[论文解读] Full-Duplex Massive MIMO Relaying Systems with Low-Resolution ADCs

Chuili Kong, Caijun Zhong+4 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2017

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 35被引用 3

一句话总结

本文提出了一种全双工大规模MIMO中继系统，其中中继和用户端均采用低分辨率ADC，通过导频训练和最大比率合并/波束成形来抑制干扰。推导了精确和近似的和速率表达式，表明大规模中继天线可补偿中继端的低分辨率ADC，但无法补偿用户端的低分辨率ADC，并建立了功率按比例缩放的规律：当源端发射功率按 $1/M$ 缩放时，可维持恒定速率。

ABSTRACT

This paper considers a multipair amplify-and-forward massive MIMO relaying system with low-resolution ADCs at both the relay and destinations. The channel state information (CSI) at the relay is obtained via pilot training, which is then utilized to perform simple maximum-ratio combining/maximum-ratio transmission processing by the relay. Also, it is assumed that the destinations use statistical CSI to decode the transmitted signals. Exact and approximated closed-form expressions for the achievable sum rate are presented, which enable the efficient evaluation of the impact of key system parameters on the system performance. In addition, optimal relay power allocation scheme is studied, and power scaling law is characterized. It is found that, with only low-resolution ADCs at the relay, increasing the number of relay antennas is an effective method to compensate for the rate loss caused by coarse quantization. However, it becomes ineffective to handle the detrimental effect of low-resolution ADCs at the destination. Moreover, it is shown that deploying massive relay antenna arrays can still bring significant power savings, i.e., the transmit power of each source can be cut down proportional to $1/M$ to maintain a constant rate, where $M$ is the number of relay antennas.

研究动机与目标

• 分析具有中继和用户端低分辨率ADC的多对全双工大规模MIMO中继系统的性能。
• 研究粗量化对系统频谱效率的影响，并识别关键的性能限制因素。
• 推导可实现和速率的精确和近似闭式表达式，以实现高效的系统评估。
• 设计最优中继功率分配方案，并表征恒定速率运行下的功率按比例缩放规律。
• 评估大规模阵列在补偿低分辨率ADC导致的性能损失方面的有效性。

提出的方法

• 在中继端使用导频训练以估计信道状态信息（CSI），随后用于最大比率合并与波束成形。
• 在用户端使用统计CSI进行信号解码，以降低反馈开销。
• 利用随机几何和随机矩阵理论，推导可实现和速率的精确和近似闭式表达式。
• 通过基于期望的信干噪比（SINR）分析，研究ADC分辨率、中继端天线数量和功率分配等关键参数的影响。
• 提出一种功率按比例缩放规律：源端发射功率与中继端天线数 $M$ 成反比，以维持恒定速率。
• 在系统模型中显式建模环路干扰和量化噪声，同时考虑中继端和用户端ADC的分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全双工大规模MIMO中继系统中，中继端低分辨率ADC的量化如何影响可实现和速率？
• RQ2 大规模MIMO阵列是否能有效补偿由粗量化ADC引起的速率下降？
• RQ3 在低分辨率ADC约束下，中继端最优功率分配策略是什么，以最大化和速率？
• RQ4 当低分辨率ADC部署在用户端而非中继端时，系统性能如何退化？
• RQ5 随着中继端天线数增加，维持恒定和速率的功率按比例缩放规律是什么？

主要发现

• 增加中继端天线数量可有效补偿中继端低分辨率ADC导致的速率损失，即使在粗量化条件下，也能实现高谱效率。
• 大规模中继阵列带来的性能增益无法延伸至用户端的低分辨率ADC，后者仍存在显著的速率损失。
• 系统实现了功率按比例缩放规律，即源端发射功率按 $1/M$ 缩放，可维持恒定和速率，从而实现显著的节能效果。
• 当中继端ADC分辨率仅为4–5比特时，由于阵列增益，系统仍能保持高谱效率，证实了对粗量化具有鲁棒性。
• 最优导频训练长度显著长于无量化系统，凸显了对先进信道估计技术的需求。
• 推导的和速率表达式具有高精度，可高效评估各种配置下的系统性能。