Добавить новость
ru24.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




Moscow.media
Частные объявления сегодня





Rss.plus




Италия и Питер: самые популярные направления этой осени у российских туристов вызвали удивление

Джинсовые бермуды 2025: ключевой тренд лета и осени

Петербургский международный экономический форум стартовал

Московский оркестр MetalliadA сыграет в Петербурге свои симфонические сюиты


‘Big Short’ investor warns the precarious tariff environment reminds him of WWI—and a trade war would send the U.S. into a recession

Infamous author James Frey gets spanked by lit establishment amid kinky book launch

JPMorgan Chase partners with Coinbase to launch deposit token for institutional clients

Traversal emerges from stealth with $48 million from Sequoia and Kleiner Perkins to reimagine site reliability in the AI era


Вид на деревню Наурузово, Учалинский район, Башкортостан

Петербургский международный экономический форум стартовал

Фотографии за 30 лет в никуда: киберэксперт о рисках облачного хранения данных

Киберэксперт Жданухин: обновления недостаточно для полной безопасности сервиса «Яндекс Телемост»


Turtle Beach Stealth 600 (Gen 3) review

My new favorite budget gaming keyboard proves the best gaming keebs don't have to be $200 enthusiast slabs of switches

Elon Musk's latest gaming take is ruthlessly mocked by Bioshock fans: 'Probably thinks Andrew Ryan was the hero'

Тактическая стратегия Spaceland вышла за пределами Apple Arcade



«Победа», «585*ЗОЛОТОЙ» и Vasilchuki Chaihona №1 запустят «Свадебный рейс» в День семьи, любви и верности

Путин заявил, что Россия находится в контакте и с Израилем, и с Ираном

Дети войны достойны памяти и уважения!

На юго-востоке Москвы из-за крупного ДТП перекрыли движение




Читатели "Газеты.Ru" поделились печальным опытом отдыха в Таиланде

Овчинский: для стройотрасли Москвы пройдет мастер-класс по 3D моделированию

Сергей Собянин. Главное за день

Смбат Алиханян: "Катар - зачем русскоязычным предпринимателям открывать бизнес в Дохе?"


Министр Годой: в Венесуэле ожидают новой встречи Путин и Мадуро

Пропавшую два дня назад студентку нашли убитой под Краснодаром

Третьего фигуранта дела «Торпедо» отправили под домашний арест

Мостовой выступил против включения белорусских клубов в РПЛ


Квитова планирует уйти из профессионального тенниса после US Open

Теннисист Карен Хачанов вышел в полуфинал турнира в Галле

Первая ракетка Франции Фис снялся с Уимблдона

Теннисист Медведев одержал 400-ю победу на турнирах ATP


Секс-символ и будущий отец. Как Макар Игнатов залечил раны Трусовой после ее разрыва с Кондратюком

Выбросило в поле от удара: появились детали ДТП с Ferrari в Москве

РВБ стала партнёром Физтех-лицея имени П.Л. Капицы и Фонда развития физтех-школ

Григорий Заславский выразил соболезнования семье Валентины Талызиной


Музыкальные новости

Певец Эмин Агаларов на ПМЭФ похвалил Татарстан за новый театр Камала

49-летняя Анастасия Волочкова заявила об отказе от услуг косметологов: «Лучше лицо в купель ледяную окуну»

Андрей Мерзликин разводится, Григорий Лепс женился, а Агата Муцениеце беременна не от жениха

Тимати честно ответил на вопрос, слушает ли он собственные хиты: видео Super



Названы ключевые тенденции в дизайне логотипов 2025 года

Дети войны достойны памяти и уважения!

«Победа», «585*ЗОЛОТОЙ» и Vasilchuki Chaihona №1 запустят «Свадебный рейс» в День семьи, любви и верности

Путин заявил, что Россия находится в контакте и с Израилем, и с Ираном


Старовойт заявил о готовности России возобновить авиарейсы в Кишинев

На ПМЭФ показали «Лабубу» с лицами Лаврова, Пескова и Набиуллиной

Путин: Россия и Китай не формируют, а только оформляют новый миропорядок

Военкор Котенок: Рад, что помощник Кадырова может объяснить, кто русский


РЕН ТВ: Автомобили Ferrari и Geely столкнулись в Москве

Выбросило в поле от удара: появились детали ДТП с Ferrari в Москве

На юго-востоке Москвы из-за крупного ДТП перекрыли движение

На Дмитровском шоссе опрокинулся грузовик


«Не было никаких свидетельств»: Путин заявил об отсутствии доказательств стремления Ирана получить ядерное оружие

Путин позитивно оценил московскую систему видеонаблюдения

Сара Вагенкнехт просит канцлера Германии Мерца поговорить с Путиным

В Москве Путин возложит венок к Могиле Неизвестного Солдата 22 июня





Актриса, врач и секс-символ СССР. Как сегодня живет роковая красотка из 80-х Татьяна Друбич

Терапевт Чернышова рассказала, от чего можно умереть во время пробежки

Москвичка оставила младенца бороться с бронхитом без традиционного лечения

Американка родила после смерти: как это повлияет на здоровье ребенка



Танцоры Бердска завоевали гран-при престижного конкурса

На ПМЭФ заключено соглашение о строительстве спортивных объектов в Москве

В федерации кикбоксинга прокомментировали отказ в допуске к чемпионату Европы под названием «Дурдом»

Суд арестовал владельца московского "Торпедо" Соболева на два месяца


В Минске стали известны подробности встречи Лукашенко с с Бастрыкиным

Лукашенко вынес предупреждение делегации США

Президент Белоруссии принимает в Минске спецпосланника президента США Келлога

Заместитель Келлога приветствовал Лукашенко в Минске фразой "мой друг"



«Недруги — столбенеют»: Захарова поздравила Собянина с днем рождения

Собянин и Костин: строительство спорткомплексов в Москве к 2029 году

Собянин: Москва наращивает объемы турпотока с Китаем, с Индией и ОАЭ

Собянин: Технологии избавили москвичей от 1,5 миллиарда лишних бумажных документов


Москвичи участвуют в 35 волонтерских акциях: от подарков до экологии

От пчелы до экосистемы: музей, который сохраняет Алтай

Два российских амфибийных самолета начали борьбу с пожарами в Турции

За сутки в России ликвидировали 19 природных пожаров


Алкоголизм, любовники, сумасшедший дом: драмы в личной жизни Валентины Талызиной

Финалисты "Команды России" начали обучение в "Сенеже"

РИА Новости: в отношении экс-замглавы МО Иванова возбудили новое дело о взятке

Памятник Ивану Грозному может появиться в Вологде ко Дню народного единства


На вёслах сквозь века: из Дубны в Архангельск стартовала поморская экспедиция на ёле и карбасе

В Архангельской области многоэтажки на спецсчетах могут остаться без лифтов после 2030 года

Отключения коммунальных услуг в Архангельске 20 июня 2025 года

Вопрос объединения Архангельской области и НАО снят с повестки дня


«Авторадио» расширяет зону вещания в Крыму

Севастополь вошел в топ регионов по инвестиционной привлекательности

Скалолазы из Ялты завоевали два золота на всероссийских соревнованиях

В Севастополе появятся кластеры среднего профессионального образования


Алкоголизм, любовники, сумасшедший дом: драмы в личной жизни Валентины Талызиной

Музыка, литература и кино: редкие произведения писателей прозвучали на фестивале в Гатчине

Финалисты "Команды России" начали обучение в "Сенеже"

РИА Новости: в отношении экс-замглавы МО Иванова возбудили новое дело о взятке












Спорт в России и мире

Новости спорта


Новости тенниса
Петра Квитова

Квитова планирует уйти из профессионального тенниса после US Open






Григорий Заславский выразил соболезнования семье Валентины Талызиной

МВД России: мошенники выдают себя за сотрудников полиции и банков

Музыка, литература и кино: редкие произведения писателей прозвучали на фестивале в Гатчине

РИА Новости: в отношении экс-замглавы МО Иванова возбудили новое дело о взятке