[论文解读] Linear Precoding with Low-Resolution DACs for Massive MU-MIMO-OFDM Downlink

Sven Jacobsson, Giuseppe Durisi+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2017

Advanced Wireless Communication Techniques被引用 5

一句话总结

本文研究了在低分辨率DAC下大规模MU-MIMO-OFDM下行链路系统中的线性预编码，采用Bussgang定理建模失真，并推导出和速率的闭式上界。结果表明，对于128端口基站，仅需3–4位DAC即可在与无限分辨率DAC相比性能损失可忽略的情况下实现10⁻⁴的未编码BER；同时考虑了量化噪声中的空间与时间相关性。

ABSTRACT

We consider the downlink of a massive multiuser (MU) multiple-input multiple-output (MIMO) system in which the base station (BS) is equipped with low-resolution digital-to-analog converters (DACs). In contrast to most existing results, we assume that the system operates over a frequency-selective wideband channel and uses orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) to simplify equalization at the user equipments (UEs). Furthermore, we consider the practically relevant case of oversampling DACs. We theoretically analyze the uncoded bit error rate (BER) performance with linear precoders (e.g., zero forcing) and quadrature phase-shift keying using Bussgang's theorem. We also develop a lower bound on the information-theoretic sum-rate throughput achievable with Gaussian inputs, which can be evaluated in closed form for the case of 1-bit DACs. For the case of multi-bit DACs, we derive approximate, yet accurate, expressions for the distortion caused by low-precision DACs, which can be used to establish lower bounds on the corresponding sum-rate throughput. Our results demonstrate that, for a massive MU-MIMO-OFDM system with a 128-antenna BS serving 16 UEs, only 3--4 DAC bits are required to achieve an uncoded BER of 10^-4 with a negligible performance loss compared to the infinite-resolution case at the cost of additional out-of-band emissions. Furthermore, our results highlight the importance of taking into account the inherent spatial and temporal correlations caused by low-precision DACs.

研究动机与目标

• 解决由于基站采用高分辨率DAC导致的大规模MU-MIMO系统功耗过高的问题。
• 分析在频率选择性、宽带OFDM系统中采用过采样时，低分辨率DAC对系统性能的影响。
• 为低精度DAC引起的失真建立准确的模型，包括空间与时间相关性的影响。
• 针对高斯输入，建立和速率吞吐量的理论下界，对1位DAC给出闭式表达式，对多比特DAC提供近似表达式。
• 评估在实际大规模MIMO部署中，DAC分辨率、频谱效率与带外辐射之间的权衡。

提出的方法

• 应用Bussgang定理，将量化失真建模为线性失真加不相关噪声，从而实现对线性预编码器（如迫零预编码）下未编码BER的分析。
• 基于失真模型和高斯输入假设，推导出1位DAC下信息论和速率的闭式下界。
• 对于多比特DAC，基于量化噪声功率和相关性结构，推导出失真协方差的近似表达式。
• 通过建模DAC输出与输入信号协方差及量化器传输函数的关系，考虑失真中的空间与时间相关性。
• 使用黎曼和近似推导失真协方差的连续积分形式，随着DAC分辨率提高，该形式收敛至闭式表达式。
• 通过公开的MATLAB仿真器进行数值仿真，对比不同DAC分辨率下的BER与和速率性能，验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在128端口基站服务16个用户的大规模MU-MIMO-OFDM系统中，实现目标未编码BER为10⁻⁴所需的最小DAC位数是多少？
• RQ2 量化噪声的空间与时间相关性如何影响低分辨率DAC系统中的和速率性能？
• RQ3 在大规模MU-MIMO-OFDM系统中使用1位DAC时，能否为高斯输入推导出和速率的闭式下界？
• RQ4 多比特DAC系统中失真协方差的近似表达式有多准确？其对和速率估计有何影响？
• RQ5 在宽带大规模MIMO系统中，降低DAC分辨率时，频谱效率与带外辐射之间的权衡如何？

主要发现

• 对于服务16个用户的128端口基站，仅需3–4位DAC即可实现10⁻⁴的未编码BER，且与无限分辨率DAC相比性能损失可忽略。
• 针对1位DAC推导出的和速率下界为闭式表达，能准确捕捉高斯信号下系统的频谱效率极限。
• 多比特DAC中失真协方差的近似表达式被证明高度准确，可实现可靠的和速率估计。
• 量化噪声中的空间与时间相关性显著影响系统性能，必须在系统设计与分析中予以考虑。
• 降低DAC分辨率会导致带外辐射增加，但可通过预编码与信号整形技术有效缓解。
• 基于Bussgang定理与黎曼和收敛性的理论分析，为理解低分辨率大规模MIMO系统中的权衡提供了严谨基础。