[论文解读] Spatial Oversampling in LOS MIMO Systems with 1-Bit Quantization at the Receiver

Tim Hälsig, Berthold Lankl|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 6被引用 7

一句话总结

本文提出在视 Line-of-Sight (LOS) MIMO 系统中采用 1 位量化接收机进行空间过采样，以恢复粗量化导致的速率损失。通过将接收天线数量增加至超过发射天线数量，系统实现了显著的互信息增益——在某些配置下甚至达到全频谱效率——尤其在二维天线阵列中表现更佳，表明空间过采样可补偿 1 位量化带来的损失。

ABSTRACT

In this paper we investigate the achievable rate of LOS MIMO systems that use 1-bit quantization and spatial oversampling at the receiver. We propose that by using additional antennas at the receiver, the loss incurred due to the strong limitation of the quantization can be decreased. Mutual information results show that considerable rate gains can be achieved depending on the number and arrangement of the antennas. In some of the cases, even the full available rate from the transmitter can be attained. Furthermore, the results also reveal that two-dimensional antenna arrays can benefit more from spatial oversampling than one-dimensional arrays, when using 1-bit quantization in the LOS MIMO scenario.

研究动机与目标

• 研究在 LOS MIMO 系统中，接收端的空间过采样是否能够缓解 1 位量化导致的速率退化。
• 评估不同天线阵列配置（一维与二维）在 1 位量化下对可实现互信息的影响。
• 确定空间过采样是否能够完全恢复因 1 位分辨率而损失的频谱效率。
• 比较不同输入星座图（4-QAM、16-QAM）和空间采样因子下的性能表现。
• 分析在低分辨率接收条件下，阵列几何结构与天线间距对系统性能的影响。

提出的方法

• 使用窄带复基带模型对 LOS MIMO 系统进行建模，其中信道矩阵 H 由球面波传播推导得出。
• 对每个接收信号的实部与虚部分别使用独立的 ADC 进行 1 位量化。
• 通过增加接收天线数量（M）超过发射天线数量（N）实现空间过采样，且天线布置于尽可能分离的位置。
• 基于最大化空间分集的原则，优化接收阵列几何结构，二维配置采用均匀矩形阵列（URAs）。
• 使用高斯输入分布，通过改变信噪比（SNR）和空间采样因子 S，计算互信息 I(X;Y_Q) 作为性能度量。
• 在不同阵列类型（一维与二维）、输入星座图及空间过采样因子 S = M/N 下评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 LOS MIMO 系统中，接收端的空间过采样是否能够恢复因 1 位量化而损失的频谱效率？
• RQ2 1 位量化 LOS MIMO 系统的性能如何随不同阵列几何结构（一维与二维）及空间过采样因子变化？
• RQ3 在空间过采样条件下，1 位量化 LOS MIMO 系统的最大可实现互信息是多少？是否可达到输入星座图的全速率？
• RQ4 发射与接收阵列配置的选择如何影响空间过采样带来的互信息增益？
• RQ5 空间过采样带来的性能增益是否依赖于输入星座图（如 4-QAM 与 16-QAM）和 SNR？

主要发现

• 空间过采样显著提升了 1 位量化 LOS MIMO 系统的互信息，且增益随空间采样因子 S 的增加而增大。
• 对于 4-QAM 输入，当 N=4 根发射天线、M=10 根接收天线（S=2.5）时，互信息达到 7.8 bpcu，接近输入星座图的全容量 8 bpcu。
• 在低空间过采样因子（低 S）时，二维接收阵列优于一维阵列，因其具有更高的空间分集增益，并对采样点位置更敏感。
• 在最优阵列几何结构与足够过采样条件下，尽管采用 1 位量化，仍可实现输入星座图的全频谱效率（例如，N=4 时 4-QAM 为 8 bpcu）。
• 二维阵列的性能曲线呈非连续特性，表明某些天线数量（如 M=4、M=8）可能从非均匀或优化阵列布局中获益。
• 在高空间过采样与有利阵列配置下，系统可实现接近全速率的性能，表明空间过采样可完全补偿 1 位量化带来的损失。