[논문 리뷰] Performance of the Wideband Massive Uplink MIMO with One-Bit ADCs

Christopher Mollén, Junil Choi외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 24.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 34인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 다이내믹한 대량 MIMO 시스템에서 1비트 ADC를 사용할 때 스펙트럼 효율성을 분석하며, 단일 대역 및 OFDM 전송에 대해 닫힌 형태의 구현 가능한 속도를 유도한다. 다수의 채널 터널이 존재할수록 1비트 양자화로 인한 진폭 왜곡이 사라지며, 이는 OFDM가 단일 대역 전송과 동일한 성능을 낼 수 있음을 의미한다. 따라서 1비트 ADC는 고속도 광대역 시스템에 실현 가능하다.

ABSTRACT

Analog-to-digital converters (ADCs) consume a significant part of the total power in a massive MIMO base station. One-bit ADCs are one way to reduce power consumption. This paper presents an analysis of the spectral efficiency of single-carrier and OFDM transmission in massive MIMO systems that use one-bit ADCs. A closed-form achievable rate is derived for a wideband system with a large number of channel taps, assuming linear channel estimation and symbol detection. Quantization results in two types of error in the symbol detection. The circularly symmetric error becomes Gaussian in massive MIMO and vanishes as the number of antennas grows. The amplitude distortion, which severely degrades the performance of OFDM, is caused by variations in received interference energy between symbol durations. As the number of channel taps grows, the amplitude distortion vanishes and OFDM has the same performance as single-carrier transmission. A main conclusion of this paper is that wideband massive MIMO systems work well with one-bit ADCs.

연구 동기 및 목표

• 1비트 ADC를 사용한 광대역 대량 MIMO 시스템의 스펙트럼 효율성을 평가하기 위해.
• 1비트 양자화로 인해 발생하는 두 가지 주요 오차 성분인 원형 대칭 오차와 진폭 왜곡을 규명하고 분석하기 위해.
• OFDM이 1비트 ADC 시스템에서 단일 대역 전송과 비교해 유사한 성능을 달성할 수 있는 조건을 규명하기 위해.
• 1비트 양자화로 인한 성능 저하가 대량 MIMO 시스템에서 무시 가능해지는 조건을 설정하기 위해.

제안 방법

• 선형 채널 추정 및 검출을 가정하여, 1비트 ADC를 사용하는 광대역 대량 MIMO에서의 구현 가능한 속도에 대한 닫힌 형태의 표현을 유도한다.
• 원형 대칭 오차와 진폭 왜곡이라는 두 가지 주요 왜곡 성분을 모델링하며, 수신 안테나 수가 증가함에 따라 원형 대칭 오차는 가우시안 분포를 띠며 점점 사라진다.
• OFDM 시스템에 특히 영향을 미치는 간섭 에너지의 기간에 따른 변동으로 인해 발생하는 진폭 왜곡을 분석한다.
• 채널 탭 수가 증가할수록 진폭 왜곡이 감소하며, 이는 OFDM 성능이 단일 대역 전송 성능에 가까워지는 결과를 이끈다.
• 점근적 분석을 통해 대량 MIMO에서 대규모 안테나 어레이를 사용할 경우 중심극한정리 효과로 인해 원형 대칭 오차 성분이 사라짐을 보여준다.
• 많은 다중 경로 탭을 가진 광대역 환경에서 1비트 ADC 제약 조건 하에서 단일 대역과 OFDM 전송 간의 스펙트럼 효율을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1비트 ADC 양자화는 광대역 대량 MIMO 시스템의 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 1비트 ADC는 대량 MIMO 시스템에 어떤 주요 오차 성분을 유도하며, 이 성분들은 시스템 파rameter에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 1비트 ADC를 사용한 OFDM 전송에서 진폭 왜곡이 무시 가능해지는 조건은 무엇인가?
• RQ4 광대역 대량 MIMO에서 1비트 ADC를 사용할 경우, OFDM가 단일 대역 전송과 동일한 스펙트럼 효율을 달성하는가?
• RQ5 채널 탭 수가 1비트 ADC를 사용하는 OFDM와 단일 대역 시스템 간의 성능 격차에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 중앙극한정리 효과로 인해, 수신 안테나 수가 증가함에 따라 원형 대칭 양자화 오차는 가우시안 분포를 띠며 점점 사라진다.
• 좁대역 시스템에서 성능을 심각하게 저하시키는 진폭 왜곡은 탭 수가 증가할수록 감소한다.
• 많은 수의 채널 탭을 가진 광대역 시스템에서는 진폭 왜곡이 무시 가능해지며, 이는 OFDM이 단일 대역 전송과 유사한 스펙트럼 효율을 달성할 수 있음을 의미한다.
• 충분한 수의 채널 탭이 존재할 경우, 비선형성의 영향에도 불구하고 1비트 ADC를 사용하는 OFDM과 단일 대역 시스템은 동일한 성능을 보인다.
• 유도된 닫힌 형태의 구현 가능한 속도는 대규모 안테나 수와 채널 탭 수에 대해 유효하며, 신뢰할 수 있는 성능 기준을 제공한다.
• 채널 탭 수가 충분히 많을 경우, 1비트 ADC는 광대역 대량 MIMO 시스템에서 높은 스펙트럼 효율을 달성할 수 있으며, 저전력 솔루션으로 실현 가능하다.