[论文解读] Massive MIMO Downlink 1-Bit Precoding with Linear Programming for PSK Signaling

Hela Jedda, Amine Mezghani+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 8被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种基于线性规划的1比特预编码方案，适用于采用PSK调制的大规模MIMO下行链路系统，通过优化发射信号以最大化与判决阈值的安全距离。该方法在误码率（BER）性能上显著优于QWF等线性预编码器，且计算复杂度远低于其他复杂方法，性能接近最优。

ABSTRACT

Quantized massive multiple-input-multiple-output (MIMO) systems are gaining more interest due to their power efficiency. We present a new precoding technique to mitigate the multi-user interference and the quantization distortions in a downlink multi-user (MU) multiple-input-single-output (MISO) system with 1-bit quantization at the transmitter. This work is restricted to PSK modulation schemes. The transmit signal vector is optimized for every desired received vector taking into account the 1-bit quantization. The optimization is based on maximizing the safety margin to the decision thresholds of the PSK modulation. Simulation results show a significant gain in terms of the uncoded bit-error-ratio (BER) compared to the existing linear precoding techniques.

研究动机与目标

• 解决低分辨率D/A转换器下大规模MIMO下行链路系统中的多用户干扰与1比特量化失真问题。
• 为在1比特发射量化条件下适用于PSK调制的计算高效预编码技术进行开发。
• 最大化与PSK判决边界的距离以降低误码率（BER），且不依赖最小均方误差（MMSE）或迭代优化方法。
• 在保持低复杂度以利于硬件实现的同时，确保对信道状态信息（CSI）不完美情况的鲁棒性。

提出的方法

• 将1比特预编码问题建模为线性规划（LP）优化问题，以最大化接收信号到PSK星座图判决阈值的最小距离。
• 将严格的1比特约束松弛为盒约束（|x_i| ≤ 1），以支持凸优化，同时保持恒包络特性。
• 采用基于距离的度量而非MMSE，以更好地匹配有限字母表系统中的符号检测性能。
• 使用标准求解器求解所得LP问题，平均仅需14次迭代即可收敛，确保计算复杂度极低。
• 采用逐符号设计方式构建预编码器，针对每个用户期望的符号向量，在1比特量化条件下优化发射向量。
• 将预编码器集成到具有N=128根天线和M=16个用户的大型MU-MISO下行链路模型中，假设信道为i.i.d.瑞利衰落信道。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于线性规划的预编码器是否能在1比特大规模MIMO系统中，相较于传统线性预编码器（如QWF）表现更优？
• RQ2 所提出的最大安全距离准则与MMSE或MBER为基础的预编码器相比，在BER性能上表现如何？
• RQ3 所提方法的计算复杂度如何？是否可高效实现实时硬件部署？
• RQ4 该预编码器对不完美的信道状态信息（CSI）有多鲁棒，尤其是在高阶PSK调制下？
• RQ5 随着调制阶数的增加，1比特量化系统与理想无量化系统之间的性能差距是否增大？所提方法能否缓解该差距？

主要发现

• 所提出的最大安全距离（MSM）预编码器在高阶调制下相比线性量化维纳滤波器（QWF）预编码器实现了显著的BER增益，尤其在高阶调制下优势更明显。
• 对于QPSK，MSM预编码器在BER为10⁻²时相比QWF最高可提升3 dB，且在8PSK和16PSK下增益进一步增加。
• MSM预编码器的BER性能与文献[11]中的SDRℓ²∞预编码器几乎完全一致，但计算复杂度大幅降低。
• 求解LP问题的平均迭代次数仅为14次，表明其具有极高的计算效率，适合实时实现。
• 在完美CSI条件下，1比特系统相对于理想无量化WF系统的SNR损失分别为：QPSK 2 dB、8PSK 3 dB、16PSK 6 dB。
• MSM预编码器对CSI不完美具有鲁棒性，尤其在QPSK下表现良好；然而，在信道估计误差下，高阶PSK的性能退化更明显。