[论文解读] Millimeter Wave Receiver Comparison Under Energy vs Spectral Efficiency Trade-off

Waqas Bin Abbas, Felipe Gómez-Cuba+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 24被引用 6

一句话总结

本论文提出了一种可复现、参数灵活的方法，用于在毫米波系统中比较模拟、混合与数字合并接收机在频谱效率（SE）与能量效率（EE）权衡下的表现。通过采用可调偏好权重的多目标效用优化方法，研究发现DC在ADC功耗和系统约束条件下可能优于HC或AC，挑战了DC始终功耗更高的假设。

ABSTRACT

Receivers for mmWave systems suffer from high power consumption in Analog to Digital Converters (ADC), and there is a need to compare the three major receiver architectures: Analog, Hybrid and Digital Combining (AC, HC and DC). Moreover, the specific power consumption figure of merit of ADCs varies significantly between different component designs in the literature, so that comparisons performed for one ADC model - no matter how representative of the state of the art - do not necessarily carry over to other ADC designs with different figures of merit. In this work, we formulate a comparison method between AC, HC and DC that can be easily reproduced with different power consumption parameters and provides all information for receiver architecture selection in a compact chart figure. We also present an interpretation of the receiver selection decision problem as a multi-objective utility optimization to find the best Spectral Efficiency (SE) versus Energy Efficiency (EE) trade-off. We use existing results on the achievable rate of AC, HC and DC systems and an Additive Quantization Noise Model (AQNM) of the ADC capacity degradation. For some example commercial component parameters, we show that the usually held belief that DC requires the highest power is not valid in many cases. Rather, either DC or HC alternatively result in the better SE vs EE trade-off depending strongly on the considered component parameters and on the weight assigned to SE vs EE in the utility maximization.

研究动机与目标

• 解决由于ADC功耗快速演变，导致模拟、混合与数字合并接收机之间缺乏可推广比较的问题。
• 克服以往研究依赖单一过时ADC模型的局限性，该模型可能无法反映当前或未来硬件趋势。
• 提供一种灵活、可重用的框架，用于在不同组件参数下评估各类接收机架构的SE与EE权衡。
• 通过可调效用权重引入用户对SE与EE的偏好，以指导最优接收机选择。
• 证明最优接收机选择（AC、HC或DC）高度依赖于ADC功耗特性及系统约束（如SNR与设备功耗预算）。

提出的方法

• 构建一个多目标效用最大化问题，其中SE与EE之间的权衡由自由参数α加权，使用户能够表达对某一指标的偏好。
• 采用加法量化噪声模型（AQNM）来建模低分辨率ADC对可达速率与频谱效率的影响。
• 整合真实、可变的ADC功耗模型——高功耗（HPADC）、中功耗（IPADC）与低功耗（LPADC）——以反映当前与未来硬件趋势。
• 开发一种紧凑、可复现的对比图表，可视化不同射频链数（N_RF）、ADC位数（b）与SNR下AC、HC与DC的SE与EE权衡。
• 实现一个网络工具（可通过参考文献[19]访问），允许用户使用自定义组件参数生成SE与EE权衡的定制图表。
• 分析上行与下行链路场景，评估在非对称信道条件与不同功耗约束下的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 当ADC技术快速演进时，模拟、混合与数字合并接收机的选择如何依赖于ADC的功耗，尤其是其功耗特性？
• RQ2 在ADC功耗与系统约束变化的条件下，数字合并（DC）在何种情况下优于混合合并（HC），而HC又在何种情况下占优？
• RQ3 混合合并中最优射频链数（N_RF）在多大程度上依赖于SNR与ADC分辨率？这又如何影响SE与EE的权衡？
• RQ4 能否开发一种统一的、参数化的框架，用于在不同硬件配置下比较接收机架构，而非依赖单一代表性ADC模型？
• RQ5 在SE与EE之间引入可调偏好权重（α）后，对实际毫米波系统中最优接收机架构的选择产生何种影响？

主要发现

• 普遍认为数字合并（DC）功耗最高的观点并不总是成立；DC在ADC功耗与系统约束条件下可能优于HC或AC。
• 在高SNR与低功耗ADC（LPADC）的下行链路场景中，8位分辨率的DC在SE与EE方面显著优于HC与AC，完全消除了权衡。
• 在上行链路场景中，对于中等功耗设备（3–10 W，如小细胞基站），HC在SE与EE之间提供了优于DC的权衡；而在高功耗（≥8 W）与低功耗（≤3 W）场景中，DC则占主导地位。
• 在低SNR条件下，模拟合并（AC）实现了最高的能量效率，但代价是频谱效率下降50%，凸显了低SNR环境下关键的权衡。
• 混合合并中最优射频链数（N_RF）依赖于SNR：当N_RF超过某一临界值后，SE增益逐渐减少，尤其在低SNR下，若配置不当将导致次优性能。
• 在低功耗ADC（LPADC）下，能量效率随ADC分辨率（b）单调递增，且SE与EE最大化的配置一致；而在高功耗ADC下，这种权衡依然存在。