[论文解读] PSK Precoding in Multi-User MISO Systems

Andreas Noll, Hela Jedda+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 8被引用 3

一句话总结

本论文提出一种用于多用户MISO系统的恒包络（CE）预编码方案，采用PSK调制以实现功率放大器在饱和模式下的高效能传输。该方案构建了符号级最小均方误差（SMSE）优化问题，并评估了三种算法——GDM、QGDM和GPM，结果表明QGDM在低复杂度下实现近似最优性能，尤其在3比特量化时表现优异，可在极小的SNR代价下实现高 spectral efficiency。

ABSTRACT

We consider the downlink scenario of multiuser multiple-input-single-output (MU-MISO) communication systems with constant envelope (CE) signals emitted from each antenna. This results in energy efficient power amplifiers (PAs). We propose a holistic CE precoding scheme based on the symbol-wise minimum squared error (SMSE) criterion. Additionally, we analyze the distortions introduced by low-resolution quantization to PSK for higher energy efficiency reasons. We present three solution algorithms and examine their performance to decide for the best pick for different quantization resolutions. Our results show that good performance can be achieved with minimal loss compared to an ideal unquantized case. Finally, we analyze and discuss the results and consider the overall complexity of the precoder as well as implementation issues.

研究动机与目标

• 设计一种利用恒包络（CE）信号实现功率放大器饱和模式运行的节能下行链路多用户MISO系统。
• 解决低分辨率数模转换器（DACs）在CE预编码系统中导致的性能退化问题。
• 开发并比较基于SMSE的预编码在PSK信号约束下的高效求解算法。
• 评估在有限DAC分辨率的实际系统中，性能、复杂度与实现可行性的权衡。
• 通过分析算法复杂度并提出面向硬件的设计策略，实现算法在实时系统中的实用化部署。

提出的方法

• 提出符号级最小均方误差（SMSE）准则以优化预编码器，最小化期望信号与有效接收信号之间的误差。
• 引入一种整体性的CE预编码方案，其中发射波束成形向量在每个天线上被约束为单位模长，确保恒包络信号。
• 通过量化模块建模有限分辨率DAC，将连续相位向量映射至2^B-PSK星座图。
• 提出三种求解非凸SMSE优化问题的算法——梯度下降法（GDM）、拟牛顿梯度下降法（QGDM）和广义投影法（GPM）。
• 采用步长自适应与线搜索技术以提升收敛性，性能在不同量化分辨率（B=1至B=3）下进行评估。
• 利用QPSK的旋转对称性，仅计算1/4输入向量的预编码器，将每信道接收情况下的计算复杂度由4^M降低至4^{M-1}。

实验结果

研究问题

• RQ1 低分辨率量化（B=1至B=3）对MU-MISO系统中CE预编码的误码率（BER）性能有何影响？
• RQ2 在所提出的三种算法——GDM、QGDM和GPM中，哪一种在BER性能与计算复杂度之间实现了最佳权衡？
• RQ3 与理想无量化系统相比，基于SMSE的CE预编码方案能否实现近似最优性能且SNR代价极低？
• RQ4 迭代次数与步长自适应如何影响不同算法与量化级别下的收敛速度与稳定性？
• RQ5 在实时系统中，与内存与处理负载相关的实际实现挑战有哪些？如何通过设计策略加以缓解？

主要发现

• 在B=3时，QGDM算法在BER=10^-3时达到3.86 dB的SNR，仅比性能最佳的GDM与GPM算法低0.5 dB。
• GDM与GPM算法性能几乎相同（分别在BER=10^-3时达到3.39 dB与3.37 dB SNR），表明在SMSE优化下具有极强的鲁棒性。
• QGDM算法收敛最快，平均仅需22次迭代与17次步长减半，是实时实现中最高效的算法。
• 迭代次数几乎不受初始步长μ₀的影响，表明在不同初始点下均具有稳定的收敛行为。
• 尽管理论复杂度随用户数M呈指数增长，但通过利用QPSK的旋转对称性，实际实现中可显著减少所需预编码器计算量，将每信道接收情况下的负载降低至4^{M-1}。
• 研究结论认为，所提出的预编码方案由于具备高能效、低复杂度与接近最优的性能表现，是低分辨率DAC系统中极具潜力的实际部署候选方案。