[논문 리뷰] Mixed-ADC/DAC Multipair Massive MIMO Relaying Systems: Performance Analysis and Power Optimization

Jiayi Zhang, Linglong Dai외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 10.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 37인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중쌍 마이크로모드 MIMO 중계 시스템을 위한 혼합-ADC/DAC 아키텍처를 제안하며, 고해상도 및 저해상도 변환기를 조합하여 하드웨어 비용과 전력 소비를 줄입니다. 추가 양자화 노이즈 모델을 사용하여 도달 가능한 신속도에 대한 정확한 및 근사적인 폐쇄형 표현식을 유도하며, 2~3비트의 해상도로도 비양자화 성능에 근접할 수 있음을 보여주고, 안테나 수가 증가함에 따라 전력 소비가 반비례 감소하는 전력 스케일링 법칙을 제안합니다.

ABSTRACT

High power consumption and expensive hardware are two bottlenecks for practical massive multiple-input multiple-output (mMIMO) systems. One promising solution is to employ low-resolution analog-to-digital converters (ADCs) and digital-to-analog converters (DACs). In this paper, we consider a general multipair mMIMO relaying system with a mixed-ADC/DAC architecture, in which some antennas are connected to low-resolution ADCs/DACs, while the rest of the antennas are connected to high-resolution ADCs/DACs. Leveraging on the additive quantization noise model, both exact and approximate closed-form expressions for the achievable rate are derived. It is shown that the achievable rate can approach the unquantized one by using only 2-3 bits of resolutions. Moreover, a power scaling law is presented to reveal that the transmit power can be scaled down inversely proportional to the number of antennas at the relay. We further propose an efficient power allocation scheme by solving a complementary geometric programming problem. In addition, a trade-off between the achievable rate and power consumption for different numbers of low-resolution ADCs/DACs is investigated by deriving the energy efficiency. Our results reveal that the large antenna array can be exploited to enable the mixed-ADC/DAC architecture, which significantly reduces the power consumption and hardware cost for practical mMIMO systems.

연구 동기 및 목표

• 마이크로모드 MIMO 중계 시스템에서 높은 전력 소비와 하드웨어 비용 문제를 해결하기 위해.
• 단지 일부 안테나에서 저해상도 변환기를 사용하는 혼합-ADC/DAC 아키텍처의 성능을 조사하기 위해.
• 혼합-ADC/DAC 구성에서 도달 가능한 신속도에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하기 위해.
• 실제 mMIMO 중계 시스템에서 하드웨어 제약 조건 하에 에너지 효율성의 트레이드오프를 규명하고 전력 할당을 최적화하기 위해.

제안 방법

• 저해상도 ADCs/DACs의 비선형 양자화 효과를 모델링하기 위해 추가 양자화 노이즈 모델(AQNM)을 사용합니다.
• 혼합-ADC/DAC 아키텍처를 갖춘 다중쌍 마이크로모드 MIMO 중계 시스템에서 도달 가능한 신속도에 대한 정확한 및 근사적인 폐쇄형 표현식을 유도합니다.
• 대규모 MIMO 채널 가정과 통계적 채널 상태 정보(CSI)를 적용하여 fading 분포에 대한 기대값 항목을 계산합니다.
• 하드웨어 제약 조건 하에서 시스템 성능을 최적화하기 위해 보완형 기하프로그래밍 기반의 전력 할당 방식을 제안합니다.
• 전송 전력이 릴레이 안테나 수와 반비례하게 스케일링됨을 보여주는 전력 스케일링 법칙을 유도합니다.
• 다양한 수의 저해상도 ADCs/DACs에서 도달 가능한 신속도와 전력 소비 간의 트레이드오프를 분석함으로써 에너지 효율성을 평가합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼합-ADC/DAC 아키텍처는 저해상도가 2~3비트일 때 비양자화 시스템 성능에 근접한 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 시스템의 도달 가능한 신속도는 안테나 수와 저해상도 변환기의 수에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 혼합-ADC/DAC 마이크로모드 MIMO 중계 시스템에서 전송 전력 감소를 지배하는 전력 스케일링 법칙은 무엇인가?
• RQ4 하드웨어 및 에너지 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율성을 최대화하기 위해 전력을 어떻게 효율적으로 할당할 수 있는가?
• RQ5 다양한 저해상도 ADCs/DACs 구성에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 간의 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• ADC/DAC 해상도가 2~3비트일 경우 도달 가능한 신속도가 비양자화 시스템 성능에 매우 가까이 도달합니다.
• 전송 전력이 릴레이 안테나 수와 반비례하는 전력 스케일링 법칙을 달성하여 현저한 에너지 절감이 가능합니다.
• 보완형 기하프로그래밍 기반의 제안된 전력 할당 방식은 하드웨어 및 에너지 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율성을 효과적으로 최적화합니다.
• 저해상도 ADCs/DACs의 수를 신중히 선택함으로써 에너지 효율성이 최대화되며, 이는 신속도와 전력 소비 간의 명확한 트레이드오프를 보여줍니다.
• 혼합-ADC/DAC 아키텍처는 높은 스펙트럼 효율성을 유지하면서도 하드웨어 비용과 전력 소비를 상당히 감소시킵니다.
• 이론적 분석을 통해 대규모 안테나 어레이가 군중 양자화로 인한 성능 손실를 효과적으로 보완할 수 있음을 확인하였으며, 이는 실용적인 mMIMO 중계 시스템에 적용 가능함을 시사합니다.