[論文レビュー] Performance of the Wideband Massive Uplink MIMO with One-Bit ADCs

Christopher Mollén, Junil Choi+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 34被引用数 18

ひとこと要約

本稿は、1ビットADCを用いた広帯域 massive MIMO システムにおけるスペクトル効率を分析し、単一周波数およびOFDM伝送の両方について閉形式の実現可能レートを導出する。1ビット量子化に起因する振幅歪みは、チャネルタップ数が増加するにつれて消滅し、OFDMが単一周波数伝送と同等の性能を発揮できることを示しており、1ビットADCが高スループット広帯域システムにおいて実用的であることを示している。

ABSTRACT

Analog-to-digital converters (ADCs) consume a significant part of the total power in a massive MIMO base station. One-bit ADCs are one way to reduce power consumption. This paper presents an analysis of the spectral efficiency of single-carrier and OFDM transmission in massive MIMO systems that use one-bit ADCs. A closed-form achievable rate is derived for a wideband system with a large number of channel taps, assuming linear channel estimation and symbol detection. Quantization results in two types of error in the symbol detection. The circularly symmetric error becomes Gaussian in massive MIMO and vanishes as the number of antennas grows. The amplitude distortion, which severely degrades the performance of OFDM, is caused by variations in received interference energy between symbol durations. As the number of channel taps grows, the amplitude distortion vanishes and OFDM has the same performance as single-carrier transmission. A main conclusion of this paper is that wideband massive MIMO systems work well with one-bit ADCs.

研究の動機と目的

• 広帯域 massive MIMO システムに1ビットADCを用いた場合のスペクトル効率を評価すること。
• 1ビット量子化によって生じる2つの主要な誤差（円対称誤差と振幅歪み）を特定・分析すること。
• OFDMが1ビットADCシステムにおいて単一周波数伝送と同等の性能を達成できる条件を特定すること。
• 1ビット量子化による性能劣化が massive MIMO システムで無視可能になる条件を確立すること。

提案手法

• 線形チャネル推定と検出を仮定し、1ビットADCを用いた広帯域 massive MIMO における実現可能レートの閉形式表現を導出する。
• 2つの主要な歪み成分をモデル化する：円対称誤差（アンテナ数が増加するにつれてガウス分布に近づき、消滅する）。
• 振幅歪みを分析する。これは、シンボル期間中の干渉エネルギーの変動に起因し、特にOFDMシステムに顕著に影響を与える。
• チャネルタップ数が増加するにつれて振幅歪みが減少し、OFDMの性能が単一周波数伝送に近づくことを示す。
• 漸近的解析を用いて、大規模なアンテナアレイを備えた massive MIMO において、中心極限定理の効果により円対称誤差成分が消滅することを示す。
• 多くのマルチパスタップを持つ広帯域環境下で、1ビットADC制約下における単一周波数伝送とOFDM伝送のスペクトル効率を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1ビットADC量子化は、広帯域 massive MIMO システムにおけるスペクトル効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 1ビットADCが massive MIMO に導入する主な誤差成分は何か？また、それらはシステムパラメータにどのように依存するか？
• RQ3 1ビットADCを用いたOFDM伝送における振幅歪みが無視可能になる条件は何か？
• RQ4 1ビットADCを用いた広帯域 massive MIMO において、OFDMは単一周波数伝送と同等のスペクトル効率を達成できるか？
• RQ5 チャネルタップ数の増加が、1ビットADCを用いたOFDMと単一周波数システム間の性能差に与える影響は何か？

主な発見

• 円対称量子化誤差は、アンテナ数が増加するにつれてガウス分布に近づき、中心極限定理の効果により消滅する。
• 狭帯域システムではOFDMの性能を著しく制限する振幅歪みは、チャネルタップ数が増加するにつれて小さくなる。
• 多くのチャネルタップを持つ広帯域システムでは、振幅歪みが無視可能となり、OFDMが単一周波数伝送と同等のスペクトル効率を達成できる。
• 十分な数のチャネルタップがある場合、1ビットADCを用いたOFDMと単一周波数システムは、量子化非線形性があるにもかかわらず、同等の性能を示す。
• 導出された閉形式の実現可能レートは、アンテナ数およびチャネルタップ数が大きい場合に有効であり、信頼性の高い性能ベンチマークを提供する。
• チャネルタップ数が十分に大きい場合、1ビットADCは広帯域 massive MIMO システムにおける高スペクトル効率を実現可能にし、低消費電力ソリューションとして実用的である。