[论文解读] Massive MIMO with Low-Resolution ADCs

Sven Jacobsson, Giuseppe Durisi+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 35被引用 7

一句话总结

本文研究了在低分辨率ADCs的大规模MIMO系统中上行链路的吞吐量，表明结合最小二乘信道估计与联合导频-数据处理的一比特ADC可实现接近无限精度速率。结果表明，无论在粗略量化或功率不平衡条件下，最大比合并或迫零检测均可实现可靠的多用户传输。

ABSTRACT

We investigate the information-theoretic throughput that is achievable over a fading communication link when the receiver is equipped with low-resolution analog-to-digital converters (ADCs). We focus on the case where neither the transmitter, nor the receiver have any a priori channel state information. This means that the fading realizations have to be learned through pilot transmission followed by channel estimation at the receiver, based on coarsely quantized observations. For the extreme case of one-bit ADCs and for the single-user single-input single-output case, we show that least squares (LS) estimation combined with joint pilot-data processing is optimal in terms of the achievable rate. We also investigate the uplink throughput achievable by a massive multiple-input multiple-output system in which the base station is equipped with low-resolution ADCs. We show that for the one-bit quantized case, LS estimation together with maximal ratio combing or zero-forcing detection is sufficient to support reliable multi-user transmission with high-order constellations. Numerical results show that the rates achievable in the infinite-precision (no quantization) case can be approached using ADCs with only a few bits of resolution. The robustness of the low-resolution ADC system against receive power imbalances between the different users, caused for example by imperfect power control, is also investigated.

研究动机与目标

• 分析在接收机使用低分辨率ADC且无信道状态信息的情况下，衰落信道中的可实现信息论吞吐量。
• 在导频信道估计与粗略量化等实际约束条件下，评估一比特ADC在单用户与多用户大规模MIMO系统中的性能。
• 研究低分辨率ADC系统在用户接收功率不平衡（由不完善功率控制引起）下的鲁棒性。
• 确定低分辨率ADC是否可在大规模MIMO上行链路场景中逼近无限精度接收机的频谱效率。

提出的方法

• 基于导频信号在接收机使用最小二乘法（LS）信道估计，依赖于低分辨率ADC导致的粗略量化观测值。
• 在单用户SISO情况下应用联合导频-数据处理，以在单比特ADC约束下优化可实现速率。
• 在多用户大规模MIMO上行链路中采用最大比合并（MRC）与迫零（ZF）检测以抑制干扰。
• 在发射机与接收机均无衰落信道状态先验知识的假设下分析系统性能。
• 建模用户间接收功率不平衡对系统性能的影响，尤其在低分辨率ADC场景下。
• 通过数值结果比较有无量化时的可实现速率，评估与无限精度性能的差距。

实验结果

研究问题

• RQ1 在发射机与接收机均无信道状态信息的情况下，一比特ADC能否在大规模MIMO上行链路中支持可靠通信？
• RQ2 最优接收机处理策略为何？具体而言，联合导频-数据处理是否为SISO系统中一比特ADC的最优方案？
• RQ3 当用户接收功率不等时，MRC与ZF检测在大规模MIMO中使用一比特ADC时表现如何？
• RQ4 低分辨率ADC（如2–4比特）在多大程度上可逼近无限精度接收机的频谱效率？
• RQ5 低分辨率ADC系统在多用户场景中对由不完善功率控制引起的接收功率不平衡具有多大程度的鲁棒性？

主要发现

• 在单用户SISO系统中使用一比特ADC时，最小二乘估计结合联合导频-数据处理可实现最优可实现速率。
• 在大规模MIMO上行链路中使用一比特ADC时，最大比合并或迫零检测即使在粗略量化条件下，也能实现使用高阶调制的可靠传输。
• 数值结果表明，仅需少量比特分辨率的ADC即可实现接近无限精度情况的频谱效率。
• 低分辨率ADC系统对用户间接收功率不平衡具有鲁棒性，在不完善功率控制下仍能保持可靠性能。
• 低分辨率ADC系统与无限精度系统之间的性能差距较小，表明低分辨率硬件在大规模MIMO中可实现极高的频谱效率。