[论文解读] Robust Task-Specific Beamforming with Low-Resolution ADCs for Power-Efficient Hybrid MIMO Receivers

Eyyup Tasci, Timur Zirtiloglu+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2022

Analog and Mixed-Signal Circuit Design被引用 4

一句话总结

本文提出一种功耗高效的混合MIMO接收机，结合低分辨率ADC与任务特定波束成形，以降低硬件复杂度和功耗。通过联合优化模拟与数字处理，并具备对硬件损伤和信道估计误差的鲁棒性，该设计在功耗相比传统系统降低58%的同时，实现接近全数字波束成形的性能。

ABSTRACT

Multiple-input multiple-output (MIMO) systems exploit spatial diversity to facilitate multi-user communications with high spectral efficiency by beamforming. As MIMO systems utilize multiple antennas and radio frequency (RF) chains, they are typically costly to implement and consume high power. A common method to reduce the cost of MIMO receivers is utilizing less RF chains than antennas by employing hybrid analog/digital beamforming (HBF). However, the added analog circuitry involves active components whose consumed power may surpass that saved in RF chain reduction. An additional method to realize power-efficient MIMO systems is to use low-resolution analog-to-digital converters (ADCs), which typically compromises signal recovery accuracy. In this work, we propose a power-efficient hybrid MIMO receiver with low-quantization rate ADCs, by jointly optimizing the analog and digital processing in a hardware-oriented manner using task-specific quantization techniques. To mitigate power consumption on the analog front-end, we utilize efficient analog hardware architecture comprised of sparse low-resolution vector modulators, while accounting for their properties in design to maintain recovery accuracy and mitigate interferers in congested environments. To account for common mismatches induced by non-ideal hardware and inaccurate channel state information, we propose a robust mismatch aware design. Supported by numerical simulations and power analysis, our power-efficient MIMO receiver achieves comparable signal recovery performance to power-hungry fully-digital MIMO receivers using high-resolution ADCs. Furthermore, our receiver outperforms the task-agnostic HBF receivers with low-rate ADCs in recovery accuracy at lower power and successfully copes with hardware mismatches.

研究动机与目标

• 解决全数字MIMO接收机因大量射频链路和高分辨率ADC导致的高功耗问题。
• 克服混合MIMO架构中低分辨率ADC引起的性能下降问题。
• 设计一种硬件感知的波束成形框架，考虑非理想模拟组件（如稀疏向量调制器和增益/相位失配）的影响。
• 通过任务特定量化，在存在空间干扰源的密集环境中提升信号恢复精度。
• 在最小化功耗的同时，实现对到达角（AoA）失配和硬件损伤的鲁棒性。

提出的方法

• 提出一种联合模拟与数字波束成形设计，优化模拟合并器（A）与数字合并器（B），以实现任务特定的信号恢复。
• 集成稀疏低分辨率向量调制器（VMs）以降低模拟功耗，稀疏度通过系数γSP控制。
• 使用带抖动的ADC模型建模量化噪声，其为不相关、零均值噪声，方差为Δp²/6，其中Δp = 2γ/b。
• 将均方误差（MSE）表述为信道协方差矩阵的函数，结合信号与噪声项，并引入包含κ和b的修正噪声功率项。
• 提出一种鲁棒优化框架，考虑模拟合并器中到达角（AoA）失配与增益/相位误差的影响。
• 采用Walden的性能指标（FoM）与组件级功耗模型，估算总功耗，包括LNA、混频器、基带放大器与ADC的功耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用低分辨率ADC的任务特定波束成形能否在降低功耗的同时，实现与高分辨率全数字MIMO接收机相当的性能？
• RQ2 稀疏低分辨率向量调制器的使用对混合MIMO接收机的功耗效率与信号恢复精度有何影响？
• RQ3 在低比特混合MIMO系统中，对到达角估计误差与硬件损伤的鲁棒性可达到何种程度？
• RQ4 在任务特定MIMO接收机中，量化分辨率、模拟硬件复杂度与系统功耗之间的权衡关系如何？
• RQ5 联合模拟-数字优化框架是否能在精度与功耗效率方面优于无任务特异性的混合MIMO设计方案？

主要发现

• 所提出的任务特定混合MIMO接收机在信号恢复性能（MSE）方面与使用高分辨率ADC的全数字MIMO系统相当。
• 与传统全数字MIMO接收机相比，该系统在8×8系统中总功耗降低超过58%（520 mW vs. 172 mW）。
• 在MSE性能与空间干扰抑制方面，该接收机优于使用低比特ADC的无任务特异性HBF接收机。
• 通过一种考虑失配的联合优化算法，实现了对AoA失配与硬件损伤的鲁棒性，同时保持低误码率。
• 通过采用25%稀疏向量调制器（4位）、4位ADC以及低功耗LNA/VM，实现功耗节省，ADC功耗从10 mW（10位）降至0.5 mW（4位）。
• 理论分析证实，量化噪声与信号及观测值不相关，从而可通过引入κ和b的修正噪声方差项，实现准确的MSE建模。