[论文解读] Performance of the Wideband Massive Uplink MIMO with One-Bit ADCs

Christopher Mollén, Junil Choi+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 34被引用 18

一句话总结

本文分析了使用一比特ADC的宽带大规模MIMO系统中的频谱效率，推导出单载波和OFDM传输的闭式可实现速率。结果表明，随着信道抽头数量的增加，一比特量化引起的幅度失真会消失，从而使OFDM的性能与单载波相当，证明了一比特ADC在高吞吐量宽带系统中的可行性。

ABSTRACT

Analog-to-digital converters (ADCs) consume a significant part of the total power in a massive MIMO base station. One-bit ADCs are one way to reduce power consumption. This paper presents an analysis of the spectral efficiency of single-carrier and OFDM transmission in massive MIMO systems that use one-bit ADCs. A closed-form achievable rate is derived for a wideband system with a large number of channel taps, assuming linear channel estimation and symbol detection. Quantization results in two types of error in the symbol detection. The circularly symmetric error becomes Gaussian in massive MIMO and vanishes as the number of antennas grows. The amplitude distortion, which severely degrades the performance of OFDM, is caused by variations in received interference energy between symbol durations. As the number of channel taps grows, the amplitude distortion vanishes and OFDM has the same performance as single-carrier transmission. A main conclusion of this paper is that wideband massive MIMO systems work well with one-bit ADCs.

研究动机与目标

• 评估使用一比特ADC的宽带大规模MIMO系统的频谱效率。
• 识别并分析一比特量化引入的两类主要误差：圆对称误差和幅度失真。
• 确定在何种条件下OFDM能够在一比特ADC系统中实现与单载波传输相当的性能。
• 确定在何种条件下，一比特量化导致的性能退化在大规模MIMO系统中可忽略不计。

提出的方法

• 在假设线性信道估计和检测的前提下，推导出使用一比特ADC的宽带大规模MIMO系统中可实现速率的闭式表达式。
• 对两种主要失真分量进行建模：圆对称误差，其随接收天线数量增加而趋于高斯分布并最终消失。
• 分析幅度失真，其源于符号持续时间中干扰能量的变化，尤其影响OFDM系统。
• 表明随着信道抽头数量的增加，幅度失真减小，从而使OFDM性能趋近于单载波传输性能。
• 通过渐近分析表明，在大规模MIMO系统中，当天线阵列规模较大时，由于中心极限定理效应，圆对称误差分量会消失。
• 在具有大量多径抽头的宽带场景下，比较一比特ADC约束下单载波与OFDM传输的频谱效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 一比特ADC量化如何影响宽带大规模MIMO系统的频谱效率？
• RQ2 一比特ADC在大规模MIMO中引入的主要误差分量是什么？它们如何随系统参数变化？
• RQ3 在何种条件下，一比特ADC下OFDM传输的幅度失真可忽略不计？
• RQ4 在宽带大规模MIMO系统中，使用一比特ADC时，OFDM是否能实现与单载波传输相当的频谱效率？
• RQ5 信道抽头数量如何影响使用一比特ADC的OFDM与单载波系统之间的性能差距？

主要发现

• 由于中心极限定理效应，随着接收天线数量的增加，圆对称量化误差趋于高斯分布并最终消失。
• 在窄带系统中严重限制OFDM性能的幅度失真，随着信道抽头数量的增加而减小。
• 在具有大量信道抽头的宽带系统中，幅度失真变得可忽略，使OFDM能够实现与单载波传输相当的频谱效率。
• 当抽头数量足够多时，尽管存在量化非线性，OFDM与单载波系统在使用一比特ADC时表现出相同的性能。
• 推导出的闭式可实现速率适用于大规模天线和信道抽头数，为性能提供了可靠的基准。
• 当信道抽头数量较大时，一比特ADC可在宽带大规模MIMO系统中实现高频频谱效率，使其成为一种可行的低功耗解决方案。