[논문 리뷰] Spatial Oversampling in LOS MIMO Systems with 1-Bit Quantization at the Receiver

Tim Hälsig, Berthold Lankl|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 10.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 6인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 1비트 양자화 수신기를 갖춘 시선 간 직선(MIMO) 시스템에서 공간 과표본화(spatial oversampling)를 제안하여 군중 양자화로 인한 데이터 전송률 손실을 복구한다. 송신 안테나 수를 초월해 수신 안테나 수를 늘임으로써 시스템은 상당한 상호정보량 이득을 얻으며, 일부 구성에서는 최대 스펙트럼 효율을 달성한다. 특히 2차원 안테나 어레이에서는 공간 과표본화가 1비트 양자화 손실을 상쇄함을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper we investigate the achievable rate of LOS MIMO systems that use 1-bit quantization and spatial oversampling at the receiver. We propose that by using additional antennas at the receiver, the loss incurred due to the strong limitation of the quantization can be decreased. Mutual information results show that considerable rate gains can be achieved depending on the number and arrangement of the antennas. In some of the cases, even the full available rate from the transmitter can be attained. Furthermore, the results also reveal that two-dimensional antenna arrays can benefit more from spatial oversampling than one-dimensional arrays, when using 1-bit quantization in the LOS MIMO scenario.

연구 동기 및 목표

• 1비트 양자화로 인한 손실이 발생하는 LOS MIMO 시스템에서 수신기 측의 공간 과표본화가 전송률 저하를 완화할 수 있는지 조사한다.
• 1비트 양자화 하에서 다양한 안테나 어레이 구성(1차원 및 2차원)이 구현 가능한 상호정보량에 미치는 영향을 평가한다.
• 공간 과표본화가 1비트 해상도로 인해 발생한 스펙트럼 효율 손실을 완전히 복구할 수 있는지 규명한다.
• 다양한 입력 변조 방식(4-QAM, 16-QAM)과 공간 표본화 인자에 따른 성능을 비교한다.
• 저해상도 수신 조건에서 어레이 기하학적 구조와 안테나 간격이 시스템 성능에 미치는 영향을 분석한다.

제안 방법

• 구면파 전파 이론에서 유도된 채널 행렬 H를 사용하여 좁은 대역의 복소 기저대역 모델을 통해 LOS MIMO 시스템을 모델링한다.
• 각 수신 신호의 실수부 및 허수부에 대해 독립된 ADC를 사용하여 각 복조 성분에 대해 1비트 양자화를 적용한다.
• 송신 안테나 수(N)를 초월해 수신 안테나 수(M)를 늘림으로써 공간 과표본화를 구현하며, 안테나는 최대한 떨어진 위치에 배치한다.
• 균일 직사각형 어레이(URAs)를 가정하여 공간 다양성을 극대화하는 방식으로 수신 어레이 기하학적 구조를 최적화한다.
• 가우시안 입력 분포를 사용하고 신호대임계비(SNR) 및 공간 표본화 인자 S를 변화시켜 상호정보량 I(X;Y_Q)를 성능 지표로 계산한다.
• 다양한 어레이 유형(1D 대비 2D), 입력 변조 방식, 공간 과표본화 인자 S = M/N에 따른 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1비트 양자화로 인해 발생한 스펙트럼 효율 손실을 수신기 측의 공간 과표본화로 복구할 수 있는가?
• RQ2 다양한 어레이 기하학적 형태(1D 대비 2D)와 공간 과표본화 인자에 따라 1비트 양자화된 LOS MIMO 시스템의 성능은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 공간 과표본화를 적용한 1비트 양자화된 LOS MIMO 시스템에서 도달 가능한 최대 상호정보량은 얼마이며, 입력 알파벳의 최대 전송률에 도달할 수 있는가?
• RQ4 송신 및 수신 어레이 배열 방식의 선택이 공간 과표본화로 인한 상호정보량 향상에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 공간 과표본화의 성능 향상 효과는 입력 변조 방식(예: 4-QAM 대비 16-QAM)과 SNR에 따라 달라지는가?

주요 결과

• 공간 과표본화로 인해 1비트 양자화된 LOS MIMO 시스템의 상호정보량이 크게 향상되며, 이는 공간 표본화 인자 S가 증가할수록 증가한다.
• N=4개의 송신 안테나와 M=10개의 수신 안테나를 가진 4-QAM 입력 시스템(S=2.5)에서 상호정보량은 7.8 bpcu에 도달하여 입력 알파벳의 최대 8 bpcu 용량에 근접한다.
• 낮은 공간 과표본화 인자(S가 낮을 경우)에서 2차원 수신 어레이가 1차원 어레이보다 우수한 성능을 보이며, 이는 더 높은 공간 다양성과 샘플링 지점 배치에 대한 민감도 때문이므로.
• 최적의 어레이 기하학적 구조와 충분한 과표본화 조건에서, 1비트 양자화 조건에서도 입력 알파벳의 최대 스펙트럼 효율(예: N=4일 때 4-QAM의 8 bpcu)을 달성할 수 있다.
• 2차원 어레이의 성능 곡선은 비연속적임을 보이며, 이는 M=4 또는 M=8과 같은 특정 안테나 수에서 비균일하거나 최적화된 어레이 배열이 유리할 수 있음을 시사한다.
• 높은 공간 과표본화와 유리한 어레이 구성 조건에서 시스템은 거의 최대 전송률 성능을 달성하며, 이는 공간 과표본화가 1비트 양자화 손실을 완전히 상쇄할 수 있음을 보여준다.