[論文レビュー] Linear Receivers for Massive MIMO Systems with One-Bit ADCs

Ly V. Nguyen, Duy H. N. Nguyen|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 18被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、1ビットADCを搭載する massive MIMO システムに向け、バスアンクに基づく新たな線形レシーバー3種——Bussgangベースの最大比率合成（BMRC）、ゼロフォーサー（BZF）、最小平均二乗誤差（BMMSE）——を提案する。1ビットADCの非線形性をバスアンク分解を用いて線形歪みとしてモデル化することで、従来の線形レシーバーと比較して、低分解能ADC環境下でも顕著に低いビット誤り率（BER）の床を達成し、優れた性能を示す。

ABSTRACT

In this letter, we propose three linear receivers including Bussgang-based Maximal Ratio Combining (BMRC), Bussgang-based Zero-Forcing (BZF), and Bussgang-based Minimum Mean Squared Error (BMMSE) for massive MIMO systems with one-bit analog-to-digital converters (ADCs). Closed-form expressions of the proposed receivers are obtained by using the Bussgang decomposition to cope with the non-linear effect of the one-bit ADCs. Simulation results show significantly lower bit error rate floors obtained by the proposed receivers than those of conventional linear receivers.

研究の動機と目的

• 1ビットADCが引き起こす非線形性の影響により劣化する従来の線形レシーバーの性能を是正する挑戦に応える。
• 1ビットADCの影響を無視するか、近似モデルに依存する既存の手法の限界を克服する。
• 非線形な1ビットADCの挙動を正確にモデル化した線形レシーバーを開発し、検出性能を向上させる。
• バスアンク分解を用いて、提案レシーバーの閉形式表現を導出することで、実装可能性を確保する。
• 提案レシーバーが、特に高SNR領域において従来の線形レシーバーを上回るBER性能を示すことを実証する。

提案手法

• バスアンク分解を用いて、1ビットADCを既知の利得と追加雑音を伴う線形歪みとしてモデル化し、線形システム表現を可能にする。
• バスアンク分解を用いて、有効チャネル行列Aと有効雑音共分散行列Σnを導出。1ビットADCの非線形性を考慮する。
• 線形化モデルに基づき、BMRC、BZF、BMMSEレシーバーを定式化。結合行列は、有効チャネルと雑音統計から導出される。
• Bussgangモデル下で最小平均二乗誤差を最小化することで導出される最適線形レシーバーとしてBMMSEレシーバーを定義。
• ゲイン不一致を軽減するため、有効チャネル応答に基づくリスケーリングを伴うシンボル単位の検出を実装。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、ユーザー数KとSNRレベルの変動に応じたBER性能を評価。従来の線形レシーバーと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無限分解能ADC用に設計された線形レシーバーは、1ビットADCの massive MIMO システムに、顕著な性能劣化を伴わずに適応可能か？
• RQ2 1ビットADCの非線形性を正確にモデル化するにはどうすればよいか？これにより、効率的な線形レシーバーの設計が可能になる。
• RQ3 Bussgangベースの線形レシーバーは、従来の線形レシーバーと比較して、どの程度BERの床を低減できるか？
• RQ4 ユーザー数Kが1ビットADCを搭載する massive MIMO システムにおける、提案レシーバーと従来レシーバーの性能差に与える影響は？
• RQ5 提案レシーバーは、計算量が低く抑えられつつ、非線形検出手法の性能にどの程度近づけるか？

主な発見

• 提案されたバスアンクベースの線形レシーバー（BMRC、BZF、BMMSE）は、1ビットADCを搭載する massive MIMO システムにおいて、従来の線形レシーバーと比較して顕著に低いBERの床を達成する。
• シミュレーション結果から、提案されたBMMSEレシーバーのBERの床は、従来のMMSEおよびZFレシーバーと比較して顕著に低く、特に高SNR領域で顕著である。
• K=2、N=16、QPSKの場合、提案レシーバーは従来レシーバーを上回り、SNRが上昇するにつれて誤り床が低下する。
• Kが増加する（例：K=16、N=128）と、統計的チャネル近似（例：H H^H ≈ K I_N）の影響により、提案レシーバーと従来レシーバーの性能差が縮小する。
• バスアンクベースのレシーバーは、非線形検出器に近い性能を達成しながらも、計算量が低く抑えられ、リアルタイム応用に適している。
• BMMSEレシーバーはバスアンクモデルから導出され、最良の性能を示す。これは、有効チャネルと雑音共分散を修正した従来のMMSEレシーバーと数学的に類似している。