[论文解读] One-Bit Massive MIMO: Channel Estimation and High-Order Modulations

Sven Jacobsson, Giuseppe Durisi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 19

一句话总结

该论文表明，即使在严重量化的情况下，一比特大规模MIMO系统中，最小二乘（LS）信道估计与联合导频-数据（JPD）处理相结合仍可实现容量。此外，它进一步表明，结合LS估计的最大比合并（MRC）能够支持16-QAM等高阶调制，其频谱效率高于QPSK，尤其在大规模天线阵列下表现更优，尽管存在非线性和多用户干扰。

ABSTRACT

We investigate the information-theoretic throughout achievable on a fading communication link when the receiver is equipped with one-bit analog-to-digital converters (ADCs). The analysis is conducted for the setting where neither the transmitter nor the receiver have a priori information on the realization of the fading channels. This means that channel-state information needs to be acquired at the receiver on the basis of the one-bit quantized channel outputs. We show that least-squares (LS) channel estimation combined with joint pilot and data processing is capacity achieving in the single-user, single-receive-antenna case. We also investigate the achievable uplink throughput in a massive multiple-input multiple-output system where each element of the antenna array at the receiver base-station feeds a one-bit ADC. We show that LS channel estimation and maximum-ratio combining are sufficient to support both multiuser operation and the use of high-order constellations. This holds in spite of the severe nonlinearity introduced by the one-bit ADCs.

研究动机与目标

• 分析在发射端和接收端均无先验信道状态信息的一比特大规模MIMO系统中的可实现速率。
• 评估在具有单比特ADC的上行链路大规模MIMO系统中，LS信道估计与MRC的性能。
• 研究在单比特量化和多用户干扰条件下，是否能够支持16-QAM等高阶星座图。
• 确定在单输入单输出（SISO）一比特情况下，联合导频-数据处理是否为容量可达。

提出的方法

• 采用N ≫ K根天线和基站端单比特ADC的瑞利块衰落MIMO信道模型。
• 基于导频符号和数据符号进行最小二乘（LS）信道估计，并采用联合导频-数据（JPD）处理以提高精度。
• 在基站端应用最大比合并（MRC）以相干地合并来自多个接收天线的信号。
• 利用互信息和β函数恒等式推导可实现速率的解析表达式。
• 通过仿真验证结果，涵盖不同的相干时间（T）、信噪比（ρ）、用户数（K）和天线数（N）。
• 采用实值BPSK模型以简化分析，并通过数学归纳法与二项式恒等式证明JPD处理与容量可达互信息表达式之间的等价性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无先验CSI的一比特SISO瑞利衰落信道中，联合导频-数据处理是否为容量可达？
• RQ2 在具有单比特ADC的上行链路一比特大规模MIMO系统中，16-QAM等高阶调制是否能实现比QPSK更高的频谱效率？
• RQ3 LS估计与MRC的组合是否能够同时支持一比特大规模MIMO系统中的多用户通信与高阶调制？
• RQ4 接收天线数量和相干时间如何影响一比特量化下的可实现速率？
• RQ5 通过大规模MIMO实现的空间复用是否能够补偿单比特ADC引入的非线性？

主要发现

• 在无先验CSI的一比特SISO瑞利衰落信道中，结合LS估计的联合导频-数据（JPD）处理可实现容量。
• 在具有单比特ADC的大规模MIMO系统中，LS估计与MRC可同时支持多用户通信与高阶星座图（如16-QAM）。
• 当N ≥ 100根天线时，16-QAM在低至−15 dB的信噪比下即可实现高于QPSK的频谱效率。
• 在多用户场景中，16-QAM的可实现速率超过QPSK，表明高阶调制对干扰更敏感。
• 逼近完美信道状态信息（CSI）速率的过程缓慢，当K = 20用户且相干时间T ≤ 20时，速率降为零。
• 16-QAM在单用户与多用户场景之间的性能差距更为显著，表明在单比特量化下系统行为受限于干扰。