Low-PAR Precoding for Very-Large Multi-User MIMO Systems

Sammanfattning: Storskaliga fleranvändar-MIMO-system, med hundratals basstationsantenner, studeras med allt större intresse både inom akademin och industrin. En anledning är att sådana system kan betjäna flera enantennsanvändare samtidigt över samma tids-frekvens-resurs med fleranvändarförkodning. Det innebär högre datahastigheter och bättre spektral effektivitet. En annan anledning är att basstationens energiförbrukning förväntas avta linjärt med antalet antenner tack vare den ökade antennförstärkningen. För att möjliggöra den stora ökningen av antalet antenner, måste priset per antenn, med dess sändtagarkedja, vara lågt. Vore det möjligt att tillverka basstationsantenner av billiga, massproducerade mobiltelefonskomponenter, som effektförstärkare utan avancerad linearisering, då skulle storskalig fleranvändar-MIMO kunna bli verklighet. Effektförstärkare i mobiltelefoner är generellt anpassade att ha hög verkningsgrad och har, i och med detta, kraftigt olinjära överföringsegenskaper. Det är fördelaktigt att sända signaler med lågt toppvärde genom sådana effektförstärkare, för att undvika svår distortion och för att maximera verkningsgraden genom att endast använda en liten avbackning från arbetspunkten. Konventionellt förkodade signaler har tyvärr högt toppvärde (ca. 10 dB). Detta arbete har undersökt en av Mohammed m.fl. (2013a) föreslagen förkodning för storskalig MIMO som resulterar i sändarsignaler med lågt toppvärde. Det visas att denna förkodning ger signaler med ett toppvärde på 4 dB, och att toppvärdet kan göras godtyckligt litet genom att dessutom begränsa fasvariationen. Ju mer fasen begränsas, desto lägre blir emellertid antennförstärkning. Till exempel om fasvariationen begränsas till π/2, sänks toppvärdet till 2,6 dB, men 2-3 dB högre sändareffekt behövs för att bibehålla samma prestanda eller, likvärdigt, så måste basstationen utrustas med 1,6-2,0 gånger fler antenner. Kontinuerlig fasmodulering som ett sätt att få sändarsignaler med konstant envelopp har studerats kort. Lågtoppvärdesförkodning, där sändarsignalerna ligger innanför en cirkel, föreslås som ett sätt att minska den erfodrade sändareffekten utan att öka toppvärdet märkvärt (<4,5 dB) relativt Mohammeds m.fl. förkodning. Förkodningsalgoritmen som utvecklades för detta fastnade dock i lokala minima, vilket försämrade dess prestanda. Sändareffekten kunde därför endast minskas lite grand (<1 dB) vid höga datahastigheter. En preliminär länkbudget baserad på en enkel effektförstärkarmodell har visat att, med fullständig kanalkännedom och i frekvensplatt fädning, skulle lågtoppvärdesförkodning kunna minska energiförbrukningen med 33 % jämfört med konventionell, linjär förkodning i en basstation med 100 antenner. Analysen antyder att olineariserade klass AB mobiltelefonseffektförstärkare kan vara ett alternativ för storskalig fleranvändar-MIMO-basstationer.