[논문 리뷰] Hybrid Architectures with Few-Bit ADC Receivers: Achievable Rates and Energy-Rate Tradeoffs

Jianhua Mo, Ahmed Alkhateeb외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 02.

Radio Frequency Integrated Circuit Design참고 문헌 61인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다수의 MIMO 시스템을 위한 소수의 비트 ADC를 갖춘 일반화된 하이브리드 아날로그/디지털 beamforming 아키텍처를 제안한다. 이는 저해상도 ADC와 줄어든 수의 RF 체인을 조합하여 에너지 효율성을 향상시킨다. 채널 역행과 SVD 기반 전송에 대한 구현 가능한 전송률을 유도하며, 1~2비트 ADC가 최적에 가까운 에너지-전송률 트레이드오프를 달성하여, 해상도가 높은 시스템과 1비트 ADC 시스템보다 에너지 효율에서 뛰어나다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Hybrid analog/digital architectures and receivers with low-resolution analog-to-digital converters (ADCs) are two low power solutions for wireless systems with large antenna arrays, such as millimeter wave and massive MIMO systems. Most prior work represents two extreme cases in which either a small number of RF chains with full-resolution ADCs, or low resolution ADC with a number of RF chains equal to the number of antennas is assumed. In this paper, a generalized hybrid architecture with a small number of RF chains and finite number of ADC bits is proposed. For this architecture, achievable rates with channel inversion and SVD based transmission methods are derived. Results show that the achievable rate is comparable to that obtained by full-precision ADC receivers at low and medium SNRs. A trade-off between the achievable rate and power consumption for different numbers of bits and RF chains is devised. This enables us to draw some conclusions on the number of ADC bits needed to maximize the system energy efficiency. Numerical simulations show that coarse ADC quantization is optimal under various system configurations. This means that hybrid combining with coarse quantization achieves better energy-rate trade-off compared to both hybrid combining with full-resolutions ADCs and 1-bit ADC combining.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 ADC를 사용하는 완전 디지털 다수 MIMO 수신기의 높은 전력 소모 문제를 해결하기 위해.
• 완전 해상도 ADC를 갖춘 소수의 RF 체인 또는 1비트 ADC를 갖춘 전체 RF 체인 수를 가진 극단적 아키텍처의 한계를 극복하기 위해.
• 유한해상도 ADC와 소수의 RF 체인을 갖춘 일반화된 하이브리드 아키텍처를 제안하여 에너지-전송률 트레이드오프를 향상시키기 위해.
• 채널 역행과 SVD 기반 예비처리에 대한 구현 가능한 전송률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하기 위해.
• 시스템의 에너지 효율성을 극대화하기 위해 ADC 비트 수와 RF 체인 수를 최적화하기 위해.

제안 방법

• 줄어든 수의 RF 체인과 유한해상도 ADC를 갖춘 하이브리드 아날로그/디지털 beamforming 아키텍처를 제안한다.
• 채널 역행과 SVD 기반 예비처리의 두 가지 전송 방식에 대해 구현 가능한 전송률 표현식을 유도한다.
• 양방향 정보 상한과 조건부 엔트로피 분석을 사용하여 양자화된 수신 조건 하에서의 시스템 성능을 특성화한다.
• 제닝스 부등식과 이진 엔트로피 함수의 볼록성 성질을 적용하여 양자화 출력의 조건부 엔트로피를 경계한다.
• 효율적 채널 이득을 효과적 예비처리-결합 행렬의 최대 특이값을 사용하여 모델링한다.
• 전력 소비와 스펙트럼 효율성 간의 분석을 통해 ADC 비트 수와 RF 체인 수의 변화에 따른 에너지-전송률 트레이드오프를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한해상도 ADC와 줄어든 수의 RF 체인을 갖춘 하이브리드 beamforming 시스템의 구현 가능한 전송률 성능은 어떠한가?
• RQ2 낮은 및 중간 SNR에서, 이 시스템은 해상도가 높은 ADC 시스템과 비교해 어떻게 성능을 내는가?
• RQ3 하이브리드 MIMO 아키텍처에서 에너지 효율성을 극대화하는 데 최적의 ADC 비트 수는 얼마인가?
• RQ4 粗모양의 양자화(1~2비트)가 에너지-전송률 트레이드오프 측면에서 해상도가 높은 시스템과 1비트 시스템을 모두 능가하는가?
• RQ5 RF 체인 수와 ADC 해상도가 스펙트럼 효율성과 전력 소비에 동시에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• SVD 기반 예비처리 하에서 특히, 1~2비트 ADC를 사용할 경우 낮고 중간 수준의 SNR에서 해상도가 높은 ADC 수신기와 유사한 구현 가능한 전송률을 달성한다.
• 粗모양의 ADC 양자화(1~2비트)가 에너지-전송률 트레이드오프에서 가장 우수한 성능을 보이며, 해상도가 높은 시스템과 1비트 시스템을 모두 능가한다.
• 2비트 ADC를 갖춘 시스템은 전체 용량에 근접한 성능을 달성하면서도 해상도가 높은 ADC에 비해 전력 소비를 크게 줄였다.
• RF 체인 수는 성능에 큰 영향을 미치지만, 소수의 체인을 사용하더라도 1~2비트 ADC는 높은 스펙트럼 효율성을 유지한다.
• 수치적 결과는 다양한 시스템 구성, 즉 다양한 안테나 수와 SNR 영역에서 1~2비트 ADC가 에너지 효율성을 극대화함을 확인한다.