We introduce a framework for linear precoder design over a massive multiple-input multiple-output downlink system in the presence of nonlinear power amplifiers (PAs). By studying the spatial characteristics of the distortion, we demonstrate that conventional linear precoding techniques steer nonlinear distortions towards the users. We show that, by taking into account PA nonlinearity, one can design linear precoders that reduce, and in single-user scenarios, even completely remove the distortion transmitted in the direction of the users. This, however, is achieved at the price of a reduced array gain. To address this issue, we present precoder optimization algorithms that simultaneously take into account the effects of array gain, distortion, multiuser interference, and receiver noise. Specifically, we derive an expression for the achievable sum rate and propose an iterative algorithm that attempts to find the precoding matrix which maximizes this expression. Moreover, using a model for PA power consumption, we propose an algorithm that attempts to find the precoding matrix that minimizes the consumed power for a given minimum achievable sum rate. Our numerical results demonstrate that the proposed distortion-aware precoding techniques provide significant improvements in spectral and energy efficiency compared to conventional linear precoders.


翻译:在非线性电力放大器(PAs)的面前,我们引入了一个线性预码设计框架,用于在非线性电力放大器(PAs)的面前对一个巨大的多输出多输出下线连接系统进行线性预码设计。通过研究扭曲的空间特征,我们证明传统的线性预码技术能够引导非线性对用户的扭曲。我们表明,考虑到PA的非线性,我们可以设计线性预码设计,在单一用户的假设中,甚至完全消除向用户方向传播的扭曲。然而,这是以减低阵列增益的价格实现的。为了解决这个问题,我们提出了预先编码优化算法,同时考虑到阵列增益、扭曲、多用户干扰和接收器噪音的影响。具体地说,我们提出了可实现的总和率的表达方式,并提出一种迭代算法,试图找到使这一表达方式最大化的预编码矩阵。此外,我们建议一种算法,试图找到能够将消耗的电量减少到最低可实现总速率的耗量最小值。我们的数字结果表明,拟议的扭曲-水分前技术在光学上对光谱和能量效率作了重大的改进。

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