[논문 리뷰] Massive MIMO with Low-Resolution ADCs

Sven Jacobsson, Giuseppe Durisi외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 02.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 35인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 수신기가 저해상도 ADC를 사용할 때의 마스터리스 MIMO 시스템에서의 업링크 Throughput을 분석하며, 일정한 비트 수의 ADC와 최소 제곱법 기반 채널 추정, 공동 피롤-데이터 처리를 통해 무한정 정밀도 성능에 가까운 전송률을 달성할 수 있음을 보여준다. 또한 최대 비율 복합 또는 제로포싱 검출을 통해 조밀한 양자화 및 전력 불균형 조건에서도 신뢰할 수 있는 다중 사용자 전송이 가능하다고 밝힌다.

ABSTRACT

We investigate the information-theoretic throughput that is achievable over a fading communication link when the receiver is equipped with low-resolution analog-to-digital converters (ADCs). We focus on the case where neither the transmitter, nor the receiver have any a priori channel state information. This means that the fading realizations have to be learned through pilot transmission followed by channel estimation at the receiver, based on coarsely quantized observations. For the extreme case of one-bit ADCs and for the single-user single-input single-output case, we show that least squares (LS) estimation combined with joint pilot-data processing is optimal in terms of the achievable rate. We also investigate the uplink throughput achievable by a massive multiple-input multiple-output system in which the base station is equipped with low-resolution ADCs. We show that for the one-bit quantized case, LS estimation together with maximal ratio combing or zero-forcing detection is sufficient to support reliable multi-user transmission with high-order constellations. Numerical results show that the rates achievable in the infinite-precision (no quantization) case can be approached using ADCs with only a few bits of resolution. The robustness of the low-resolution ADC system against receive power imbalances between the different users, caused for example by imperfect power control, is also investigated.

연구 동기 및 목표

• 수신기가 채널 상태 정보 없이 저해상도 ADC를 사용할 때, fading 채널에서 달성 가능한 정보이론적 전송률을 분석하는 것.
• 피롤 기반 채널 추정 및 조밀한 양자화와 같은 실용적 제약 조건 하에서 단일 사용자 및 다중 사용자 마스터리스 MIMO 시스템에서 1비트 ADC의 성능을 평가하는 것.
• 부적절한 전력 제어로 인한 수신 전력 불균형에 대한 저해상도 ADC 시스템의 강건성(로버스트니)을 조사하는 것.
• 저해상도 ADC가 마스터리스 MIMO 업링크 시나리오에서 무한정 정밀도 수신기의 스펙트럼 효율에 도달할 수 있는지 여부를 규명하는 것.

제안 방법

• 저해상도 ADC로 인해 조밀하게 양자화된 관측치에 기반해 피롤 신호를 이용한 최소 제곱법(LS) 채널 추정을 수신기에서 수행한다.
• 1비트 ADC 제약 조건 하에서의 달성 가능한 전송률을 최적화하기 위해 단일 사용자 SISO 케이스에서 공동 피롤-데이터 처리를 적용한다.
• 다중 사용자 마스터리스 MIMO 업링크에서 간섭을 억제하기 위해 최대 비율 복합(MRC) 및 제로포싱(ZF) 검출을 활용한다.
• 송신기나 수신기가 페이딩 채널 상태에 대한 사전 지식이 없음을 가정하고 시스템 성능을 분석한다.
• 사용자 간 수신 전력 불균형이 시스템 성능에 미치는 영향을 모델링하며, 특히 저해상도 ADC 환경에서의 영향을 분석한다.
• 양자화 유무에 따른 달성 가능한 전송률을 비교하고, 수치 결과를 통해 무한정 정밀도 성능에 대한 갭을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1비트 ADC는 송신기나 수신기에서 채널 상태 정보 없이 마스터리스 MIMO 업링크에서 신뢰할 수 있는 통신을 지원할 수 있는가?
• RQ2 최적의 수신기 처리 전략은 무엇인가? 특히 SISO 시스템에서 1비트 ADC에 대해 공동 피롤-데이터 처리가 최적인가?
• RQ3 사용자 간 수신 전력이 불균형한 조건에서 MRC 및 ZF 검출은 1비트 ADC를 갖춘 마스터리스 MIMO에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 저해상도 ADC(예: 2~4비트)가 무한정 정밀도 수신기의 스펙트럼 효율을 어느 정도 근접할 수 있는가?
• RQ5 다중 사용자 시나리오에서 부적절한 전력 제어로 인한 수신 전력 불균형에 대해 저해상도 ADC 시스템은 얼마나 강건한가?

주요 결과

• 1비트 ADC를 사용하는 단일 사용자 SISO 케이스에서 최소 제곱법 추정과 공동 피롤-데이터 처리를 조합하면 최적의 달성 가능한 전송률을 달성한다.
• 1비트 ADC를 사용하는 마스터리스 MIMO 업링크에서 최대 비율 복합 또는 제로포싱 검출을 통해 조밀한 양자화 조건에서도 고차원 변조 방식을 사용한 신뢰할 수 있는 전송이 가능하다.
• 수치 결과에 따르면, 몇 개의 비트 해상도만으로도 무한정 정밀도 경우에 가까운 스펙트럼 효율을 달성할 수 있다.
• 저해상도 ADC 시스템은 사용자 간 수신 전력 불균형에 대해 강건성을 보이며, 부적절한 전력 제어 조건에서도 안정적인 성능을 유지한다.
• 저해상도 ADC 시스템과 무한정 정밀도 시스템 간의 성능 갭은 작아, 저해상도 하드웨어가 마스터리스 MIMO 환경에서 매우 높은 스펙트럼 효율을 달성할 수 있음을 시사한다.