[논문 리뷰] Full-Duplex Massive MIMO Relaying Systems with Low-Resolution ADCs

Chuili Kong, Caijun Zhong외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 14.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 35인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 리레이와 목적지에서 모두 저해상도 ADC를 갖춘 풀디럭스 매크로 MIMO 리레이잉 시스템을 제안하며, 간섭을 완화하기 위해 파ilot 훈련과 최대비율 복합/전송을 사용한다. 정확한 및 근사된 총 데이터율 식을 유도하여, 매크로 리레이 안테나가 리레이의 저해상도 ADC를 보완할 수 있지만 목적지의 저해상도 ADC는 보완할 수 없음을 보이며, 일정한 데이터율을 유지하기 위해 소스 전송 전력이 안테나 수 $M$의 역수 비율로 스케일링되는 전력 스케일링 법칙을 수립한다.

ABSTRACT

This paper considers a multipair amplify-and-forward massive MIMO relaying system with low-resolution ADCs at both the relay and destinations. The channel state information (CSI) at the relay is obtained via pilot training, which is then utilized to perform simple maximum-ratio combining/maximum-ratio transmission processing by the relay. Also, it is assumed that the destinations use statistical CSI to decode the transmitted signals. Exact and approximated closed-form expressions for the achievable sum rate are presented, which enable the efficient evaluation of the impact of key system parameters on the system performance. In addition, optimal relay power allocation scheme is studied, and power scaling law is characterized. It is found that, with only low-resolution ADCs at the relay, increasing the number of relay antennas is an effective method to compensate for the rate loss caused by coarse quantization. However, it becomes ineffective to handle the detrimental effect of low-resolution ADCs at the destination. Moreover, it is shown that deploying massive relay antenna arrays can still bring significant power savings, i.e., the transmit power of each source can be cut down proportional to $1/M$ to maintain a constant rate, where $M$ is the number of relay antennas.

연구 동기 및 목표

• 리레이와 목적지에서 모두 저해상도 ADC를 갖춘 다중쌍 풀디럭스 매크로 MIMO 리레이잉 시스템의 성능을 분석하기 위해.
• 粗량화가 시스템 스펙트럼 효율성에 미치는 영향을 조사하고 성능 제한 요인을 규명하기 위해.
• 효율적인 시스템 평가를 가능하게 하기 위해 도달 가능한 총 데이터율에 대한 정확한 및 근사된 폐형 식을 유도하기 위해.
• 최적의 리레이 전력 할당 방안을 설계하고 일정한 데이터율 작동 조건에서의 전력 스케일링 법칙을 특성화하기 위해.
• 매크로 안테나 어레이가 저해상도 ADC로 인한 성능 손실을 보완하는 데 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 리레이에서 채널 상태 정보(CSI)를 추정하기 위해 파ilot 훈련을 수행하며, 이를 최대비율 복합 및 전송에 활용한다.
• 수신지에서는 통계적 CSI를 사용하여 신호 복원을 수행함으로써 피드백 오버헤드를 감소시킨다.
• 스토하스틱 기하학과 랜덤 매트릭스 이론을 사용하여 도달 가능한 총 데이터율에 대한 정확한 및 근사된 폐형 식을 유도한다.
• 기대 기반 신호-인터패리어런스-노이즈비(SINR) 분석을 통해 ADC 해상도, 리레이 안테나 수, 전력 할당 등의 핵심 파라미터의 영향을 분석한다.
• 일정한 데이터율을 유지하기 위해 소스 전송 전력이 리레이 안테나 수 $M$의 역수 비율로 스케일링되는 전력 스케일링 법칙을 도입한다.
• 시스템 모델에 루프 간섭과 양자화 노이즈를 명시적으로 모델링하여 리레이 및 목적지의 ADC 해상도를 모두 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풀디럭스 매크로 MIMO 리레이잉 시스템에서 리레이의 저해상도 ADC 양자화는 도달 가능한 총 데이터율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 리레이에 매크로 MIMO 어레이를 적용하면 저해상도 ADC로 인한 데이터율 저하를 효과적으로 보완할 수 있는가?
• RQ3 저해상도 ADC 제약 조건 하에서 총 데이터율을 최대화하기 위한 리레이의 최적 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ4 리레이가 아닌 목적지에 저해상도 ADC를 적용할 경우 시스템 성능는 어떻게 저하되는가?
• RQ5 리레이 안테나 수가 증가함에 따라 일정한 총 데이터율을 유지하기 위한 전력 스케일링 법칙은 무엇인가?

주요 결과

• 리레이 안테나 수를 늘임으로써 리레이의 저해상도 ADC로 인한 데이터율 손실을 효과적으로 보완할 수 있으며, 이로 인해 조밀한 양자화 조건에서도 높은 스펙트럼 효율성을 확보할 수 있다.
• 매크로 리레이 어레이의 성능 향상 효과는 목적지의 저해상도 ADC에서는 확장되지 않으며, 이 경우 데이터율 손실이 여전히 크다.
• 소스 전송 전력이 $M$의 역수 비율로 스케일링되는 전력 스케일링 법칙을 도달하여 상당한 에너지 절감이 가능하다.
• 리레이에서 ADC 해상도가 4~5비트일 경우에도 어레이 이득 덕분에 높은 스펙트럼 효율성을 유지할 수 있어, 저해상도 양자화에 대한 내성성을 확인한다.
• 최적의 훈련 파ilot 길이는 비양자화 시스템보다 현저히 길며, 이는 고도화된 채널 추정 기법의 필요성을 시사한다.
• 유도된 총 데이터율 식은 정확하며 다양한 구성 조건에서의 시스템 성능 평가를 효율적으로 가능하게 한다.