angle-of-arrivals (AoAs) at both base station (BS) and user sides for the design of analog beamforming matrices. Then all the users transmit orthogonal pilot symbols to the BS along the directions of the estimated strongest AoAs in order to estimate the channel. The estimated channel will be adopted to design the digital zero-forcing (ZF) precoder at the BS for the multi-user downlink transmission. The proposed channel estimation algorithm is applicable to both nonsparse and sparse mmWave channel environments. Furthermore, we derive a tight achievable rate upper bound of the digital ZF precoding with the proposed channel estimation algorithm scheme. Our analytical and simulation results show that the proposed scheme obtains a considerable achievable rate of fully digital systems, where the number of RF chains equipped at each transceiver is equal to the number of antennas. Besides, by taking into account the effect of various types of errors, i.e., random phase errors, transceiver analog beamforming errors, and equivalent channel estimation errors, we derive a closed-form approximation for the achievable rate of the considered scheme. We illustrate the robustness of the proposed channel estimation and multi-user downlink precoding scheme against the system imperfection.

研究动机与目标

• 解决在射频链数量远少于天线数的混合毫米波系统中高效信道估计的挑战。
• 克服传统导频辅助方法因射频链数量受限而无法适用的局限性。
• 设计一种适用于稀疏与非稀疏毫米波信道的信道估计与预编码框架。
• 在实际硬件损伤（包括相位误差与波束成形不准确）下确保性能鲁棒。
• 在有限射频链数量下实现接近全数字系统、高谱效率的同时，最小化训练开销与反馈信令。

提出的方法

• 利用多个频率音来估计基站与用户设备处最强的到达角（AoA），用于初始模拟波束成形设计。
• 在估计的AoA方向上发送正交导频符号，以估计基站处的等效基带信道。
• 基于估计的信道，在基站处应用数字迫零（ZF）预编码以抑制多用户干扰。
• 推导出在随机相位误差、模拟波束成形误差与信道估计误差共同作用下的可实现速率的闭式近似表达式。
• 引入矩阵求逆近似方法，以简化在信道状态信息不完美条件下的有效预编码器表达式。
• 基于所推导的信道估计方法，建立所提ZF预编码方案可实现速率的紧致上界。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为射频链数量受限的混合毫米波系统设计一种低复杂度的信道估计方法，有效利用多个频率音与正交导频？
• RQ2 所提出的信道估计方案在稀疏与非稀疏毫米波信道环境中表现如何？
• RQ3 在射频链数量有限的条件下，所提出的预编码与估计方案在多用户场景下能多大程度上实现接近全数字系统的谱效率？
• RQ4 在实际硬件损伤（如相位噪声与波束成形误差）下，系统性能如何退化？
• RQ5 在多种误差共同作用下，系统的可实现速率是多少？能否推导出用于性能分析的闭式近似？

主要发现

• 所提出的信道估计与预编码方案在射频链数量显著减少的情况下，仍能实现与全数字系统非常接近的可实现速率。
• 该方案在稀疏与非稀疏毫米波信道中均保持高谱效率，展现出广泛的适用性。
• 推导出一个可实现速率的闭式近似，该近似综合考虑了随机相位误差、模拟波束成形误差与等效信道估计误差。
• 系统对硬件损伤表现出强鲁棒性，性能退化可被所推导的解析近似良好预测。
• 所推导的可实现速率上界紧致，能准确反映系统在实际条件下的性能表现。
• 该方法通过聚焦于主导AoA方向并沿这些方向使用正交导频，显著降低了训练开销，提升了多用户场景下的效率。