[論文レビュー] Spatial Oversampling in LOS MIMO Systems with 1-Bit Quantization at the Receiver

Tim Hälsig, Berthold Lankl|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、視線内（LOS）MIMOシステムにおける粗い量子化によるデータレート損失を回復するために、1ビット量子化受信機を用いた空間的オーバーサンプリングを提案する。送信アンテナ数を超えて受信アンテナ数を増やすことで、システムは顕著な相互情報量の向上を達成し、一部の構成では全スペクトル効率に達する。特に2次元アンテナアレイでは、空間的オーバーサンプリングが1ビット量子化損失を相殺することを示している。

ABSTRACT

In this paper we investigate the achievable rate of LOS MIMO systems that use 1-bit quantization and spatial oversampling at the receiver. We propose that by using additional antennas at the receiver, the loss incurred due to the strong limitation of the quantization can be decreased. Mutual information results show that considerable rate gains can be achieved depending on the number and arrangement of the antennas. In some of the cases, even the full available rate from the transmitter can be attained. Furthermore, the results also reveal that two-dimensional antenna arrays can benefit more from spatial oversampling than one-dimensional arrays, when using 1-bit quantization in the LOS MIMO scenario.

研究の動機と目的

• 視線内（LOS）MIMOシステムにおける1ビット量子化が引き起こすレート劣化を、受信側の空間的オーバーサンプリングが軽減できるかどうかを調査すること。
• 1次元および2次元のアンテナアレイ構成が、1ビット量子化下での実現可能な相互情報量に与える影響を評価すること。
• 空間的オーバーサンプリングが、1ビット解像度に起因するスペクトル効率の損失を完全に回復できるかどうかを特定すること。
• 異なる入力信号.constellation（4-QAM、16-QAM）および空間的サンプリング係数の下での性能を比較すること。
• 低精度受信下におけるアレイ幾何学的配置およびアンテナ間隔がシステム性能に与える影響を分析すること。

提案手法

• 球面波伝搬に基づいて導出されるチャネル行列Hを用いた、狭帯域複素ベースバンドモデルでLOS MIMOシステムをモデル化する。
• 各受信信号の実部および虚部ごとに独立したADCを用いて、1ビット量子化を実施する。
• 送信アンテナ数（N）を超える受信アンテナ数（M）を用いた空間的オーバーサンプリングを実施し、アンテナを最大で離隔した位置に配置する。
• 空間的ダイバーシティを最大化することを前提に、2次元構成では均一長方形アレイ（URAs）を仮定して受信アレイの幾何学的配置を最適化する。
• ガウス入力分布を用い、信号対雑音比（SNR）および空間的サンプリング係数Sを変化させながら、相互情報量I(X;Y_Q)を性能指標として計算する。
• 1次元対2次元のアレイタイプ、入力信号.constellation、および空間的オーバーサンプリング係数S = M/Nの下で性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受信側の空間的オーバーサンプリングは、1ビット量子化に起因するスペクトル効率の損失を回復できるか？
• RQ2 1次元対2次元の異なるアレイ幾何学的配置および空間的オーバーサンプリング係数の下で、1ビット量子化されたLOS MIMOシステムの性能はどのように変化するか？
• RQ3 空間的オーバーサンプリングを用いた1ビット量子化されたLOS MIMOシステムにおける最大実現可能な相互情報量は何か？また、入力アルファベットの全レートに達することができるか？
• RQ4 送信および受信アレイの配置選択が、空間的オーバーサンプリングによる相互情報量の向上に与える影響は何か？
• RQ5 空間的オーバーサンプリングによる性能向上は、入力信号.constellation（例：4-QAM 対 16-QAM）およびSNRに依存するか？

主な発見

• 空間的オーバーサンプリングは、1ビット量子化されたLOS MIMOシステムにおける相互情報量を顕著に向上させ、空間的サンプリング係数Sが高くなるほどその向上が顕著になる。
• N=4の送信アンテナおよびM=10の受信アンテナ（S=2.5）を有する4-QAM入力の場合、相互情報量は7.8 bpcuに達し、入力アルファベットの全8 bpcuの容量に近づく。
• 空間的オーバーサンプリング係数Sが低い場合、2次元受信アレイは1次元アレイを上回る性能を示す。これは、より高い空間的ダイバーシティとサンプリング点配置への感受性の高さに起因する。
• 最適なアレイ幾何学的配置と十分なオーバーサンプリングを組み合わせることで、1ビット量子化の影響にもかかわらず、入力コンステレーションの全スペクトル効率（例：N=4の4-QAMでは8 bpcu）を達成できる。
• 2次元アレイの性能曲線は非連続的であることが示され、特定のアンテナ数（例：M=4、M=8）では非一様または最適化されたアレイ配置が利点をもたらす可能性がある。
• 高い空間的オーバーサンプリングと有利なアレイ構成が組み合わさった状況では、システムはほぼ全レート性能を達成する。これは、空間的オーバーサンプリングが1ビット量子化損失を完全に補償できることを示している。