[논문 리뷰] Robust Task-Specific Beamforming with Low-Resolution ADCs for Power-Efficient Hybrid MIMO Receivers

Eyyup Tasci, Timur Zirtiloglu외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 30.

Analog and Mixed-Signal Circuit Design인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 MIMO 수신기의 하드웨어 복잡성과 전력 소비를 줄이기 위해 저해상도 ADC와 작업 특화 비례형 조절을 결합한 전력 효율적인 하이브리드 MIMO 수신기를 제안한다. 하드웨어 결함과 채널 추정 오차에 대해 강건한 동시에 아날로그 및 디지털 처리를 공동 최적화함으로써, 기존 시스템 대비 58% 이상의 전력 절감을 달성하면서도 전면 디지털 성능에 근접한 성능을 구현한다.

ABSTRACT

Multiple-input multiple-output (MIMO) systems exploit spatial diversity to facilitate multi-user communications with high spectral efficiency by beamforming. As MIMO systems utilize multiple antennas and radio frequency (RF) chains, they are typically costly to implement and consume high power. A common method to reduce the cost of MIMO receivers is utilizing less RF chains than antennas by employing hybrid analog/digital beamforming (HBF). However, the added analog circuitry involves active components whose consumed power may surpass that saved in RF chain reduction. An additional method to realize power-efficient MIMO systems is to use low-resolution analog-to-digital converters (ADCs), which typically compromises signal recovery accuracy. In this work, we propose a power-efficient hybrid MIMO receiver with low-quantization rate ADCs, by jointly optimizing the analog and digital processing in a hardware-oriented manner using task-specific quantization techniques. To mitigate power consumption on the analog front-end, we utilize efficient analog hardware architecture comprised of sparse low-resolution vector modulators, while accounting for their properties in design to maintain recovery accuracy and mitigate interferers in congested environments. To account for common mismatches induced by non-ideal hardware and inaccurate channel state information, we propose a robust mismatch aware design. Supported by numerical simulations and power analysis, our power-efficient MIMO receiver achieves comparable signal recovery performance to power-hungry fully-digital MIMO receivers using high-resolution ADCs. Furthermore, our receiver outperforms the task-agnostic HBF receivers with low-rate ADCs in recovery accuracy at lower power and successfully copes with hardware mismatches.

연구 동기 및 목표

• 수많은 RF 체인과 고해상도 ADC로 인해 발생하는 완전 디지털 MIMO 수신기의 높은 전력 소비 문제를 해결한다.
• 하이브리드 MIMO 아키텍처에서 저해상도 ADC로 인해 발생하는 성능 저하 문제를 해결한다.
• 비이상적인 아날로그 구성 요소(예: 희박한 벡터 변조기 및 이득/위상 불일치)를 고려한 하드웨어 인식 비례형 조절 프레임워크를 설계한다.
• 공간 간섭자가 많은 환경에서 작업 특화 양자화를 통해 신호 복구 정확도를 향상시킨다.
• 각도 도착 방향(AoA) 불일치와 하드웨어 결함에 대해 강건성을 확보하면서 전력 소비를 최소화한다.

제안 방법

• 작업 특화 신호 복구를 위한 아날로그 조절기(A)와 디지털 조절기(B)를 공동 최적화하는 아날로그 및 디지털 비례형 조절 설계를 제안한다.
• 희박한 저해상도 벡터 변조기(VM)를 통합하여 아날로그 전력 소비를 감소시키며, 희박성은 계수 γSP를 통해 제어한다.
• 비례화 노이즈를 덧붙인 ADC 모델을 사용하여, 분산 Δp²/6인 상관관계가 없는 0 평균 노이즈로 모델링하며, 여기서 Δp = 2γ/b이다.
• 평균 제곱오차(MSE)를 채널 공분산 행렬의 함수로 기술하며, 신호 및 노이즈 항목을 포함하고 κ와 b를 포함한 수정된 노이즈 전력 항목을 통합한다.
• AoA 불일치와 아날로그 조절기의 이득/위상 오차를 고려한 강건한 최적화 프레임워크를 도입한다.
• Walden의 Figure of Merit (FoM)와 구성 요소 수준의 전력 모델을 사용하여 총 전력 소비를 추정하며, LNA, 믹서, BB 앰프, ADC를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 작업 특화 비례형 조절과 저해상도 ADC를 사용할 경우, 고해상도 전면 디지털 MIMO 수신기와 유사한 성능을 달성하면서 전력 소비를 줄일 수 있는가?
• RQ2 희박한 저해상도 벡터 변조기를 사용할 경우, 하이브리드 MIMO 수신기의 전력 효율성과 신호 복구 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 저비트 하이브리드 MIMO 시스템에서 AoA 추정 오차와 하드웨어 결함에 대한 강건성은 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ4 작업 특화 MIMO 수신기에서 양자화 해상도, 아날로그 하드웨어 복잡성, 시스템 전력 소비 간의 상호 교환 관계는 어떠한가?
• RQ5 일반적인 작업에 무관한 하이브리드 MIMO 설계 대비 공동 아날로그-디지털 최적화 프레임워크가 정확도와 전력 효율성 측면에서 뛰어난 성능을 낼 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 작업 특화 하이브리드 MIMO 수신기는 고해상도 ADC를 사용하는 전면 디지털 MIMO 시스템과 유사한 신호 복구 성능(MSE)을 달성한다.
• 기존의 전면 디지털 MIMO 수신기 대비 총 전력 소비를 58% 이상 절감한다(8×8 시스템 기준 520 mW 대비 172 mW).
• 저속도 ADC를 사용하는 작업에 무관한 HBF 수신기보다 MSE 성능과 공간 간섭자 억제 성능 모두에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 불일치 인식 공동 최적화 알고리즘을 통해 AoA 불일치와 하드웨어 결함에 대해 강건성을 확보하였으며, 낮은 오류율을 유지한다.
• 25% 희박한 벡터 변조기(4비트), 4비트 ADC, 저전력 LNA/VM을 통해 전력 절감을 달성하였으며, ADC 전력은 10비트일 때 10 mW에서 4비트일 때 0.5 mW로 감소하였다.
• 이론적 분석을 통해 양자화 노이즈가 신호 및 관측값과 상관관계가 없음을 확인하였으며, κ와 b를 포함한 수정된 노이즈 분산 항목을 통해 정확한 MSE 모델링이 가능하다.