[論文レビュー] Massive MIMO with Low-Resolution ADCs

Sven Jacobsson, Giuseppe Durisi+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 35被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、受信機に低分解能ADCを用いるマスティブ MIMOシステムにおける上行リンクスループットを調査し、1ビットADCと最小二乗法によるチャネル推定、およびパイロット・データの統合処理を組み合わせることで、無限精度に近いスループットが達成できることを示している。また、最大比率合成またはゼロフォース検出を用いることで、粗い量子化およびパワーの不均衡に対しても、信頼性の高いマルチユーザー伝送が可能であることを示している。

ABSTRACT

We investigate the information-theoretic throughput that is achievable over a fading communication link when the receiver is equipped with low-resolution analog-to-digital converters (ADCs). We focus on the case where neither the transmitter, nor the receiver have any a priori channel state information. This means that the fading realizations have to be learned through pilot transmission followed by channel estimation at the receiver, based on coarsely quantized observations. For the extreme case of one-bit ADCs and for the single-user single-input single-output case, we show that least squares (LS) estimation combined with joint pilot-data processing is optimal in terms of the achievable rate. We also investigate the uplink throughput achievable by a massive multiple-input multiple-output system in which the base station is equipped with low-resolution ADCs. We show that for the one-bit quantized case, LS estimation together with maximal ratio combing or zero-forcing detection is sufficient to support reliable multi-user transmission with high-order constellations. Numerical results show that the rates achievable in the infinite-precision (no quantization) case can be approached using ADCs with only a few bits of resolution. The robustness of the low-resolution ADC system against receive power imbalances between the different users, caused for example by imperfect power control, is also investigated.

研究の動機と目的

• 受信機がフェージングチャネルにおいて、事前チャネル状態情報を持たない状況下で、低分解能ADCを用いる場合の、達成可能な情報理論的スループットを分析すること。
• パイロットに基づくチャネル推定と粗い量子化という実用的制約下で、1ビットADCが単一ユーザーおよびマルチユーザーのマスティブ MIMOシステムにおいて、果たす性能を評価すること。
• 不完全なパワー制御による受信パワーの不均衡に対して、低分解能ADCシステムのロバスト性を調査すること。
• マスティブ MIMO上行リンク環境において、低分解能ADCが無限精度受信機のスペクトル効率にどの程度近づけるかを特定すること。

提案手法

• 受信機ではパイロット信号に基づき最小二乗法（LS）によるチャネル推定を実施し、低分解能ADCによる粗い量子化観測値に依存する。
• 単一ユーザーSISOケースにおいて、1ビットADCの制約下で達成可能なスループットを最適化するために、パイロット・データの統合処理を適用する。
• マルチユーザーのマスティブ MIMO上行リンクにおいて、干渉を抑えるために最大比率合成（MRC）およびゼロフォース（ZF）検出を用いる。
• 送信機および受信機の両方がフェージングチャネル状態を事前に把握しないという仮定の下で、システム性能を分析する。
• 受信機におけるユーザー間のパワー不均衡がシステム性能に与える影響をモデル化し、特に低分解能ADC環境下での影響を検討する。
• 量子化の有無にかかわらず達成可能なスループットを比較し、数値結果を用いて無限精度性能との差を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信機および受信機にチャネル状態情報を持たないマスティブ MIMO上行リンクにおいて、1ビットADCは信頼性の高い通信を可能にするか？
• RQ2 最適な受信処理戦略とは何か。特に、SISOシステムにおける1ビットADCでは、パイロット・データの統合処理が最適であるか？
• RQ3 ユーザー間の受信パワーが不均衡である場合、MRCおよびZF検出は1ビットADCを備えたマスティブ MIMOでどの程度の性能を示すか？
• RQ4 低分解能ADC（例：2〜4ビット）は、無限精度受信機のスペクトル効率をどの程度近似できるか？
• RQ5 不完全なパワー制御によって生じる受信パワーの不均衡に対して、低分解能ADCシステムはどの程度ロバストか？

主な発見

• 1ビットADCを用いた単一ユーザーSISOケースにおいて、最小二乗推定とパイロット・データの統合処理を組み合わせることで、最適な達成可能スループットが達成される。
• 1ビットADCを用いたマスティブ MIMO上行リンクにおいて、最大比率合成またはゼロフォース検出を用いることで、粗い量子化にもかかわらず、高次アンサンブルを用いた信頼性の高い伝送が可能である。
• 数値結果から、わずか数ビットの分解能を持つADCを用いても、無限精度ケースに近いスペクトル効率が達成可能であることが示された。
• 低分解能ADCを用いたシステムは、ユーザー間の受信パワー不均衡に対してロバストであり、不完全なパワー制御下でも信頼性の高い性能を維持する。
• 低分解能ADCシステムと無限精度システムとの間の性能ギャップは小さいため、マスティブ MIMOにおいて低分解能ハードウェアが非常に高いスペクトル効率を達成可能であることが示された。