[論文レビュー] MIMO Transmission with Residual Transmit-RF Impairments

Christoph Studer, M. Wenk+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2010

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 21被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、MIMO-OFDMシステムにおける残余送信RF（Tx-RF）インパルスメントの統計的i.i.d.ガウスモデルを提案し、高品質なRFチェーンを備えても、(近似的に)最適なMIMO検出性能が著しく低下することを示している。著者らは、経済的サイズのQR分解に基づく効率的な送信ノイズホワイトニングアルゴリズムを導入しており、性能損失の緩和に寄与し、実測データによる検証で、シミュレーションと測定されたFER曲線の強い一致を示している。

ABSTRACT

Physical transceiver implementations for multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication systems suffer from transmit-RF (Tx-RF) impairments. In this paper, we study the effect on channel capacity and error-rate performance of residual Tx-RF impairments that defy proper compensation. In particular, we demonstrate that such residual distortions severely degrade the performance of (near-)optimum MIMO detection algorithms. To mitigate this performance loss, we propose an efficient algorithm, which is based on an i.i.d. Gaussian model for the distortion caused by these impairments. In order to validate this model, we provide measurement results based on a 4-stream Tx-RF chain implementation for MIMO orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM).

研究の動機と目的

• 残余Tx-RFインパルスメントがMIMOシステム容量および検出性能に与える影響を調査すること。
• 残余インパルスメントはMIMOシステム設計・解析において無視可能であるという一般的な仮定に挑戦すること。
• これらのインパルスメントを考慮した効率的な受信側補償技術を開発すること。
• 4ストリームMIMO-OFDM送信RFチェーンからの実世界測定を用いて、提案されたインパルスメントモデルを検証すること。

提案手法

• 位相ノイズ、I/Q不一致、アンプ非線形性を含む、残余Tx-RFインパルスメントの集約的影響をi.i.d.ガウスモデルとして提案。
• 残余インパルスメントによって生じる色付きノイズをホワイトニングするため、受信信号を事前処理する送信ノイズホワイトニングアルゴリズムを導入。
• 効率的なホワイトニングフィルタの計算のため、経済的サイズのQR分解（QRD）を用いる。事前処理の複雑さは約2倍に増加するが、これに留まる。
• 受信信号に熱雑音に加え、モデル化された残余Tx-RFノイズを含む、修正されたMIMOシステムモデルを採用。
• 4ストリームMIMO-OFDMテストベッドからの実世界測定と、シミュレートされたFER性能を比較することで、モデルの妥当性を検証。
• ホワイトニングフィルタを、チャネル推定、位相ノイズ補償、QRDに基づくMIMO検出を含む受信チェーンに適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 残余Tx-RFインパルスメントは、(近似的に)最適なMIMO検出アルゴリズムの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 複数の残余Tx-RFインパルスメントの集約的影響を、単純なi.i.d.ガウスモデルが実際の状況で正確に表現できるか？
• RQ3 高品質なRFチェーンを備えても、残余Tx-RFインパルスメントはMIMOチャネル容量を低下させるか？
• RQ4 残余Tx-RFインパルスメントによる性能損失は、受信側で効果的に緩和可能か？
• RQ5 提案されたガウスモデルは、MIMO-OFDMシステムにおける実世界のFER性能をどれほど正確に予測できるか？

主な発見

• EVMが-28 dBと低い状態でも、残余Tx-RFインパルスメントは(近似的に)最適なMIMO検出アルゴリズムの性能に顕著な劣化を引き起こす。
• 提案された残余Tx-RFインパルスメント用i.i.i.d.ガウスモデルは、実世界の測定結果とよく一致しており、シミュレーションされたFER曲線が測定された性能を的確に追跡している。
• Txノイズホワイトニングは、実世界の残余インパルスメントが存在する状況でもFER性能を顕著に改善し、その有効性が実証された。
• 提案されたホワイトニングアルゴリズムは、事前処理の複雑さを約2倍に増加させるが、QRDに基づくMIMO検出ステージの複雑さに影響を与えない。
• 本研究では、現在の標準準拠の残余インパルスメントレベル（例：IEEE 802.11n）では、性能解析においてこれらのインパルスメントを無視できるとは言えないことが示された。
• 結果から、実用的なMIMOシステム設計において、残余Tx-RFインパルスメントは明示的にモデル化され、補償されるべきであると示唆された。