[論文レビュー] Linear Precoding with Low-Resolution DACs for Massive MU-MIMO-OFDM Downlink

Sven Jacobsson, Giuseppe Durisi+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2017

Advanced Wireless Communication Techniques被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、低分解能D/Aコンバータ（DAC）を備えた massive MU-MIMO-OFDM 下行リンクシステムにおける線形プリコーディングを調査し、Bussgangの定理を用いて歪みをモデル化し、和スループットの閉形式の下限を導出する。128アンテナを備えた基地局において、無限分解能DACと比較して性能損失が無視できる程度に、10⁻⁴の非符号化BERを達成するために僅か3〜4ビットのDACで十分であることが示された。この際、量子化ノイズの空間的および時間的相関を考慮している。

ABSTRACT

We consider the downlink of a massive multiuser (MU) multiple-input multiple-output (MIMO) system in which the base station (BS) is equipped with low-resolution digital-to-analog converters (DACs). In contrast to most existing results, we assume that the system operates over a frequency-selective wideband channel and uses orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) to simplify equalization at the user equipments (UEs). Furthermore, we consider the practically relevant case of oversampling DACs. We theoretically analyze the uncoded bit error rate (BER) performance with linear precoders (e.g., zero forcing) and quadrature phase-shift keying using Bussgang's theorem. We also develop a lower bound on the information-theoretic sum-rate throughput achievable with Gaussian inputs, which can be evaluated in closed form for the case of 1-bit DACs. For the case of multi-bit DACs, we derive approximate, yet accurate, expressions for the distortion caused by low-precision DACs, which can be used to establish lower bounds on the corresponding sum-rate throughput. Our results demonstrate that, for a massive MU-MIMO-OFDM system with a 128-antenna BS serving 16 UEs, only 3--4 DAC bits are required to achieve an uncoded BER of 10^-4 with a negligible performance loss compared to the infinite-resolution case at the cost of additional out-of-band emissions. Furthermore, our results highlight the importance of taking into account the inherent spatial and temporal correlations caused by low-precision DACs.

研究の動機と目的

• 基地局における高分解能DACに起因する高消費電力の課題に対処する。
• 周波数選択性があり、広帯域OFDMでオーバーサンプリングが行われるシステムにおける、低分解能DACのシステム性能への影響を分析する。
• 空間的および時間的相関効果を含む、低精度DACが引き起こす歪みの正確なモデルを構築する。
• ガウス入力に対する和スループットの理論的下限を確立し、1ビットDACの場合には閉形式の式を、多ビットDACの場合には近似式を導出する。
• 実用的な massive MIMO デプロイメントにおいて、DAC分解能、スペクトル効率、不要帯域外放射のトレードオフを評価する。

提案手法

• Bussgangの定理を適用し、量子化歪みを線形歪みと無相関ノイズに分離することで、線形プリコーダ（例：ゼロフォース）を用いた非符号化BERの解析を可能にする。
• 歪みモデルとガウス入力仮定に基づき、1ビットDACにおける情報理論的和スループットの閉形式下限を導出する。
• 多ビットDACの場合、量子化ノイズの分散と相関構造に基づいて歪み共分散の近似式を導出する。
• 入力信号の共分散と量子化器の伝達関数を用いて、DAC出力を関数としてモデル化することで、歪みにおける空間的および時間的相関を考慮する。
• リーマン和近似を用いて歪み共分散の連続的積分表現を導出し、DAC分解能が向上するにつれて閉形式の式に収束することを示す。
• 公開済みのMATLABシミュレータを用いた数値シミュレーションにより、結果を検証し、さまざまなDAC分解能におけるBERおよび和スループット性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 128アンテナを備えた基地局が16ユーザーをサービスする massive MU-MIMO-OFDM システムにおいて、非符号化BERが10⁻⁴に達するためのDACビット数の最小値は何か？
• RQ2 低分解能DACシステムにおける和スループット性能に、量子化ノイズの空間的および時間的相関がどのように影響するか？
• RQ3 massive MU-MIMO-OFDM で1ビットDACを用いる場合、ガウス入力に対する和スループットの閉形式下限を導出できるか？
• RQ4 多ビットDACシステムにおける歪み共分散の近似式の精度はどの程度で、和スループット推定にどのような影響を与えるか？
• RQ5 広帯域 massive MIMO システムにおいてDAC分解能を低下させた場合、スペクトル効率と不要帯域外放射のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• 128アンテナを備えた基地局が16ユーザーをサービスする場合、非符号化BERが10⁻⁴に達するためには、無限分解能DACと比較して性能損失が無視できる程度に、僅か3〜4ビットのDACで十分である。
• 1ビットDACにおける導出された和スループット下限は閉形式であり、ガウス信号伝送下でのシステムのスペクトル効率の限界を正確に捉えている。
• 多ビットDACにおける歪み共分散の近似式は非常に精度が高く、信頼性の高い和スループット推定を可能にしている。
• 量子化ノイズの空間的および時間的相関はシステム性能に顕著な影響を与え、システム設計および解析において考慮すべきである。
• DAC分解能を低下させると不要帯域外放射が増加するが、プリコーディングと信号整形によりこれを緩和できる。
• Bussgangの定理とリーマン和の収束を用いた理論的分析により、低分解能 massive MIMO システムにおけるトレードオフを理解するための厳密な基盤が提供された。