[论文解读] Dynamic Metasurface Antennas for MIMO-OFDM Receivers with Bit-Limited ADCs

Hanqing Wang, Nir Shlezinger+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2019

Antenna Design and Analysis参考文献 47被引用 6

一句话总结

本文提出动态超表面天线（DMAs）用于在模拟-数字转换（ADC）严格比特受限条件下的MIMO-OFDM接收机，通过任务导向量化优化预量化模拟合并。通过利用DMAs的频率选择性、可重构响应特性，该方法在传统基于移相器的混合架构基础上实现了显著的性能增益——最高达7.5 dB信噪比（SNR）增益，使高数据率、低功耗的大规模MIMO系统在降低硬件成本和功耗的同时成为可能。

ABSTRACT

The combination of orthogonal frequency modulation (OFDM) and multiple-input multiple-output (MIMO) systems plays an important role in modern communication systems. In order to meet the growing throughput demands, future MIMO-OFDM receivers are expected to utilize a massive number of antennas, operate in dynamic environments, and explore high frequency bands, while satisfying strict constraints in terms of cost, power, and size. An emerging technology to realize massive MIMO receivers of reduced cost and power consumption is based on dynamic metasurface antennas (DMAs), which inherently implement controllable compression in acquisition. In this work we study the application of DMAs for MIMO-OFDM receivers operating with bit-constrained analog-to-digital converters (ADCs). We present a model for DMAs which accounts for the configurable frequency selective profile of its metamaterial elements, resulting in a spectrally flexible hybrid structure. We then exploit previous results in task-based quantization to show how DMAs can be configured to improve recovery in the presence of constrained ADCs, and propose methods for adjusting the DMA parameters based on channel state information. Our numerical results demonstrate that the DMA-based receiver is capable of accurately recovering OFDM signals. In particular, we show that by properly exploiting the spectral diversity of DMAs, notable performance gains are obtained over existing designs of conventional hybrid architectures, demonstrating the potential of DMAs for MIMO-OFDM setups in realizing high performance massive antenna arrays of reduced cost and power consumption.

研究动机与目标

• 解决大规模MIMO-OFDM接收机因大规模ADC阵列导致的高成本和高功耗问题。
• 克服在比特受限ADC系统中量化导致信号恢复失真的性能限制。
• 利用动态超表面天线（DMAs）的可重构、频率选择性特性，实现自适应模拟合并，从而在量化条件下提升信号恢复性能。
• 设计一种混合接收机架构，利用信道状态信息（CSI）优化DMA配置以最小化估计误差。
• 证明在严格比特预算下，DMAs可优于传统基于移相器的混合架构，实现低成本、低功耗的大规模MIMO系统。

提出的方法

• 建立动态超表面天线（DMAs）的频率选择性模型，捕捉超材料单元在OFDM子载波上的可调谐、可重构响应特性。
• 将基于DMA的接收机建模为任务导向量化问题，目标是最小化恢复发射OFDM符号的均方误差（MSE）。
• 设计一种迭代算法，通过依次调整每个单元的响应来优化DMA权重（每根微带），以最小化MSE，初始阶段忽略结构约束。
• 提出对无约束解的实用近似，以满足物理DMA约束，包括窄带和洛伦兹型宽带模型。
• 将优化后的DMA配置与包含有限比特分辨率ADC和线性最小均方误差（MMSE）估计的数字处理链集成。
• 利用信道状态信息（CSI）自适应配置DMA响应，以提升频谱多样性和信号恢复性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 动态超表面天线（DMAs）能否在比特受限ADC的MIMO-OFDM接收机中有效应用以改善信号恢复？
• RQ2 DMAs的频率选择性、可重构响应如何在低比特ADC环境中提升频谱多样性并降低估计误差？
• RQ3 在相同比特预算下，基于DMA的接收机相较于传统基于移相器的混合架构的性能增益是多少？
• RQ4 所提出的任务导向量化框架如何优化DMA配置以最小化OFDM符号检测中的MSE？
• RQ5 在大规模MIMO-OFDM系统中，DMAs在保持高谱效率的同时，能在多大程度上降低硬件成本和功耗？

主要发现

• 基于DMA的接收机在6 dB SNR下实现未编码误比特率（BER）为$8 \cdot 10^{-2}$，优于传统设计。
• R3在6.5 dB SNR下达到相同BER，相较R2实现0.5 dB SNR增益；R4在14 dB SNR下实现该BER，表明实现7.5 dB SNR增益。
• 在固定总比特预算为50或120比特时，所提出的DMA接收机在MSE和BER方面仍显著优于基于移相器的混合接收机。
• 所提方法可在严格比特约束下实现高性能信号恢复，性能接近未量化线性MMSE估计。
• 采用优化DMA配置的任务导向量化可实现有效的预量化压缩，降低对高分辨率ADC的需求。
• 数值结果证实，利用DMAs的频谱多样性可显著提升比特受限MIMO-OFDM系统的性能。