Добавить новость
smi24.net
News in English
Май
2024

Learning the imperfections: a new approach to using neural networks for low-power digital pre-distortion (DPD) in mmWave systems

0

Engineers at Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) have demonstrated a simple computational approach for improving the linearization of power amplifiers (PA), such as those used in mmWave systems and other telecommunication systems. The proposed technique involves training small neural networks to directly estimate the coefficients of a polynomial for digital pre-distortion (DPD) based on their frequency response during calibration sweeps.

Figure 1.
Overview of the proposed architecture for digital pre-distortion (DPD), connected in between the baseband layer (BB) and the analog front-end (AFE). The top part operates continuously during transmission, whereas the bottom part is only involved in updating the calibration coefficients. Image usage restrictions: None, Image credit: Ludovico Minati.

In the world around us, a quiet but very important evolution has been taking place in engineering over the last decades. As technology evolves, it becomes increasingly clear that building devices that are physically as close as possible to being perfect is not always the right approach. That's because it often leads to designs that are very expensive, complex to build, and power-hungry. Engineers, especially electronic engineers, have become very skilled in using highly imperfect devices in ways that allow them to behave close enough to the ideal case to be successfully applicable. Historically, a well-known example is that of disk drives, where advances in control systems have made it possible to achieve incredible densities while using electromechanical hardware littered with imperfections, such as nonlinearities and instabilities of various kinds.

A similar problem has been emerging for radio communication systems. As the carrier frequencies keep increasing and channel packing becomes more and more dense, the requirements in terms of linearity for the radio-frequency power amplifiers (RF-PAs) used in telecommunication systems have been getting stringent. Traditionally, the best linearity is provided by designs known as "Class A", which sacrifice great amounts of power to maintain operation in a region where transistors respond in the most linear possible way. On the other hand, highly energy-efficient designs are affected by nonlinearities that render them unstable without suitable correction. The situation has been getting worse because the modulation systems used by the latest cellular systems have a very high power ratio between the lowest- and highest-intensity symbols. Specific RF-PA types such as Doherty amplifiers are highly suitable and power-efficient, but their native non-linearity is not acceptable.

Over the last two decades, high-speed digital signal processing has become widely available, economical, and power-efficient, leading to the emergence of algorithms allowing the real-time correction of amplifier non-linearities through intentionally "distorting" the signal in a way that compensates the amplifier's physical response. These algorithms have become collectively known as digital pre-distortion (DPD), and represent an evolution of earlier implementations of the same approach in the analog domain. Throughout the years, many types of DPD algorithms have been proposed, typically involving real-time feedback from the amplifier through a so-called "observation signal", and fairly intense calculations. While this approach has been instrumental to the development of third- and fourth-generation cellular networks (3G, 4G), it falls short of the emerging requirements for fifth-generation (5G) networks, due to two reasons. First, dense antenna arrays are subject to significant disturbances between adjacent elements, known as cross-talking, making it difficult to obtain clean observation signals and causing instability. The situation is made considerably worse by the use of ever-increasing frequencies. Second, dense arrays of antennas require very low-power solutions, and this is not compatible with the idea of complex processing taking place for each individual element.

"We came up with a solution to this problem starting from two well-established mathematical facts. First, when a non-linearity is applied to a sinusoidal signal, it distorts it, leading to the appearance of new frequencies. Their intensity provides a sort of signature, that, if the non-linearity is a polynomial, is almost univocally associated with a set of coefficients. Second, multi-layer neural networks, of the early kinds, introduced decades ago, are universal function approximations, therefore, are capable of learning such an association, and inverting it," explains Prof. Ludovico Minati, leading inventor of the patent on which the study is based and formerly a specially-appointed associate professor at Tokyo Tech.

The most recent types of RF-PAs based on CMOS technology, even when they are heavily nonlinear, tend to have a relatively simple response, free from memory effects. "This implies that the DPD problem can be reduced to finding the coefficients of a suitable polynomial, in a way that is quick and stable enough for real-world operation," explains Dr. Aravind Tharayil Narayanan, lead author of the study. Through a dedicated hardware architecture, the engineers at the Nano Sensing Unit of Tokyo Tech were able to implement a system that automatically determines the polynomial coefficients for DPD, based on a limited amount of data that could be acquired within the course of a few milliseconds. Performing calibration in the "foreground", that is, one path at a time, reduces issues related to cross-talk and greatly simplifies the design. While there is no observation signal needed, the calibration can adjust itself to varying conditions through the inputs of additional signals, such as die temperature, power supply voltage, and settings of the phase shifters and couplers connecting the antenna. While standards compliance may pose some limitations, the approach is in principle widely applicable.

"Because there is very limited processing happening in real-time, the hardware complexity is truly reduced to a minimum, and the power efficiency is maximized. Our results prove that this approach could in principle be sufficiently effective to support the most recent emerging standards. Another very convenient feature is that a considerable amount of hardware can be shared between elements, which is particularly convenient in dense array designs", added Prof. Hiroyuki Ito, head of the Nano Sensing Unit of TokyoTech where the technology was developed. As a part of an industry-academia collaboration effort funded by NEDO, the authors were able to test the concept on realistic, leading-edge hardware operating at 28 GHz provided by Fujitsu Limited, working in close collaboration with a team of engineers in the Product Planning Division of the Mobile System Business Unit. Future work will include large-scale implementation using dedicated ASIC designs, detailed standards compliance analysis and realistic benchmarking on the field under a variety of settings.

An international PCT application for the methodology and design has been filed, and the related results are reported in a recent article published in the prestigious journal IEICE Electronics Express [1,2].

Acknowledgments

This press release is based on results obtained from the project, "Research and Development Project of the Enhanced infrastructures for Post 5G Information and Communication Systems" JPNP 20017, commissioned by the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).

References

[1] PCT/JP2022/038955, SYSTEM FOR COMPENSATING THE NON-LINEAR DISTORTION INTRODUCED BY A RADIO POWER AMPLIFIER BASED ON HARMONIC ANALYSIS

[2] A.T. Narayanan, L. Minati, A. Hagihara, J. Kobayashi, T. Shimura, Y. Kawano, P. Chakraborty, J. Bartels, K.K. Tokgoz, S. Dosho, T. Suzuki, H. Ito. A Neural Network-Based DPD Coefficient Determination for PA Linearization in 5G and Beyond-5G mmWave Systems. IEICE Electronics Express, Vol.VV, No.NN, pp.1–6, April 2024. DOI: 10.1587/elex.21.20240186
* Corresponding authors' emails: ito@pi.titech.ac.jp, lminati@ieee.org

Further Information

Associate Professor Hiroyuki Ito

Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology

Email ito@pi.titech.ac.jp

Contact

Public Relations Division, Tokyo Institute of Technology

Email media@jim.titech.ac.jp
Tel +81-3-5734-2975








Депрессия: если ее не лечить, она полностью захватывает человека и отравляет все сферы его жизни

Гастроэнтеролог Садыков: 2 киви в день и вы забудете про запоры

Собственный пляж на территории загородного комплекса

Врач-гигиенист клиники «Мегастом» Инна Гришина: как понять, что вам нужна помощь стоматолога


26yo Man Utd star returns to training today, gets new shirt number

The 200 Prime Day 2025 deals you can still get

Ricci: ‘Quick chat’ with Gattuso, Milan transfer ‘fundamental’ for Italy career

WPP names Microsoft executive Rose as CEO in turnaround push


Большая, дружная, счастливая…

Придорожная попрошайка

Самый надежный компактный кроссовер по-прежнему доступен в РФ: известны цены

Судебные приставы Марий Эл отправили на лечение женщину с опасным для окружающих заболеванием


Игровой тест Samsung Galaxy Z Fold7 за 193 000 рублей

EverRun: лошади-хранители 2025.2.0

Баллистическая защита 2.9.1

Capcom cancels a presentation on Monster Hunter Wilds performance at CEDEC 2025 amid ongoing developer harassment



Активы "Главпродукта" и его главы обращены в доход государства за вывод прибыли

Понижение температуры в столичном регионе начнется с 14 июля

Подозреваемый в наезде на пешеходов на Бережковской набережной в Москве был пьян

Предполагаемый водитель машины, влетевшей в людей в Москве, был нетрезв


4600 рублей в сутки. Алтай вошел в тройку регионов с самыми дешевыми дачами для туристов

Нас ждет рекордная жара: синоптики сделали прогноз на 3 месяца, погода удивляет все больше

РИА Новости: жалобу родственницы Жириновского не рассмотрели из-за ее адвоката

«Голоса Ленинграда» анимационный сериал, основанный на реальных историях представили в Петербурге


После паузы: как вернуть интимную близость в отношения

«Спартак» со счетом 2:1 обыграл «Родину» в товарищеском матче

Расширение программы стажировок для иностранных студентов в России.

После ДТП в центре Москвы двое взрослых находятся в тяжелом состоянии


Людмила Самсонова уступила Швентек в четвертьфинале Уимблдона

Синнер: Снова выйти на один корт с Алькарасом — большая честь для меня

Теннисистка Соболенко о вылете с Уимблдона: не хочу снова столкнуться с хейтом

Тренер Янчук заявил, что 18-летнюю Андрееву не нужно сравнивать с Шараповой


После паузы: как вернуть интимную близость в отношения

Поднятия налоговой ставки на старые автомобили ждут автодилеры

Синоптик Вильфанд: 14 и 15 июля в Москве выпадет 25% от месячной нормы осадков

Москалькова предложила расширить полномочия омбудсменов для работы с семьями военнопленных


Музыкальные новости

Концерт и детская интерактивная программа от проекта «Лето в Москве» пройдут в Зеленограде

Волочкова посоветовала Мамаевой лечь в психбольницу: «Капать препараты от зависти»

В Великобритании прошел королевский банкет: принц Уильям и Кейт Миддлтон, Элтон Джон, Мик Джаггер и другие гости

У Ивлеевой с долгами — финал, у мужа — пролог. Суд потребовал с Филиппа Бегака оплату коммуналки


Предполагаемый водитель машины, влетевшей в людей в Москве, был нетрезв

Подозреваемый в наезде на пешеходов на Бережковской набережной в Москве был пьян

Активы "Главпродукта" и его главы обращены в доход государства за вывод прибыли

На Дальнем Востоке – самое дорогое мороженое в России


ГК «ЛокоТех» приняла участие в работе индустриального центра компетенций «Железнодорожное машиностроение»

Тревожная тишина: «Спартак» не усилился в летнее трансферное окно и может лишиться Угальде и Барко

Фантастически высокие температуры прогнозируют в регионах России

Панарин признался, что всегда ощущал себя особенным


Подозреваемый в наезде на пешеходов на Бережковской набережной в Москве был пьян

Полиция задержала водителя, въехавшего в толпу пешеходов в Москве

Нетрезвый водитель арестован за наезд на пешеходов в центре Москвы

РИА Новости: сбивший на автомобиле людей в Москве мужчина признал вину


Песков после угроз Трампа «разбомбить Москву» испугался отвечать СМИ: «Адресуйте вопросы в Белый дом»

Путин и Трамп: ожидания и реальность в вопросе санкций Москвы

Путин поручил МИДу организовать международные соревнования по адаптивному спорту под эгидой мировых организаций

Путин подписал указ о продвижении русской литературы за рубежом через переводы




Получившего страшный удар током петрозаводского подростка выписали из больницы

Демобилизованные участники СВО получают санаторно-курортное лечение в реабилитационных центрах Социального фонда

Гастроэнтеролог Садыков: 2 киви в день и вы забудете про запоры

Гастроэнтеролог Садыков: 2 киви в день и вы забудете про запоры



В Москве 27 тыс. школьников готовятся к олимпиадам: рост на 70%

Путин поручил МИДу организовать международные соревнования по адаптивному спорту под эгидой мировых организаций

Воронежский «Буран» лишился одного из соперников по чемпионату ВХЛ

Свадьба с Авериной, отношения с Сидоровой и развод с Лобановой: кто из спортсменок крутил романы с Соловьёвым



Сергей Собянин: Екатерининский парк будет благоустроен

Сергей Собянин рассказал, как в этом году Москва отметит День города

Мэрия Москвы выделяет до 5 млн рублей на патентование изобретений

Собянин: Обновление жилого фонда в Москве будет поэтапным и планомерным


Синоптики рассказали о погоде в Москве

Сергей Собянин анонсировал обновление Екатерининского парка в Москве

Природные катаклизмы с ураганами и градом придут в Ярославль в августе

Синоптик Тишковец: в пятницу Москву ожидает жара до +36 градусов


Усама Офейса: «Больше всего меня удивил климат»

Синоптик Вильфанд: 14 и 15 июля в Москве выпадет 25% от месячной нормы осадков

На Алтае мужчина без прав попытался скрыться от полицейских и погиб в ДТП

Ушла из жизни народный учитель Якутии Нина Алексеева


В Архангельске увековечили память первого губернатора Павла Балакшина

Спортсмены из Карелии дважды пересекли Полярный круг на яхте

В Мезенском районе вынесен приговор о присвоении денежных средств

Центр инноваций в травматологии и ортопедии запустил второй поток стажировки будущих протезистов


Эксперт прокомментировал слова Трампа о санкциях против России

Пять городов в Крыму вошли в топ направлений для автотуристов в июле

Ученые из Севастополя оценят последствия ударов США по Ирану

Погода 12 июля: днём до +33


Поднятия налоговой ставки на старые автомобили ждут автодилеры

После паузы: как вернуть интимную близость в отношения

На Алтае мужчина без прав попытался скрыться от полицейских и погиб в ДТП

Усама Офейса: «Больше всего меня удивил климат»














СМИ24.net — правдивые новости, непрерывно 24/7 на русском языке с ежеминутным обновлением *