[论文解读] Spatial Modulation for More Spatial Multiplexing: RF-Chain-Limited Generalized Spatial Modulation Aided MmWave MIMO with Hybrid Precoding

Longzhuang He, Jintao Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 25被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种用于毫米波MIMO系统的混合波束成形方案，结合广义空间复用（GenSM），在不增加射频链路数量的前提下提升频谱效率。通过利用天线索引信息作为额外的数据流，并采用两步算法结合$σ_{\infty}$松弛与凹优化来优化波束成形器，该方案在频谱效率方面优于当前最先进的射频链路受限的毫米波MIMO系统。

ABSTRACT

The application of hybrid precoding in millimeter wave (mmWave) multiple-input multiple-output (MIMO) systems has been proved effective for reducing the number of radio frequency (RF) chains. However, the maximum number of independent data streams is conventionally restricted by the number of RF chains, which leads to limiting the spatial multiplexing gain. To further improve the achievable spectral efficiency (SE), in this paper we propose a novel generalized spatial modulation (GenSM) aided mmWave MIMO system to convey an extra data stream via the index of the active antennas group, while no extra RF chain is required. Moreover, we also propose a hybrid analog and digital precoding scheme for SE maximization. More specifically, a closed-form lower bound is firstly derived to quantify the achievable SE of the proposed system. By utilizing this lower bound as the cost function, a two-step algorithm is proposed to optimize the hybrid precoder. The proposed algorithm not only utilizes the concavity of the cost function over the digital power allocation vector, but also invokes the convex $\ell_\infty$ relaxation to handle the non-convex constraint imposed by analog precoding. Finally, the proposed scheme is shown via simulations to outperform state-of-the-art mmWave MIMO schemes in terms of achievable SE.

研究动机与目标

• 为克服射频链路受限的毫米波MIMO系统中频谱效率（SE）受限的问题，其中独立数据流的数量受限于射频链路数量。
• 利用广义空间复用（GenSM）通过激活天线组的索引传递额外的数据流，而无需增加额外的射频链路。
• 设计一种混合模拟与数字波束成形方案，在实际硬件约束下最大化频谱效率。
• 开发一种两步优化算法，通过$σ_{\infty}$松弛处理非凸的模拟波束成形约束，同时利用数字功率分配向量的凹性。

提出的方法

• 提出一种新型的基于GenSM的毫米波MIMO系统，数据通过幅度相位调制（APM）符号以及激活天线组的索引共同传输。
• 推导出可实现频谱效率（SE）的闭式下界，作为优化的代价函数。
• 设计一种两步混合波束成形算法：首先使用凹优化方法优化数字波束成形器，然后应用$σ_{\infty}$松弛以处理非凸的模拟波束成形约束。
• 利用信道矩阵和功率分配向量的结构，确保频谱效率下界关于数字功率分配向量为凹函数。
• 采用子连接型混合波束成形架构，在保持高谱效率的同时降低硬件复杂度。
• 在发射端引入信道状态信息（CSI），以最大化频谱效率，克服了以往基于GenSM的毫米波方案忽略CSI的局限性。

实验结果

研究问题

• RQ1 广义空间复用（GenSM）能否与毫米波MIMO中的混合波束成形有效结合，以在不增加射频链路数量的前提下提升频谱效率？
• RQ2 在实际硬件约束下，如何最大化射频链路受限的GenSM辅助毫米波MIMO系统的可实现频谱效率？
• RQ3 何种优化框架能够有效处理非凸的模拟波束成形约束，同时确保高谱效率？
• RQ4 所提出的方案在频谱效率与硬件效率方面与全数字波束成形和传统混合波束成形相比如何？

主要发现

• 所提出的方案通过利用天线索引信息作为额外数据流，在频谱效率方面优于当前最先进的射频链路受限的毫米波MIMO系统。
• 推导出的SE下界关于数字功率分配向量为凹函数，使得可通过凸优化方法实现高效优化。
• 两步混合波束成形算法成功通过$σ_{\infty}$松弛处理了非凸的模拟波束成形约束，确保了收敛性与性能增益。
• 仿真结果表明，所提出的方案在频谱效率方面优于现有的混合波束成形与GenSM辅助的毫米波MIMO方案。
• 在高信噪比（SNR）区域，可实现的SE趋近于$\log_2 M + N_R(1 - \log_2 e)$，证实了GenSM带来的理论增益。
• 即使在低SNR条件下，该方案仍保持显著的频谱效率增益，当SNR趋近于零时，下界收敛至$N_R(1 - \log_2 e)$。