[论文解读] Massive MIMO with 1-bit ADC

Chiara Risi, Daniel Persson+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 16被引用 159

一句话总结

本文研究使用1比特模数转换器（ADC）的大规模MIMO上行链路系统，提出最大比合并（MRC）、迫零（ZF）和最小二乘（LS）检测方法，并采用低复杂度的最小二乘信道估计。推导出互信息和符号误码率的闭式表达式，表明大规模MIMO能有效抑制1比特ADC量化噪声，在高信噪比下实现接近最优的QPSK容量，且计算开销极低。

ABSTRACT

We investigate massive multiple-input-multiple output (MIMO) uplink systems with 1-bit analog-to-digital converters (ADCs) on each receiver antenna. Receivers that rely on 1-bit ADC do not need energy-consuming interfaces such as automatic gain control (AGC). This decreases both ADC building and operational costs. Our design is based on maximal ratio combining (MRC), zero-forcing (ZF), and least squares (LS) detection, taking into account the effects of the 1-bit ADC on channel estimation. Through numerical results, we show good performance of the system in terms of mutual information and symbol error rate (SER). Furthermore, we provide an analytical approach to calculate the mutual information and SER of the MRC receiver. The analytical approach reduces complexity in the sense that a symbol and channel noise vectors Monte Carlo simulation is avoided.

研究动机与目标

• 评估采用1比特ADC时大规模MIMO系统的性能，以降低硬件复杂度和功耗。
• 解决在1比特量化下信道估计的挑战，由于最大后验概率（MAP）估计的复杂度过高，提出一种次优的最小二乘（LS）方法。
• 基于LS信道估计和训练序列，设计低复杂度的检测方案——MRC、ZF和LS。
• 推导互信息和符号误码率（SER）的解析表达式，以避免计算量庞大的蒙特卡洛仿真。
• 证明大规模MIMO能够有效平均化1比特ADC的量化噪声，实现接近容量的性能。

提出的方法

• 提出一个系统模型，其中基站配备M根天线，K个单天线用户通过每根接收天线的1比特ADC进行接收，从而消除自动增益控制（AGC）的需求。
• 由于多用户场景下MAP估计的复杂度呈指数增长，引入一种次优的最小二乘（LS）信道估计方法。
• 基于LS信道估计设计MRC、ZF和LS检测滤波器，其中LS检测直接从训练序列计算得出，无需中间信道估计过程。
• 利用互补误差函数推导出MRC软符号估计的闭式概率质量函数（PMF），实现互信息和SER的解析计算。
• 利用推导出的PMF计算发射符号与软/硬估计之间的互信息，避免使用蒙特卡洛仿真。
• 通过在不同信噪比、M值和K值下与数值蒙特卡洛仿真对比，验证了分析结果的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在严重的量化噪声，大规模MIMO系统在使用1比特ADC时能否实现高 spectral efficiency？
• RQ2 在使用1比特ADC的大规模MIMO系统中，MRC、ZF和LS检测的性能如何比较？
• RQ3 在使用1比特ADC时，信道估计精度对系统性能有何影响？
• RQ4 能否推导出互信息和SER的解析表达式，以替代计算量大的蒙特卡洛仿真？
• RQ5 大规模MIMO在多大程度上缓解了1比特ADC量化引起的性能退化？

主要发现

• 当信噪比超过-10 dB时，MRC、ZF和LS检测方案在使用1比特ADC的情况下，所有用户均能实现接近最优的QPSK互信息（2比特/用户）。
• 基于MRC软估计闭式PMF推导出的互信息和SER解析表达式，与蒙特卡洛仿真结果高度吻合，验证了分析方法的有效性。
• ZF接收机在低信噪比下性能优于MRC和LS，尤其在误码率和互信息方面表现更优，但在高信噪比下三者性能趋于一致，收敛至相同的容量极限。
• 在高信噪比下，采用量化与未量化接收向量的系统性能差距逐渐缩小，表明大规模MIMO能有效抑制1比特ADC噪声。
• 所提出的分析方法通过消除计算互信息和SER时对符号向量和噪声向量进行蒙特卡洛仿真的需求，显著降低了计算复杂度。
• 当M=400且K=20时，无论训练序列长度或信道状态信息质量如何，当信噪比 > -10 dB时，所有检测方案均能实现最大QPSK容量（2比特）。