JP2022532647A - プリコーダを用いるビームフォーミングされた送信 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、
は、達成可能な合計レートである。それ故に、いくつかの態様において、問題を解決することは、信号対干渉ノイズおよび歪み比(SINDR)を決定することを含む。いくつかの例では、
は、k番目のターミナルデバイスのSINDRである(k=1,2、・・・、K)。ここで、hkはk番目のターミナルデバイスに対応するM次元のチャネルベクトル、pkはプリコーディングマトリクスPのk番目の列、N0はターミナルデバイスでの熱雑音のパワーである(簡単にするために、すべてのターミナルデバイスで同じである必要がある)。さらに、B(P)はハードウェア障害に依存するM×Mゲインマトリクスであり、Ce(P)はハードウェア障害による歪みのM×M共分散マトリクスである。第1の実施形態による最適化問題は、プリコーディングマトリクスを見つけ、このためプリコーダ、および平均送信電力制約Ptotを満たす最適送信電力を見つける。
I.はじめに
大規模なマルチアンテナ送信技術と組み合わせたミリ波(mmWave)周波数帯域での無線通信は、今日の最高水準の通信システムと比較して、スペクトル効率の大幅な改善を約束する[1]。これらのテクノロジーは、第5世代(5G)セルラーネットワークを含む将来の通信システムの主要な実現要因であると考えられている[2]。最近、ミリ波マルチアンテナ送信方式の可能性を研究するための多くの学術調査が行われている(調査については、例えば[3]を参照)。ただし、これらの作業の大部分は、理想的なトランシーバハードウェアの前提に依存しており、現実的なシステムでは有効な前提ではない。
実際には、マルチアンテナシステムのパフォーマンスは、例えばアンプの非線形性、位相ノイズ、同相/直交(I/Q)の不均衡、量子化ノイズなど、種々のトランシーバのハードウェア障害によって制限される。これらの障害のモデル化とそれらによって課せられるパフォーマンスのロスの評価は、最近の関心の高いトピックである。この分野の既存の研究は、2つのグループに分類できる。第1作業グループは、単一の(または優勢な)ハードウェア障害の影響に焦点を当てている。例えば、マルチアンテナシステムのパフォーマンスに対するパワーアンプ(PA)の非線形性の影響は、例えば[4]~[6]で調査されている。[7]の作業は、PAの非線形性とクロストークが存在する場合のミリ波マルチアンテナシステムの性能(スペクトル効率とエネルギー効率の観点から)を特徴づけている。位相ノイズ、I/Q不均衡、量子化などの他のハードウェア障害の影響は、例えば[8]-[12]で調査されている。第2作業グループは、いくつかのハードウェア障害の総合的な影響の評価に関係している([13]~[15]などを参照)。これらの作業では、非理想的なハードウェアによって引き起こされる歪みは、アンテナアレイ全体で無相関の加法性ガウスノイズとしてモデル化されている。ただし、これは現実的な前提ではなく、非線形性によって引き起こされる歪みは、一般に、アンテナアレイ上で相関している[16]、[17]。より最近では、非線形アンプ、位相ノイズ、および量子化によって引き起こされる歪みを集約したハードウェア障害モデルが提供された。これは、歪み内の固有の相関関係をキャプチャする[18]。
本開示では、送信機での非線形PAの使用を考慮に入れた線形プリコーダを見つけるために、歪み認識ビームフォーミング(DAB)と呼ばれる反復スキームを提案する。具体的には、ダウンリンクミリ波マルチユーザ多入力単一出力(MISO)システムを検討し、非凸最適化問題を定式化して、合計レートの下限を最大化する線形プリコーダを見つける。これは、ほぼ勾配上昇法を使用して解決する。数値シミュレーションにより、提案されたDABプリコーダの有効性を示す。具体的には、非線形歪みを考慮に入れることにより、DABプリコーダが従来の最大比送信(MRT)およびゼロフォーシング(ZF)プリコーディングよりも優れていることを示す。
小文字と大文字の太字は、それぞれベクトルとマトリクスを示す。上付き文字(・)*、(・)T、および(・)Hは、それぞれ複素共役、転置、およびエルミート転置を示す。期待値を表すために
を使用する。||a||を使用してaのl2ノルムを示す。MxM単位マトリクスはIMで示され、M×Mオールゼロマトリクスは0M×Mで示される。
を使用して、2つの等しいサイズのマトリクスAとBのアダマール(エントリ単位)積を示す。さらに、diag(A)は正方マトリクスAの主対角である。共分散マトリクス
を持つ円対称の複素ガウスランダムベクトルの分布はCN(0M×M、C)で表される。最後に、
を使用してインジケーター関数を示す。これは、a∈Aの場合は
、a
Aの場合は
として定義される。
II. システムモデルと問題の定式化
図1に示す非線形に歪んだマルチユーザMISOシステムを検討する。ここで、Mアンテナ送信機は同じ時間-周波数リソースでK個の単一アンテナユーザにサービスを提供する。k番目(k=1、・・・、K)のユーザで受信した信号は次の式で与えられる。
ここで、
は送信機とk番目のユーザの間のチャネル(各コードワードの期間中一定であると想定)、
はプリコード化されたベクトル、wk~CN(0、N0)、は加法性ホワイトガウスノイズ(AWGN)である。ベクトルにエントリごとに適用される非線形関数
を使用して、送信機での非線形PAをモデル化する。
x=Psであるような線形プリコーディングを検討する。ここで、
はプリコーディングマトリクスであり、s=[s1,...,sK]T~CN(0KxK,IK)は送信シンボルである。
A.送信機のハードウェア障害のモデリング
システムの性能に対する非線形歪みの影響を分析するために、例えば[8]、[17]、[18]と同様に、ブッシュガンの定理[19]を使用する。非線形に歪んだ信号φ(x)を次のように書くことができる。
φ(x)=Bx+e (2)
ここで、歪み項
はxと無相関である。つまり、
である。さらに、
は対角マトリクスであり、その対角線に沿ったエントリは、m=1,..,Mに対して
で与えられる。この開示では、簡単にするために、送信機の非線形PAに3次多項式モデルを使用する。具体的には、
φ(x)=β1x+β3x|x|2 (3)
ここで、
と
はモデルパラメータであり、送信機には既知であると想定している。このような認識を取得するための可能な方法は、送信機で1つまたは少数の観測受信機を使用して無線測定を実行することである(例えば、[20]、[21]を参照)。(3)の3次多項式モデルおよびx=Psの場合、(2)のゲインマトリクスBは次のようにプリコーディングマトリクスPに依存すると考えられる。
B(P)=β1IM+2β3diag(PPH) (4)
B.達成可能な合計レート
(1)に(2)を挿入することにより、k番目のユーザで受信した信号を次のように書くことができる。
ここで、skはk番目のユーザで所望のシンボルである。(5)の実効ノイズ項
は、一般に、送信機の非線形性のために非ガウス分布であることに注意すべきである。ガウスノイズは、共分散制約下でのガウス入力の(相互情報量の観点からの)最悪の加法性ノイズであるため[22]、達成可能な合計レートは次のように定式化できる。
ここで、SINDRk(P)は、k番目のユーザでの信号対干渉ノイズおよび歪み比(SINDR)であり、次の式で与えられる。
ここで、
は、歪みeの共分散であり、次の式で与えられる(例えば、[17,式(24)]を参照)
C.最適化問題
明らかに、プリコーディングマトリクスPの選択は、(6)の合計レートに影響を与える。送信機での完全なチャネル状態情報(CSI)の仮定の下で、私たちの目的は、平均送信電力の等式制約
の下で(6)の合計レートを最大化するプリコーディングマトリクスPを見つけることである。この最適化問題は次のように定式化できる。
Rsum(P)はPの非凸関数であるため、(9)は非凸最適化問題であることに注意されたい。次に、セクションIIIで説明した反復アルゴリズムを使用してこの問題をほぼ解決する。
III.歪み-認識線形プリコーディング
以下では、制約付き非凸最適化問題(9)を、勾配上昇とそれに続く投影ステップに基づく反復スキームを使用して解決し、ソリューションの実現可能性を確保する。反復スキームの出力をDABプリコーディングマトリクスと呼ぶ。具体的には、反復ソリューションは、目的関数Rsum(P)の最も急な上昇方向に沿ってステップを実行し、続いて次のように結果のプリコーディングマトリクスを正規化することにより、プリコーディングマトリクスを更新する。
ここで、i=1,・・・,Iは、イテレーションインデックスであり、Iはイテレーションの最大数であり、μ(i)は、i番目のイテレーションのステップサイズであり、
は、(9)での電力制約が満足する更新後のプリコーディングマトリクスの正規化を表す。
の場合、プリコーディングマトリクスを
に更新し、ステップサイズをμ(i)=μ(0)にリセットする。それ以外の場合、プリコーディングマトリクスを更新しない。つまり、P(i)=P(i-1)であり、ステップサイズを
に小さくする。最後に、DABプリコーディングマトリクスとしてPDAB=P(I)を選択する。アルゴリズム1に、投影勾配上昇アプローチを使用してDABプリコーディングマトリクスを計算するために必要なステップを要約する。
次に、勾配
の閉形式の式を提供する。この式は、更新ステップ(10)を評価するために必要である。この目的のために、
は、(7)のSINDRの分子を示す。さらに、
は、(7)のSINDRの分母を示す。ここで、
と
は、それぞれマルチユーザ干渉と非線形歪みに対応する分母の一部である。
これらの定義により、勾配∇PRsum(P)は次のように書くことができる。
ここで、
と
である。したがって、勾配∇PRsum(P)を計算するには、k=1,…,Kの場合のnk(P)とdk(P)の導関数を計算する必要がある。分子から始めて、
に関する導関数は、k’=1,…,Kについて、次のように書くことができることが示され得る。
ここでは、
を次のように定義している。
さらに、
を次のように定義した。
分母の
に関する導関数は次のように書くことができる。
ここで、分母のマルチユーザ干渉項の導関数は、k’=1,...,Kについて、次の式で与えられる。
さらに、分母の非線形歪み項の導関数のm番目のエントリは、k’=1,…,K、および、m=1,...,Mについて、次の式で与えられる。
ここでhk、m=[hk]mおよびpm、k=[pk]mである。最後に、(11)、(12)、(14)、(17)、(18)および(19)を(13)に挿入することにより、勾配∇PRsum(P)の閉形式の式を取得する。
アルゴリズム1の目的関数(つまり、合計レート)は、あるイテレーションから次まで減少せず、特定のSNRに対して上位から制限されることに注意されたい。このため、このアルゴリズムの収束が保証される。ローカルな最大値ではなくグローバルな最大値に収束する可能性を高めるために、複数の初期化を使用してアルゴリズムを繰り返し、最高の合計レートを達成するソリューションを選択する。初期化のセットにMRTおよびZFプリコーディングマトリクスを含めることにより、DABプリコーダがこれらの従来の線形プリコーダよりもパフォーマンスが低下しないことを保証できる。
IV.数値例
数値シミュレーションにより、提案されたDABプリコーディングスキームの有効性を検証する。まず、アルゴリズム1の収束行動だけでなく、達成可能な合計レートを評価するために、いくつかの散乱体を含む幾何学的チャネルモデルを採用する。次に、送信信号の遠方にある放射パターンを研究する。これにより、提案されたプリコーディング方式の作動原理についての洞察が得られる。
以下では、特に明記しない限り、M=16アンテナ、β1=0.98、β3=-0.04-0.01j、およびPtot=43dBmに設定する。反復回数をI=50に設定し、P(0)の50の異なる初期化に対してアルゴリズム1を実行する。具体的には、アルゴリズム1をMRTおよびZFプリコーディングマトリクスと48個のランダム初期化(P(0)の要素がガウス分布から抽出される場合)で初期化する。
A.幾何学的チャネルモデル
見通し外(nLoS)環境でのmm波チャネルのスパース散乱特性をキャプチャするために、つまり、支配的なパスがない場合、k=1,...,Kについて、例えば[23]、[24]のように、Lの散乱体を有する幾何学的なチャネルモデルを採用する。
ここで、ak、l~CN(0,γ2)は、l番目のパスに対応するチャネルゲイン(パスロスを含む)である。ここで、γ2は平均パスロスである。さらに、ψk、lはl番目のパスの出発角度(AoD)であり、a(ψk、l)は対応するアレイ応答ベクトルである。送信アンテナは、m=1,...,Mについて、a(ψk、l)のm番目のエントリが
となるように、λc/2間隔(λcはキャリア波長)の均一線形アレイ(ULA)に配置されていると仮定する。シミュレーション全体を通して、信号対雑音比(SNR)の次の定義を使用する。
B.パフォーマンスの比較
図6では、K=2の場合、DABプリコーディングによって達成された合計レートを、SNRの関数として従来のMRTおよびZFプリコーディングによって達成された合計レートと比較している。AoD ψk、lが、区間[0°,180°]に均一に分布していると仮定して、(20)のモデルを使用して生成された103のランダムチャネル実現にわたる(6)の合計レートを平均する。[25、表I]に示されているnLoSパスロスモデルを採用し、システムが平均距離でキャリア周波数fc=28GHz(λc≒10.7mmとなるように)で動作すると仮定する。送信機からユーザまでの平均距離が20mの場合、平均パス損失はγ2=-110dBであることがわかる。
図6から、DABプリコーディングは、非線形PAによって導入される歪みを考慮しない従来の線形プリコーダよりも優れていることがわかる。パフォーマンスの向上は、パフォーマンスが非線形歪みによって制限される高SNRレジームで特に顕著である。低SNRレジームでは、つまり、熱雑音が非線形歪み(およびマルチユーザ干渉)を支配する場合、DABプリコーダのパフォーマンスはMRTプリコーダのパフォーマンスと一致する。
C.遠方界放射パターン
DABプリコーディングが高SNRで従来の線形プリコーダよりも優れている理由を理解するために、図5に、K∈{1,2}ユーザおよびSNR∈{-10,30}dBの送信信号の遠方界放射パターンを示す。(2)から想起できるように、送信信号は非線形性への入力の線形関数と歪み項の合計として記述できる。ψ方向の線形成分の累乗はaT(ψ)BPPHBHa*(ψ)である。ψ方向の歪み項の累乗はaT(ψ)Cea*(ψ)である。図5では、K=1の場合、h1=a(ψ1)、ψ1=90°に設定する。K=2の場合、h1=a(ψ1)およびh2=a(ψ2)、ψ1=30°およびψ2=90°に設定する。参考までに、SNR動作点に依存しないMRTプリコーディングの遠方界放射パターンも示す。
図5(a)と図5(b)から、MRTプリコーディングを使用すると、歪みがユーザに向けてビーム形成されることがわかる。一方、高いSNR値の場合、DABプリコーディングは、結果として生じるSINDRを改善するために、ユーザの方向に送信される歪みを最小限に抑える。これは、図5(e)で特に明白になる。ここでは、DABプリコーディングにより、ユーザへのアレイゲインの低下と不要な方向への放射の増加を犠牲にして、ユーザの方向の歪みがゼロになることがわかる(このシナリオではψ1=90°であることが想起される)。これにより、パフォーマンスが非線形歪みによって制限される高SNRレジームでDABがMRTおよびZFよりも優れている理由が明らかになる。パフォーマンスが熱雑音によって制限される低いSNR値の場合、DABプリコーダは代わりに、ユーザの方向のアレイゲインを最大化して、受信電力を最大化する。したがって、DABプリコーダはMRTソリューションと一致する(例えば、図5(a)および図5(b)を、図5(c)および図5(d)と比較)。
V.結論
本開示では、歪み認識線形プリコーダを計算するための反復スキームを提案した。提案された方式は、送信機で非線形PAが使用される場合に、ミリ波マルチユーザMISOダウンリンクチャネルを介して従来の線形プリコーダと比較して大幅なゲインをもたらすことが示されている。高SNRレジームとシングルユーザの場合、提案されたアルゴリズムはユーザの方向の歪みをゼロにできることを観察した。
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Claims (21)
- プリコーダ(240)を用いるビームフォーミングされた送信のための方法であって、前記方法は、無線トランシーバデバイス(200a、200b)によって実行され、前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)は、ハードウェアを備え、前記ハードウェアは、前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)からの信号の送信に影響を与えており、前記方法は、
前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)と少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)との間の無線伝搬チャネルのチャネル条件を取得する(S102)ことと、
線形プリコーディングマトリクスの形態で、前記少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)に向けたビームフォーミングされた送信のためにプリコーダ(240)を決定する(S104)ことであって、前記プリコーダ(240)は、前記チャネル条件と、前記ハードウェアが前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)からの前記信号の送信にどのような影響を与えるかのモデルと、に応じて決定される、ことと、
前記プリコーダ(240)を用いて、前記少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)に向けて信号を送信する(S106)ことと、
を有する、方法。 - 前記ハードウェアはパワーアンプ(258)を備え、前記モデルは前記パワーアンプ(258)の入出力特性が前記送信にどのように影響するかを表す、請求項1に記載の方法。
- 前記パワーアンプ(258)は、前記信号を前記少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)に向けて送信するときに、前記パワーアンプ(258)の非線形領域で動作する、請求項2に記載の方法。
- 前記ハードウェアはオシレータ(254)を備え、前記モデルは前記オシレータ(254)の位相ノイズが前記送信にどのように影響するかを表す、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ハードウェアはデジタル-アナログコンバータ(252)を備え、前記モデルは前記デジタル-アナログコンバータ(252)のビット解像度が前記送信にどのように影響するかを表す、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ハードウェアは、前記モデルに応じて、前記送信に無記憶性および/または非線形の影響を与える、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プリコーダ(240)は、非凸最適化問題を解くことによって決定される、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プリコーダ(240)は、合計レート最適化問題、ユーザ単位最大最小レート問題、または平均二乗誤差問題を解くことによって決定される、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 入力パラメータとしての前記最適化問題は、前記チャネル条件、前記モデル、送信電力制約、および前記ハードウェアの影響を受けないデフォルトのプリコーダ(240)を有する、請求項7または8に記載の方法。
- 前記最適化問題を解くことは、送信される前記信号を表す信号ベクトルに前記プリコーダ(240)を適用するときに与えられる前記送信電力制約のもとで、前記プリコーダ(240)の達成可能な合計レートを最大化することを含む、請求項7から9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記問題を解くことは、信号対干渉ノイズおよび歪み比を決定することを含む、請求項7から10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記チャネル条件は、チャネル状態情報によって規定され、前記無線伝搬チャネルにおける干渉の情報を含む、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記モデルは、前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)に事前設定されている、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記モデルは、推定によって得られる、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)は、前記信号が送信される送信アンテナ要素(260)を備え、前記少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)に向けて前記信号を送信するときには、全前記送信アンテナ要素(260)よりも少ない数の送信アンテナ要素が利用される、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
- 前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)は、無線アクセスネットワークノード(140)またはターミナルデバイス(150)の一部である、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
- プリコーダ(240)を用いるビームフォーミングされた送信のための無線トランシーバデバイス(200a、200b)であって、前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)は、ハードウェアを備え、前記ハードウェアは、前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)からの信号の送信に影響を与え、前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)は、処理回路(210)をさらに備え、前記処理回路は、前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)に、
前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)と少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)との間の無線伝搬チャネルのチャネル条件を取得することと、
線形プリコーディングマトリクスの形態で、前記少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)に向けたビームフォーミングされた送信のためにプリコーダ(240)を決定することであって、前記プリコーダ(240)は、前記チャネル条件と、前記ハードウェアが前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)からの前記信号の送信にどのような影響を与えるかのモデルと、に応じて決定される、ことと、
前記プリコーダ(240)を用いて、前記少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)に向けて信号を送信することと、
を実行させるように設定されている、無線トランシーバデバイス。 - プリコーダ(240)を用いるビームフォーミングされた送信のための無線トランシーバデバイス(200a、200b)であって、前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)は、ハードウェアを備え、前記ハードウェアは、前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)からの信号の送信に影響を与え、前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)は、
前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)と少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)との間の無線伝搬チャネルのチャネル条件を取得するように設定された取得モジュール(210a)と、
線形プリコーディングマトリクスの形態で、前記少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)に向けたビームフォーミングされた送信のためにプリコーダ(240)を決定するように設定された決定モジュール(210b)であって、前記プリコーダ(240)は、前記チャネル条件と、前記ハードウェアが前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)からの前記信号の送信にどのような影響を与えるかのモデルと、に応じて決定される、決定モジュール(210b)と、
前記プリコーダ(240)を用いて、前記少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)に向けて信号を送信するように設定された送信モジュール(210c)と、
をさらに備える、無線トランシーバデバイス。 - 請求項2から16のいずれか一項に記載の方法を実行するようにさらに設定されている、請求項17または18に記載の無線トランシーバデバイス(200a、200b)。
- プリコーダ(240)を用いるビームフォーミングされた送信のためのコンピュータプログラム(1020)であって、前記コンピュータプログラムは、コンピュータコードを有し、前記コンピュータコードは、無線トランシーバデバイス(200a、200b)からの信号の送信に影響を与えるハードウェアを備えた前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)の処理回路(210)上で実行されると、前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)に、
前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)と少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)との間の無線伝搬チャネルのチャネル条件を取得する(S102)ことと、
線形プリコーディングマトリクスの形態で、前記少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)に向けたビームフォーミングされた送信のためにプリコーダ(240)を決定する(S104)ことであって、前記プリコーダ(240)は、前記チャネル条件と、前記ハードウェアが前記無線トランシーバデバイス(200a、200b)からの前記信号の送信にどのような影響を与えるかのモデルと、に応じて決定される、ことと、
前記プリコーダ(240)を用いて、前記少なくとも1つの他の無線トランシーバデバイス(200a、200b)に向けて信号を送信する(S106)ことと、
を実行させる、コンピュータプログラム。 - 請求項20に記載のコンピュータプログラム(1020)と、前記コンピュータプログラムが格納されるコンピュータ可読記憶媒体(1030)と、を有するコンピュータプログラム製品(1010)。
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