[论文解读] Reduced Switching Connectivity for Power-Efficient Large Scale Antenna Selection.

Adrián García‐Rodríguez, Christos Masouros+1 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 5

一句话总结

本文提出了一种部分连接的射频（RF）开关网络，作为大规模MIMO波束选择系统中全灵活开关矩阵的低复杂度、高能效替代方案。通过减少开关连接性，该架构最小化了插入损耗和开关功耗，从而在RF链数量减少时仍能实现优异的能效表现，同时利用基于信道功率的信号处理技术保持高谱效率。

ABSTRACT

In this paper, we explore reduced-connectivity radio frequency (RF) switching networks for reducing the analog hardware complexity and switching power losses in antenna selection (AS) systems. In particular, we analyze different hardware architectures for implementing the RF switching matrices required in AS designs with a reduced number of RF chains. We explicitly show that fully-flexible switching matrices, which facilitate the selection of any possible subset of antennas and attain the maximum theoretical sum rates of AS, present numerous drawbacks such as the introduction of significant insertion losses, particularly pronounced in massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems. Since these disadvantages make fully-flexible switching suboptimal in the energy efficiency sense, we further consider partially-connected switching networks as an alternative switching architecture with reduced hardware complexity, which we characterize in this work. In this context, we also analyze the impact of reduced switching connectivity on the analog hardware and digital signal processing of AS schemes that rely on channel power information. Overall, the analytical and simulation results shown in this paper demonstrate that partially-connected switching maximizes the energy efficiency of massive MIMO systems for a reduced number of RF chains, while fully-flexible switching offers sub-optimal energy efficiency benefits due to its significant switching power losses.

研究动机与目标

• 解决全灵活RF开关矩阵在大规模MIMO波束选择系统中带来的高能耗和高硬件复杂度问题。
• 分析RF开关架构中开关灵活性、插入损耗与能效之间的权衡关系。
• 评估部分连接开关网络作为全灵活设计的低复杂度替代方案的性能表现。
• 表征减少开关连接性对模拟硬件和数字信号处理复杂度的影响，利用信道功率信息进行分析。
• 证明在RF链数量有限的情况下，部分连接开关架构可实现大规模MIMO系统中的最大能效。

提出的方法

• 分析用于波束选择的不同RF开关网络架构，包括全灵活和部分连接配置。
• 建模全灵活开关矩阵中的插入损耗，尤其针对高天线数的大规模MIMO系统。
• 设计部分连接开关网络，以减少活动RF开关数量和互连数量。
• 利用信道功率信息进行数字信号处理，评估系统性能，从而最小化反馈开销。
• 对比全灵活与部分连接开关架构在能效和谱效率方面的表现。
• 通过解析推导和仿真，量化硬件复杂度、开关损耗与和速率性能之间的权衡关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 全灵活RF开关矩阵中的插入损耗在大规模MIMO系统中如何影响能效？
• RQ2 在波束选择架构中，开关灵活性与能效之间的性能权衡是什么？
• RQ3 在RF链数量有限的大规模MIMO系统中，部分连接开关网络能否实现比全灵活设计更高的能效？
• RQ4 减少开关连接性对波束选择系统中模拟硬件和数字信号处理复杂度有何影响？
• RQ5 在大规模MIMO系统中，何种开关架构可实现最大能效？

主要发现

• 全灵活开关矩阵在大规模MIMO系统中引入了显著的插入损耗，尽管可实现最大理论和速率，但会降低能效。
• 部分连接开关网络通过降低硬件复杂度和开关功耗损耗，相比全灵活设计实现了更高的能效。
• 当RF链数量有限时，部分连接架构相比全灵活开关表现出更高的能效。
• 在结合基于信道功率的信号处理时，减少开关连接性对谱效率影响极小，可有效保持高和速率。
• 所提出的部分连接开关架构在RF链数量减少的大规模MIMO系统中为能效最优方案。
• 仿真与解析结果证实，由于功耗损耗更低且硬件需求减少，部分连接开关可实现最大能效。