[논문 리뷰] A General Framework for Low-Resolution Receivers for MIMO Channels

Stefano Rini, Luca Barletta외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 27.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 10인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 저해상도 MIMO 수신기의 일반적인 프레임워크를 제안하며, 부호 양자화기와 아날로그 합성기를 사용하여 간단한 안테나 선택에서 선형 합성까지 네 가지 아키텍처를 분석한다. 핵심 발견은 수신 안테나 수가 양자화기 수를 초과할 경우 부호 양자화만으로도 고신호대역비(SNR)에서 최적의 용량을 달성할 수 있으며, 이는 고신호대역비 영역에서 성능 손실 없이 하드웨어 복잡도를 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

The capacity of a discrete-time multi-input multi-output (MIMO) Gaussian channel with output quantization is investigated for different receiver architectures. A general formulation of this problem is proposed in which the antenna outputs are processed by analog combiners while sign quantizers are used for analog-to-digital conversion. To exemplify this approach, four analog receiver architectures of varying generality and complexity are considered: (a) multiple antenna selection and sign quantization of the antenna outputs, (b) single antenna selection and multilevel quantization, (c) multiple antenna selection and multilevel quantization, and (d) linear combining of the antenna outputs and multilevel quantization. Achievable rates are studied as a function of the number of available sign quantizers and compared among different architectures. In particular, it is shown that architecture (a) is sufficient to attain the optimal high signal-to-noise ratio performance for a MIMO receiver in which the number of antennas is larger than the number of sign quantizers. Numerical evaluations of the average performance are presented for the case in which the channel gains are i.i.d. Gaussian.

연구 동기 및 목표

• 저해상도 MIMO 수신기의 하드웨어 제약 조건을 고려한 통합 정보이론적 프레임워크의 부재를 해결하기 위해.
• 제한된 아날로그 처리와 저해상도 양자화 조건 하에서 다양한 수신기 아키텍처의 성능을 비교하기 위해.
• 용량 최적화를 위해 부호 양자화기를 안테나 또는 서브채널에 어떻게 할당할 것인지 결정하기 위해.
• 간단한 아키텍처(예: 부호 양자화를 갖춘 다중 안테나 선택)가 최적 성능을 달성할 수 있는 조건을 설정하기 위해.

제안 방법

• 한정된 처리 능력을 갖는 아날로그 합성기를 통해 N_r개의 안테나 출력을 N_SQ개의 부호 양자화기가 처리하는 일반적인 MIMO 수신기 모델을 수립한다.
• 네 가지 수신기 아키텍처를 고려한다: (a) 다중 안테나 선택과 부호 양자화, (b) 단일 안테나 선택과 다수준 양자화, (c) 다중 안테나 선택과 다수준 양자화, (d) 다수준 양자화를 갖는 선형 합성.
• 부호 양자화기 수와 채널 조건에 따라 구현 가능한 전송률의 경계를 유도한다.
• Bussgang 분해와 유사한 워터필링 기반의 전력 할당을 적용하여 다수준 양자화를 갖는 MIMO 케이스에서 최적 성능을 근사한다.
• MIMO 케이스에서 등가 평행 가우시안 채널을 모델링하기 위해 채널 행렬의 고유값 분해를 사용한다.
• 양자화기 할당에 대한 정수 제약 조건을 완화하여 근사 최적 해를 유도하며, 양자화기 용량 제약 조건 하에서 균일한 양자화기 할당이 최적임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 안테나 선택과 부호 양자화를 갖는 단순한 수신기 아키텍처가 MIMO 시스템에서 고신호대역비 성능을 최적으로 달성할 수 있는가?
• RQ2 저해상도 MIMO 수신기의 성능은 부호 양자화기 수와 수신기 아키텍처의 복잡도에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ3 다수준 양자화를 갖는 MIMO 시스템에서 서브채널 간 부호 양자화기의 최적 할당은 무엇인가?
• RQ4 단지 부호 양자화만을 사용할 경우, 선형 합성기가 더 단순한 아키텍처보다 유의미한 성능 향상을 제공하는가?
• RQ5 어떤 조건에서 부호 양자화만으로도 고신호대역비 영역에서 용량을 달성하는 성능을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 안테나 수가 부호 양자화기 수를 초과할 경우, 다중 안테나 선택과 부호 양자화를 포함하는 아키텍처 (a)가 고신호대역비에서 최적의 용량을 달성한다.
• 선형 합성과 다수준 양자화를 갖는 MIMO 채널에서, 워터필링의 변형과 유사한 근사 최적 전력 할당이 도출되었으며, 이는 고신호대역비 성능을 달성하기 위해 부호 양자화만으로도 충분함을 보여준다.
• SIMO 케이스에서는 특정 조건 하에서 다중 안테나 선택과 다수준 양자화의 성능이 선형 합성과 다수준 양자화의 성능에 매우 가까이 접근한다.
• 양자화기 제약 조건이 작용할 경우, 서브채널 간 부호 양자화기의 최적 할당은 근사적으로 균일하며, 이는 성능 손실를 최소화한다.
• 내부 용량 경계와 상한 경계 사이의 간격은 2 min{N_t, N_r} bpcu 이내로 유계이므로, 제안된 프레임워크의 성능 경계가 매우 날카롭다는 것을 시사한다.
• i.i.d. 가우시안 채널에 대한 수치 결과는 부호 양자화가 고신호대역비에서 거의 최적 성능를 달성함을 확인한다.