[论文解读] Linear Receivers for Massive MIMO Systems with One-Bit ADCs

Ly V. Nguyen, Duy H. N. Nguyen|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 18被引用 12

一句话总结

该论文为1-bit ADC的大规模MIMO系统提出三种新型线性接收机——基于Bussgang的合并波束成形（BMRC）、迫零（BZF）和最小均方误差（BMMSE）。通过利用Bussgang分解将1-bit ADC的非线性建模为线性失真，所提出的接收机相较于传统线性接收机显著降低了误比特率（BER）误码地板，展现出在低分辨率ADC场景下的优越性能。

ABSTRACT

In this letter, we propose three linear receivers including Bussgang-based Maximal Ratio Combining (BMRC), Bussgang-based Zero-Forcing (BZF), and Bussgang-based Minimum Mean Squared Error (BMMSE) for massive MIMO systems with one-bit analog-to-digital converters (ADCs). Closed-form expressions of the proposed receivers are obtained by using the Bussgang decomposition to cope with the non-linear effect of the one-bit ADCs. Simulation results show significantly lower bit error rate floors obtained by the proposed receivers than those of conventional linear receivers.

研究动机与目标

• 解决1-bit ADC在大规模MIMO系统中引入的非线性问题，该问题会降低传统线性接收机的性能。
• 克服现有方法的局限性，这些方法要么忽略1-bit ADC的影响，要么使用近似模型。
• 设计能够准确建模非线性1-bit ADC行为的线性接收机，以提升检测性能。
• 利用Bussgang分解推导出所提接收机的闭式表达式，实现实际应用。
• 证明所提接收机在误比特率性能方面优于传统线性接收机，尤其在高信噪比（SNR）条件下。

提出的方法

• 应用Bussgang分解，将1-bit ADC建模为具有已知增益和加性噪声的线性失真，从而实现线性系统表示。
• 利用Bussgang分解推导出有效信道矩阵A和有效噪声协方差矩阵Σn，以考虑1-bit ADC的非线性特性。
• 基于线性化模型构建BMRC、BZF和BMMSE接收机，其合并矩阵由有效信道和噪声统计特性推导得出。
• 将BMMSE接收机作为在Bussgang模型下最优的线性接收机，通过最小化估计符号与实际符号之间的均方误差推导得出。
• 采用逐符号检测方式，并基于有效信道响应进行重标定，以缓解增益失配问题。
• 利用蒙特卡洛仿真评估在不同用户数K和信噪比（SNR）水平下的误比特率性能，与传统线性接收机进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不造成显著性能损失的前提下，将专为无限分辨率ADC设计的线性接收机有效适配至1-bit ADC大规模MIMO系统？
• RQ2 如何准确建模1-bit ADC的非线性特性，以支持高效线性接收机的设计？
• RQ3 基于Bussgang的线性接收机相较于传统线性接收机，在误比特率地板降低方面能带来多大性能增益？
• RQ4 用户数K如何影响1-bit ADC大规模MIMO系统中所提接收机与传统接收机之间的性能差距？
• RQ5 所提接收机在保持低计算复杂度的同时，能在多大程度上逼近非线性检测方法的性能？

主要发现

• 所提出的基于Bussgang的线性接收机（BMRC、BZF、BMMSE）在1-bit ADC大规模MIMO系统中显著降低了误比特率（BER）地板，优于传统线性接收机。
• 仿真结果表明，所提BMMSE接收机的BER地板明显低于传统MMSE和ZF接收机，尤其在高信噪比（SNR）条件下。
• 当K=2，N=16，采用QPSK调制时，所提接收机优于传统接收机，且随着SNR增加，误码地板进一步降低。
• 当K增大时（例如K=16，N=128），由于统计信道近似（如H H^H ≈ K I_N），所提接收机与传统接收机之间的性能差距逐渐缩小。
• 基于Bussgang的接收机在保持低计算复杂度的同时，性能接近非线性检测器，适用于实时应用。
• BMMSE接收机基于Bussgang模型推导得出，性能最佳，其数学形式与传统MMSE接收机类似，但采用修改后的有效信道和噪声协方差。