[论文解读] On hybrid precoder/combiner for downlink mmWave massive MU-MIMO systems

Alvaro Javier Ortega, Raimundo Sampaio‐Neto+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 19被引用 5

一句话总结

本文针对毫米波大规模多用户MIMO系统下行链路，提出了四种混合预编码器/合并器设计方案，考虑基带模型中的彩色高斯噪声，提升了干扰抑制能力，同时保持高信噪比。主要贡献在于提出了一种基于最小均方误差（MMSE）的数字预编码器，该预编码器引入功率约束，并结合一种低复杂度的SVD-based模拟合并器，利用Hadamard不等式实现接近最优性能，显著优于以往方法的误码率（BER）表现。

ABSTRACT

We propose four hybrid combiner/precoder for downlink mmWave massive MU-MIMO systems. The design of a hybrid combiner/precoder is divided in two parts, analog and digital. The system baseband model shows that the signal processed by the mobile station can be interpreted as a received signal in the presence of colored Gaussian noise, therefore, since the digital part of the combiner and precoder do not have constraints for their generation, their designs can be based on any traditional signal processing that takes into account this kind of noise. To the best of our knowledge, this was not considered by previous works. A more realistic and appropriate design is described in this paper. Also, the approaches adopted in the literature for the designing of the combiner'/precoder' analog parts do not try to avoid or even reduce the inter user/symbol interference, they concentrate on increasing the signal-to-noise ratio (SNR). We propose a simple solution that decreases the interference while maintaining large SNR. In addition, one of the proposed hybrid combiners reaches the maximum value of our objective function according with the Hadamard's inequality. Numerical results illustrate the BER performance improvements resulting from our proposals. In addition, a simple detection approach can be used for data estimation without significant performance loss.

研究动机与目标

• 解决以往毫米波大规模多用户MIMO系统中混合预编码器设计对彩色高斯噪声考虑不足的问题。
• 在混合合并器/预编码器设计中，超越简单的信噪比（SNR）最大化，进一步提升干扰抑制能力。
• 设计低复杂度的模拟合并器，以降低用户间与符号间干扰，同时保持高阵列增益。
• 提出一种考虑彩色噪声与功率约束的数字预编码器，提升系统鲁棒性与性能。
• 在极低复杂度下实现接近最优性能，尤其通过SVD-based模拟波束成形实现。

提出的方法

• 将基带信号建模为存在彩色高斯噪声时的接收信号，从而实现更真实的数字预编码器设计。
• 将数字预编码器设计建模为带功率预算约束的最小均方误差（MMSE）优化问题，通过拉格朗日乘子法求解。
• 通过正则化厄米特矩阵的逆矩阵，推导出闭式表达的MMSE预编码器，同时纳入噪声与功率约束。
• 提出一种递归算法，改进先前工作中迭代式模拟预编码器设计的收敛性与性能。
• 引入一种低复杂度的SVD-based模拟合并器，利用Hadamard不等式实现目标函数的理论最大值。
• 在合并后采用简单的线性检测方法，尽管复杂度降低，但性能损失可忽略。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过将基带信号建模为彩色高斯噪声而非白噪声，如何改进混合预编码器/合并器设计？
• RQ2 在模拟合并器/预编码器设计中，显式最小化用户间与符号间干扰（而不仅限于信噪比最大化）会产生何种影响？
• RQ3 在混合毫米波大规模多用户MIMO系统中，低复杂度波束成形器能否实现接近最优性能？
• RQ4 所提出的带功率约束的MMSE-based数字预编码器与传统设计相比，在误码率（BER）与鲁棒性方面表现如何？
• RQ5 在所提出的混合系统中，多大程度上可使用简单检测方案而不会造成显著性能下降？

主要发现

• 所提出的带功率约束的MMSE-based数字预编码器通过显式建模彩色高斯噪声，显著提升了系统鲁棒性与误码率（BER）性能。
• 基于SVD的模拟合并器设计达到了由Hadamard不等式所决定的目标函数理论最大值，表明其性能接近最优。
• 数值结果表明，与现有方法（包括[11]、[3]和[12]）相比，误码率（BER）有显著改善，尤其在丰富的散射环境中表现更优。
• 所提出的混合合并器/预编码器设计使得可采用简单的线性检测方法，且性能损失可忽略，从而显著降低系统复杂度。
• 所提出的模拟波束成形递归算法相比[3]中原始的迭代方法，提升了收敛速度与干扰抑制能力。
• 整体系统在射频链数量有限的现实毫米波信道条件下，实现了高 spectral efficiency 与可靠的通信性能。