[논문 리뷰] Linear Precoding with Low-Resolution DACs for Massive MU-MIMO-OFDM Downlink

Sven Jacobsson, Giuseppe Durisi외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 14.

Advanced Wireless Communication Techniques인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 저해상도 DACs를 갖춘 매크로 MU-MIMO-OFDM 다운링크 시스템에서 선형 프리코딩을 조사하며, Bussgang의 정리로 왜곡을 모델링하고 통합 수신률의 닫힌 형태 경계를 유도한다. 이는 128안테나 기지국에서 무한해상도 DACs에 비해 성능 손실이 거의 없는 10⁻⁴ 비코드링 BER을 달성하기 위해 단지 3~4비트 DAC만으로도 충분하다는 것을 보여준다. 이때는 양자화 노이즈의 공간적 및 시간적 상관관계를 고려한다.

ABSTRACT

We consider the downlink of a massive multiuser (MU) multiple-input multiple-output (MIMO) system in which the base station (BS) is equipped with low-resolution digital-to-analog converters (DACs). In contrast to most existing results, we assume that the system operates over a frequency-selective wideband channel and uses orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) to simplify equalization at the user equipments (UEs). Furthermore, we consider the practically relevant case of oversampling DACs. We theoretically analyze the uncoded bit error rate (BER) performance with linear precoders (e.g., zero forcing) and quadrature phase-shift keying using Bussgang's theorem. We also develop a lower bound on the information-theoretic sum-rate throughput achievable with Gaussian inputs, which can be evaluated in closed form for the case of 1-bit DACs. For the case of multi-bit DACs, we derive approximate, yet accurate, expressions for the distortion caused by low-precision DACs, which can be used to establish lower bounds on the corresponding sum-rate throughput. Our results demonstrate that, for a massive MU-MIMO-OFDM system with a 128-antenna BS serving 16 UEs, only 3--4 DAC bits are required to achieve an uncoded BER of 10^-4 with a negligible performance loss compared to the infinite-resolution case at the cost of additional out-of-band emissions. Furthermore, our results highlight the importance of taking into account the inherent spatial and temporal correlations caused by low-precision DACs.

연구 동기 및 목표

• 기지국에서 고해상도 DACs로 인한 높은 전력 소모 문제를 해결한다.
• 과샘플링이 적용된 주파수 선택적이고 넓은 대역의 OFDM 시스템에서 저해상도 DACs가 시스템 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• 공간적 및 시간적 상관관계 효과를 포함한 저정밀도 DACs에 의해 발생하는 왜곡의 정확한 모델을 개발한다.
• 가우시안 입력에 대해 이론적 하한선을 설정하며, 1비트 DACs에 대해 닫힌 형태의 수식을 제공하고, 다중비트 DACs에 대해서는 근사식을 유도한다.
• 실제 매크로 MIMO 구현에서 DAC 해상도, 스펙트럼 효율성, 비대역 외 방출 간의 상호 교환 관계를 평가한다.

제안 방법

• Bussgang의 정리를 적용하여 양자화 왜곡을 선형 왜곡과 상관없는 노이즈로 모델링함으로써, 선형 프리코더(예: 제로포싱)를 사용한 비코드링 BER 분석이 가능하도록 한다.
• 왜곡 모델과 가우시안 입력 가정을 기반으로 1비트 DACs에 대해 정보이론적 통합 수신률의 닫힌 형태 하한선을 유도한다.
• 다중비트 DACs의 경우, 양자화 노이즈의 세기와 상관관계 구조를 기반으로 왜곡 공분산에 대한 근사식을 유도한다.
• DAC 출력을 입력 신호의 공분산과 양자화기의 전달 함수의 함수로 모델링하여 왜곡의 공간적 및 시간적 상관관계를 고려한다.
• 리만 합 근사를 사용하여 왜곡 공분산의 연속적 적분 형태를 도출하며, DAC 해상도가 증가함에 따라 이는 닫힌 형태의 수식으로 수렴한다.
• 공개된 MATLAB 시뮬레이터를 사용하여 수치적 시뮬레이션을 수행하고, 다양한 DAC 해상도에서 BER 및 통합 수신률 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 128안테나 기지국을 갖춘 매크로 MU-MIMO-OFDM 시스템에서 목표 비코드링 BER 10⁻⁴을 달성하기 위해 필요한 최소 DAC 비트 수는 얼마인가?
• RQ2 저해상도 DAC 시스템에서 양자화 노이즈의 공간적 및 시간적 상관관계는 통합 수신률 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 매크로 MU-MIMO-OFDM에서 1비트 DACs를 사용할 경우, 가우시안 입력에 대해 통합 수신률의 닫힌 형태 하한선을 도출할 수 있는가?
• RQ4 다중비트 DAC 시스템에서 왜곡 공분산에 대한 근사식의 정확도는 어떻게 되며, 이는 통합 수신률 추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 광대역 매크로 MIMO 시스템에서 DAC 해상도를 낮출 경우 스펙트럼 효율성과 비대역 외 방출 간의 상호 교환 관계는 어떻게 되는가?

주요 결과

• 128안테나 기지국이 16명의 사용자를 서비스하는 매크로 MU-MIMO-OFDM 시스템에서, 무한해상도 DACs에 비해 성능 손실이 거의 없는 10⁻⁴ 비코드링 BER을 달성하기 위해 단지 3~4비트 DAC만으로도 충분하다.
• 1비트 DACs에 대해 도출된 통합 수신률 하한선은 닫힌 형태이며, 가우시안 신호 전송 조건 하에서 시스템의 스펙트럼 효율 한계를 정확히 반영한다.
• 다중비트 DACs의 왜곡 공분산에 대한 근사식은 매우 정확하며, 신뢰할 수 있는 통합 수신률 추정을 가능하게 한다.
• 양자화 노이즈의 공간적 및 시간적 상관관계는 시스템 성능에 상당한 영향을 미치며, 이는 시스템 설계 및 분석 시 반드시 고려되어야 한다.
• DAC 해상도를 낮추면 비대역 외 방출이 증가하지만, 프리코딩 및 신호 형상화를 통해 이를 완화할 수 있다.
• Bussgang의 정리와 리만 합 수렴을 통한 이론적 분석은 저해상도 매크로 MIMO 시스템의 상호 교환 관계를 이해하는 데 엄밀한 기반을 제공한다.