[논문 리뷰] Linear Receivers for Massive MIMO Systems with One-Bit ADCs

Ly V. Nguyen, Duy H. N. Nguyen|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 15.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 18인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 1비트 ADC를 갖는 매크로 다수 MIMO 시스템을 위한 세 가지 새로운 선형 수신기—버스탕 기반 최대비율 복합(BMRC), 제로 포싱(BZF), 최소 평균 제곱 오차(BMMSE)—를 제안한다. 1비트 ADC의 비선형성을 선형 왜곡으로 모델링하기 위해 버스탕 분해를 활용함으로써, 제안된 수신기는 기존의 선형 수신기보다 훨씬 낮은 비트 오류율(BER) 바닥을 달성하여 저해상도 ADC 환경에서 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

In this letter, we propose three linear receivers including Bussgang-based Maximal Ratio Combining (BMRC), Bussgang-based Zero-Forcing (BZF), and Bussgang-based Minimum Mean Squared Error (BMMSE) for massive MIMO systems with one-bit analog-to-digital converters (ADCs). Closed-form expressions of the proposed receivers are obtained by using the Bussgang decomposition to cope with the non-linear effect of the one-bit ADCs. Simulation results show significantly lower bit error rate floors obtained by the proposed receivers than those of conventional linear receivers.

연구 동기 및 목표

• 기존 선형 수신기의 성능을 떨어뜨리는 1비트 ADC에서 유도되는 비선형성의 문제를 해결한다.
• 1비트 ADC 영향을 무시하거나 근사 모델을 사용하는 기존 접근법의 한계를 극복한다.
• 비선형 1비트 ADC 행동을 정확히 모델링하는 선형 수신기를 개발하여 검출 성능을 향상시킨다.
• 버스탕 분해를 사용하여 제안된 수신기의 닫힌 형태 식을 제공함으로써 실용적 구현을 가능하게 한다.
• 제안된 수신기가 특히 고신호대역비(SNR)에서 기존 선형 수신기보다 BER 성능 측면에서 뛰어나다는 것을 입증한다.

제안 방법

• 1비트 ADC를 알려진 이득과 추가 노이즈를 갖는 선형 왜곡으로 모델링하기 위해 버스탕 분해를 적용하여 선형 시스템 표현을 가능하게 한다.
• 버스탕 분해를 사용하여 비선형성의 영향을 반영한 유효 채널 행렬 A와 유효 노이즈 공분산 행렬 Σn을 유도한다.
• 선형화된 모델에 기반하여 BMRC, BZF, BMMSE 수신기를 구성하며, 유효 채널과 노이즈 통계에 기반한 복합 행렬을 도출한다.
• 버스탕 모델 하에서 평균 제곱 오차를 최소화함으로써 유도된 최적의 선형 수신기인 BMMSE 수신기를 사용한다.
• 이득 불일치를 보완하기 위해 유효 채널 응답에 기반한 재스케일링을 적용한 심볼 단위 검출을 구현한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하여 다양한 사용자 수 K와 SNR 수준에서 BER 성능을 평가하고, 기존 선형 수신기와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무한해상도 ADC 수신기 설계 기법을 1비트 ADC 매크로 다수 MIMO 시스템에 효과적으로 적용할 수 있는가? 성능 손실가능성이 크지 않은가?
• RQ2 1비트 ADC의 비선형성은 어떻게 정확히 모델링할 수 있으며, 이를 통해 효율적인 선형 수신기를 설계할 수 있는가?
• RQ3 버스탕 기반 선형 수신기의 BER 바닥 감소 성능 향상은 기존 선형 수신기 대비 얼마나 향상되는가?
• RQ4 사용자 수 K가 1비트 ADC 매크로 다수 MIMO 시스템에서 제안된 수신기와 기존 수신기 간의 성능 격차에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 저연산 복잡도를 유지하면서 제안된 수신기는 비선형 검출 방법에 얼마나 가까운 성능을 달성하는가?

주요 결과

• 제안된 버스탕 기반 선형 수신기(BMRC, BZF, BMMSE)는 1비트 ADC를 갖는 매크로 다수 MIMO 시스템에서 기존 선형 수신기보다 훨씬 낮은 BER 바닥을 달성한다.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 BMMSE 수신기의 BER 바닥은 고신호대역비에서 기존 MMSE 및 ZF 수신기보다 상당히 낮게 나타나며, 특히 고SNR 영역에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• K=2, N=16, QPSK 조건에서 제안된 수신기는 기존 수신기보다 뛰어난 성능을 보이며, SNR가 증가할수록 오류 바닥이 감소한다.
• K가 증가할 경우(예: K=16, N=128), 통계적 채널 근사(예: H H^H ≈ K I_N)로 인해 제안된 수신기와 기존 수신기 간의 성능 격차가 점차 줄어든다.
• 버스탕 기반 수신기는 낮은 연산 복잡도를 유지하면서도 비선형 검출기의 성능에 매우 가까운 성능을 달성하여 실시간 응용에 적합하다.
• 버스탕 모델에서 도출된 BMMSE 수신기는 최고의 성능을 보이며, 수정된 유효 채널과 노이즈 공분산을 갖는 전통적인 MMSE 수신기와 수학적으로 유사하다.