[論文レビュー] One-Bit Massive MIMO: Channel Estimation and High-Order Modulations

Sven Jacobsson, Giuseppe Durisi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、最小二乗法（LS）チャネル推定と共同パイロット・データ（JPD）処理を組み合わせることで、重度の量子化が生じても1ビット massive MIMO システムで容量に到達できることを示している。さらに、LS推定と最大比率合成（MRC）を組み合わせることで、16-QAM などの高次変調方式が実現可能となり、特にアンテナ数が多い場合に QPSK より高いスペクトル効率を達成する。非線形性とマルチユーザー干渉の影響を受けても、その効果が顕著である。

ABSTRACT

We investigate the information-theoretic throughout achievable on a fading communication link when the receiver is equipped with one-bit analog-to-digital converters (ADCs). The analysis is conducted for the setting where neither the transmitter nor the receiver have a priori information on the realization of the fading channels. This means that channel-state information needs to be acquired at the receiver on the basis of the one-bit quantized channel outputs. We show that least-squares (LS) channel estimation combined with joint pilot and data processing is capacity achieving in the single-user, single-receive-antenna case. We also investigate the achievable uplink throughput in a massive multiple-input multiple-output system where each element of the antenna array at the receiver base-station feeds a one-bit ADC. We show that LS channel estimation and maximum-ratio combining are sufficient to support both multiuser operation and the use of high-order constellations. This holds in spite of the severe nonlinearity introduced by the one-bit ADCs.

研究の動機と目的

• 送信機および受信機に事前チャネル状態情報（CSI）がない場合の1ビット massive MIMO システムにおける実現可能なデータレートの分析。
• 1ビット ADC を搭載する上行リンク massive MIMO における LS チャネル推定と MRC の性能評価。
• 1ビット量子化およびマルチユーザー干渉下でも 16-QAM などの高次信号点配置が可能かどうかの調査。
• 1ビット SISO 系において、共同パイロット・データ処理が容量を達成するかどうかの特定。

提案手法

• N ≫ K のアンテナ数と1ビット ADC を備えたレイノルズブロック fading MIMO チャネルモデルを用いる。
• パイロットおよびデータシンボルに基づく最小二乗法（LS）チャネル推定を採用し、精度向上のため共同パイロット・データ（JPD）処理を適用する。
• 複数の受信アンテナからの信号をコherentに結合するために、基地局で最大比率合成（MRC）を適用する。
• 相互情報量およびベータ関数の恒等式を用いて、実現可能なデータレートの解析的表現を導出する。
• コherence時間（T）、SNR（ρ）、ユーザー数（K）、アンテナ数（N）の変動を想定したシミュレーションにより結果を検証する。
• 解析を簡素化するため、実数値の BPSK ベースモデルを用い、数学的帰納法および二項係数の恒等式を用いて JPD 処理と容量を達成する相互情報量表現との等価性を証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 事前 CSI が存在しない1ビット SISO レイノルズ fading チャネルにおいて、共同パイロット・データ処理は容量を達成するか？
• RQ2 1ビット massive MIMO 上行リンクシステムにおいて、16-QAM などの高次変調方式は QPSK より高いスペクトル効率を達成できるか？
• RQ3 LS 推定と MRC の組み合わせは、1ビット massive MIMO においてマルチユーザー運用と高次変調を両立できるか？
• RQ4 受信アンテナ数およびコherence時間の変動が、1ビット量子化下での実現可能なデータレートに与える影響は？
• RQ5 massive MIMO による空間多重性は、1ビット ADC が引き起こす非線形性を相殺できるか？

主な発見

• 事前 CSI が存在しない1ビット SISO レイノルズ fading チャネルにおいて、LS 推定と共同パイロット・データ（JPD）処理を組み合わせることで容量に到達可能である。
• 1ビット ADC を搭載する massive MIMO において、LS 推定と MRC はマルチユーザー運用および 16-QAM などの高次信号点配置を両立可能である。
• N ≥ 100 のアンテナ数を有する場合、SNR が −15 dB でも 16-QAM は QPSK より高いスペクトル効率を達成する。
• マルチユーザー環境下では 16-QAM の実現可能なデータレートが QPSK を上回り、高次変調の干渉に敏感であることが示唆される。
• 完璧な CSI レートへの収束は遅く、K = 20 ユーザーの場合、コherence時間 T ≤ 20 ではデータレートが 0 となる。
• 16-QAM では単一ユーザーとマルチユーザーの性能差が顕著に現れ、1ビット量子化下で干渉制限的動作を示していることが判明した。