[論文レビュー] Dynamic Metasurface Antennas for MIMO-OFDM Receivers with Bit-Limited ADCs

Hanqing Wang, Nir Shlezinger+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2019

Antenna Design and Analysis参考文献 47被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ビット制限付きのアナログ・デジタル変換（ADC）を伴うMIMO-OFDM受信機において、タスクベースの量子化を活用して事前量子化アナログ結合を最適化する、動的メタサーフェス素子アンテナ（DMA）の提案を行う。DMAsの周波数選択性および再構成可能な応答特性を活用することで、従来の位相シフト器ベースのハイブリッド構造と比較して最大7.5 dBのSNR向上を達成し、高いデータレート、低消費電力、低コストのマスコミ MIMO システムを実現する。

ABSTRACT

The combination of orthogonal frequency modulation (OFDM) and multiple-input multiple-output (MIMO) systems plays an important role in modern communication systems. In order to meet the growing throughput demands, future MIMO-OFDM receivers are expected to utilize a massive number of antennas, operate in dynamic environments, and explore high frequency bands, while satisfying strict constraints in terms of cost, power, and size. An emerging technology to realize massive MIMO receivers of reduced cost and power consumption is based on dynamic metasurface antennas (DMAs), which inherently implement controllable compression in acquisition. In this work we study the application of DMAs for MIMO-OFDM receivers operating with bit-constrained analog-to-digital converters (ADCs). We present a model for DMAs which accounts for the configurable frequency selective profile of its metamaterial elements, resulting in a spectrally flexible hybrid structure. We then exploit previous results in task-based quantization to show how DMAs can be configured to improve recovery in the presence of constrained ADCs, and propose methods for adjusting the DMA parameters based on channel state information. Our numerical results demonstrate that the DMA-based receiver is capable of accurately recovering OFDM signals. In particular, we show that by properly exploiting the spectral diversity of DMAs, notable performance gains are obtained over existing designs of conventional hybrid architectures, demonstrating the potential of DMAs for MIMO-OFDM setups in realizing high performance massive antenna arrays of reduced cost and power consumption.

研究の動機と目的

• 大規模ADCアレイに起因する高コストおよび高消費電力の問題に対処すること。
• 量子化が信号復元に歪みをもたらすビット制限付きADCシステムにおける性能制限を克服すること。
• 動的メタサーフェスアンテナ（DMA）の再構成可能で周波数選択性のある特性を活用し、量子化下でも信号復元を向上させる適応的アナログ結合を実現すること。
• チャネル状態情報（CSI）を用いてDMAの設定を最適化するハイブリッド受信構造を設計し、推定誤差を最小化すること。
• 厳密なビット予算下でも、従来の位相シフト器ベースのハイブリッド構造を上回るDMAの性能を示し、低コスト・低消費電力のマスコミ MIMO システムを実現すること。

提案手法

• OFDMサブキャリア全域にわたるメタマテリアル素子のチューナブルで再構成可能な応答を捉える周波数選択性モデルを、動的メタサーフェスアンテナ（DMA）に対して定式化する。
• DMAベースの受信機を、送信OFDMシンボルを復元する際の平均二乗誤差（MSE）を最小化することを目的とするタスクベースの量子化問題としてモデル化する。
• 構造的制約を一時的に無視して、MSEを最小化するように各素子の応答を逐次調整することで、DMAウェイト（マイクロストリップごと）を最適化する反復アルゴリズムを開発する。
• 物理的DMA制約を満たす実用的近似を提案し、これには狭帯域およびローレンツ型広帯域モデルが含まれる。
• 制限されたビット分解能を持つADCと線形MMSE推定を含むデジタル処理チェーンと、最適化されたDMA設定を統合する。
• チャネル状態情報（CSI）を用いて、スペクトル多様性と信号復元の向上を図るため、DMA応答を適応的に設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的メタサーフェスアンテナ（DMA）は、ビット制限付きADCを備えたMIMO-OFDM受信機で、信号復元の向上に有効に利用可能か？
• RQ2 DMAの周波数選択性および再構成可能な応答特性は、低ビットADC環境下でスペクトル多様性をどのように向上させ、推定誤差を低減するか？
• RQ3 同じビット予算下で、DMAベースの受信機は従来の位相シフト器ベースのハイブリッド構造と比較してどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ4 提案されたタスクベースの量子化フレームワークは、OFDMシンボル検出におけるMSEを最小化するためにDMA設定をどのように最適化するか？
• RQ5 DMAは、マスコミ MIMO-OFDM システムにおいて、高いスペクトル効率を維持しつつ、どの程度のハードウェアコストおよび消費電力を削減可能か？

主な発見

• DMAベースの受信機は、6 dB SNRで非コーデッドビット誤り率（BER）が $8 \cdot 10^{-2}$ を達成し、従来設計を上回る性能を示した。
• R3は6.5 dB SNRで同じBERを達成し、R2と比較して0.5 dBのSNR向上を示した。R4は14 dB SNRで同じBERを達成し、7.5 dBのSNR向上を示した。
• 50ビットまたは120ビットの固定全体ビット予算下でも、提案されたDMAベースの受信機は位相シフト器ベースのハイブリッド受信機と比較して顕著なMSEおよびBERの優位性を維持した。
• 提案手法により、厳しいビット制約下でも高性能な信号復元が可能となり、未量子化線形MMSE推定の性能に近づいた。
• 最適化されたDMA設定を用いたタスクベースの量子化により、事前量子化圧縮が効果的に実現され、高分解能ADCの必要性が低減された。
• 数値結果により、DMAのスペクトル多様性を活用することで、ビット制限付きMIMO-OFDMシステムにおいて顕著な性能向上が達成されることを確認した。