[论文解读] Mixed-ADC/DAC Multipair Massive MIMO Relaying Systems: Performance Analysis and Power Optimization

Jiayi Zhang, Linglong Dai+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2018

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 37被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于多对多大规模MIMO中继系统的混合ADC/DAC架构，通过结合高分辨率与低分辨率转换器，以降低硬件成本和功耗。基于加性量化噪声模型，推导出可达速率的精确与近似闭式表达式，表明仅需2–3比特分辨率即可接近未量化系统性能，同时功率按比例缩放定律可实现与天线数成反比的功耗降低。

ABSTRACT

High power consumption and expensive hardware are two bottlenecks for practical massive multiple-input multiple-output (mMIMO) systems. One promising solution is to employ low-resolution analog-to-digital converters (ADCs) and digital-to-analog converters (DACs). In this paper, we consider a general multipair mMIMO relaying system with a mixed-ADC/DAC architecture, in which some antennas are connected to low-resolution ADCs/DACs, while the rest of the antennas are connected to high-resolution ADCs/DACs. Leveraging on the additive quantization noise model, both exact and approximate closed-form expressions for the achievable rate are derived. It is shown that the achievable rate can approach the unquantized one by using only 2-3 bits of resolutions. Moreover, a power scaling law is presented to reveal that the transmit power can be scaled down inversely proportional to the number of antennas at the relay. We further propose an efficient power allocation scheme by solving a complementary geometric programming problem. In addition, a trade-off between the achievable rate and power consumption for different numbers of low-resolution ADCs/DACs is investigated by deriving the energy efficiency. Our results reveal that the large antenna array can be exploited to enable the mixed-ADC/DAC architecture, which significantly reduces the power consumption and hardware cost for practical mMIMO systems.

研究动机与目标

• 解决大规模MIMO中继系统中高功耗与高硬件成本的问题。
• 研究仅部分天线使用低分辨率转换器的混合ADC/DAC架构性能。
• 推导混合ADC/DAC配置下的可达速率闭式表达式。
• 在实际大规模MIMO中继系统中，优化功率分配并揭示能量效率权衡。

提出的方法

• 使用加性量化噪声模型（AQNM）来建模低分辨率ADC/DAC中的非线性量化效应。
• 推导出具有混合ADC/DAC架构的多对大规模MIMO中继系统中可达速率的精确与近似闭式表达式。
• 在大规模MIMO信道假设和统计信道状态信息（CSI）下，对衰落分布计算期望项。
• 提出一种基于互补几何规划的功率分配方案，以在硬件约束下优化系统性能。
• 推导出功率按比例缩放定律，表明发射功率与中继天线数成反比。
• 通过分析不同数量低分辨率ADC/DAC下的可达速率与功耗之间的权衡，评估能量效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 混合ADC/DAC架构是否可在仅使用2–3比特分辨率时，实现接近未量化系统性能的频谱效率？
• RQ2 可达速率如何随天线数量和系统中低分辨率转换器数量的变化而变化？
• RQ3 混合ADC/DAC大规模MIMO中继系统中，发射功率缩减遵循何种功率按比例缩放定律？
• RQ4 如何高效分配功率，以在硬件与能量约束下最大化频谱效率？
• RQ5 不同低分辨率ADC/DAC配置下，频谱效率与能量效率之间存在何种权衡？

主要发现

• 使用2–3比特ADC/DAC分辨率时，可达速率可非常接近未量化系统性能。
• 该系统实现了功率按比例缩放定律，即发射功率与中继天线数成反比，从而实现显著的节能效果。
• 基于互补几何规划的所提功率分配方案，能有效在硬件与能量约束下优化频谱效率。
• 通过精心选择低分辨率ADC/DAC的数量，可最大化能量效率，显示出速率与功耗之间的明确权衡。
• 混合ADC/DAC架构在保持高谱效率的同时，显著降低了硬件成本与功耗。
• 理论分析证实，大规模阵列可有效缓解粗量化带来的性能损失，使该架构在实际大规模MIMO中继系统中具备可行性。