[论文解读] Nonlinear Phase-Quantized Constant-Envelope Precoding for Massive MU-MIMO-OFDM.

Sven Jacobsson, Oscar Castañeda+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 6

一句话总结

本文提出了一种用于大规模MU-MIMO-OFDM系统的非线性相位量化恒包络预编码算法，采用过采样DAC和OFDM技术以应对频率选择性衰落。通过将SQUID预编码器扩展至相位量化恒包络信号，该方法在实现低分辨率（例如1比特）DAC的同时，优于线性预编码器的误码率性能，展示了在大规模MIMO下行链路中更高的频谱效率和硬件效率。

ABSTRACT

We propose a novel algorithm for phase-quantized constant-envelope precoding in the massive multi-user (MU) multiple-input multiple-output (MIMO) downlink. Specifically, we extend the nonlinear squared-infinity norm Douglas-Rachford splitting (SQUID) precoder to systems that use oversampling digital-to-analog converters (DACs) at the base station (BS) and orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) to communicate over frequency-selective channels. We demonstrate that SQUID is able to generate constant-envelope signals, which enables the use of power-efficient analog radio-frequency circuitry at the BS. By quantizing the phase of the resulting constant-envelope signal, we obtain a finite-cardinality signal that can be synthesized by low-resolution (e.g., 1-bit) DACs. We use error-rate simulations to demonstrate the superiority of SQUID over linear precoders for massive MU-MIMO-OFDM.

研究动机与目标

• 解决在具有频率选择性衰落的大规模MU-MIMO-OFDM系统中实现节能、低分辨率预编码的挑战。
• 通过非线性预编码生成恒包络信号，以支持高能效、高线性的射频前端。
• 设计一种与低分辨率（例如1比特）DAC兼容的相位量化预编码方案，同时不牺牲频谱效率。
• 将SQUID算法扩展至采用过采样DAC的大规模MU-MIMO-OFDM系统，以实现优于线性预编码器的性能。

提出的方法

• 将原本专为恒包络传输设计的非线性SQUID预编码器扩展至大规模MU-MIMO-OFDM下行链路系统中运行。
• 在基站采用过采样技术，以缓解载波间干扰并支持频率选择性信道条件。
• 采用Douglas-Rachford分裂法求解非凸恒包络预编码问题，确保收敛至可行解。
• 对所得恒包络信号应用相位量化，生成适用于1比特DAC的有限字母表信号。
• 利用OFDM将频率选择性衰落信道转换为平坦衰落子载波，实现高效的信号处理。
• 将SQUID算法与OFDM子带处理相结合，在保持恒包络的同时实现多用户复用。

实验结果

研究问题

• RQ1 SQUID预编码器能否扩展至支持大规模MU-MIMO系统中的OFDM与过采样DAC？
• RQ2 对恒包络信号进行相位量化如何影响低分辨率大规模MIMO系统中的频谱效率与误码率？
• RQ3 在频率选择性衰落信道中，基于非线性SQUID的预编码相较于线性预编码器能带来哪些性能增益？
• RQ4 恒包络信号与相位量化相结合，能否实现大规模MU-MIMO-OFDM系统中实用的1比特DAC操作？
• RQ5 在使用相位量化恒包络预编码时，硬件简化与频谱效率之间的权衡如何？

主要发现

• 所提出的基于SQUID的相位量化预编码器可生成恒包络信号，从而支持在大规模MU-MIMO-OFDM系统中使用高度节能的射频前端。
• 对SQUID生成信号进行相位量化后，可得到有限字母表信号，可直接由低分辨率（例如1比特）DAC合成。
• 误码率仿真结果表明，该方法在频率选择性衰落条件下优于线性预编码器的比特误码率性能。
• 采用过采样DAC可有效处理载波间干扰，从而在宽带OFDM系统中保持频谱效率。
• 非线性SQUID算法即使在高维大规模MIMO场景下，也能成功收敛至可行的恒包络解。
• 该方法在保持多用户、频率选择性环境下的鲁棒性能的同时，显著降低了硬件复杂度。