[论文解读] Uplink Multiuser Massive MIMO Systems with Low-Resolution ADCs: A Coding-Theoretic Approach

Song Nam Hong, Seonho Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于低分辨率ADC的上行链路多用户大规模MIMO的编码理论框架，将非线性MIMO信道建模为空间码，并实现加权最小距离检测（wMDD），以利用不等的信道可靠性。关键贡献在于，wMDD在传统MDD及现有方法之上实现了更优的误比特率（BER）性能，尤其在信道状态信息不完善时表现更优，其性能主要由码的最小距离决定。

ABSTRACT

This paper considers an uplink multiuser massive multiple-input-multiple-output (MIMO) system with low-resolution analog-to-digital converters (ADCs), in which K users with a single-antenna communicate with one base station (BS) with Nr antennas. In this system, we present a novel multiuser MIMO detection framework that is inspired by coding theory. The key idea of the proposed framework is to create a code C of length 2Nr over a spatial domain. This code is constructed by a so-called auto-encoding function that is not designable but is completely described by a channel transformation followed by a quantization function of the ADCs. From this point of view, we convert a multiuser MIMO detection problem into an equivalent channel coding problem, in which a codeword of C corresponding to users' messages is sent over 2Nr parallel channels, each with different channel reliability. To the resulting problem, we propose a novel weighted minimum distance decoding (wMDD) that appropriately exploits the unequal channel reliabilities. It is shown that the proposed wMDD yields a non-trivial gain over the conventional minimum distance decoding (MDD). From coding-theoretic viewpoint, we identify that bit-error-rate (BER) exponentially decreases with the minimum distance of the code C, which plays a similar role with a condition number in conventional MIMO systems. Furthermore, we develop the communication method that uses the wMDD for practical scenarios where the BS has no knowledge of channel state information. Finally, numerical results are provided to verify the superiority of the proposed method.

研究动机与目标

• 解决使用低分辨率ADC（1–3比特）时大规模MIMO系统中非线性信号失真带来的挑战，此类失真会降低传统MIMO检测性能。
• 克服现有检测方法的局限性，这些方法未利用量化接收链路之间的不等可靠性。
• 开发一种在基站无完美信道状态信息条件下仍能运行的实用检测框架。
• 建立码的最小距离与低分辨率ADC系统中误比特率（BER）性能之间的理论联系。
• 证明解码性能本质上由ADC量化与信道响应共同诱导的空间码的最小距离所决定。

提出的方法

• 将线性MIMO信道与低分辨率ADC量化效应的联合影响建模为一个自编码函数，在空间域上生成长度为$2N_r$的码$\mathcal{C}$。
• 将$2N_r$个量化输出视为具有不同可靠性的并行$p$-元信道，从而将MIMO检测问题转化为信道编码问题。
• 提出一种加权最小距离检测（wMDD）算法，根据各并行信道的个体可靠性为其分配不同权重，从而在错误纠正能力上超越标准MDD。
• 利用相应同相与 quadrature 分量的信号-量化噪声比（SQNR）推导每个量化输出的有效信道可靠性。
• 在wMDD框架中集成隐式信道训练，以实现在基站无信道状态信息先验知识条件下的运行。
• 将码$\mathcal{C}$的最小距离作为关键性能度量，类似于传统MIMO系统中的条件数。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效建模并利用低分辨率ADC在大规模MIMO中引入的非线性失真，以提升检测性能？
• RQ2 低分辨率ADC量化输出中的不等信道可靠性起什么作用？如何在解码中加以利用？
• RQ3 与传统MIMO检测方法相比，编码理论框架能否提升低分辨率ADC大规模MIMO系统的检测性能？
• RQ4 所诱导码$\mathcal{C}$的最小距离与此类系统中误比特率（BER）性能有何关系？
• RQ5 能否设计一种实用的基于wMDD的检测方案，使其在信道状态信息不完善或为估计值时仍保持有效性？

主要发现

• 当具备完美信道状态信息时，所提出的wMDD性能与最优最大似然检测（MLD）几乎无差别。
• 通过利用不等的信道可靠性，wMDD显著优于传统最小距离检测（MDD），在BER性能上实现了非平凡增益。
• 在信道状态信息不完善时，wMDD保持了鲁棒性能，并优于现有方法如MLD和ZF检测，且在高信噪比下性能差距进一步扩大。
• wMDD的BER性能与码$\mathcal{C}$的最小距离呈指数依赖关系，证实其作为关键系统性能度量的作用。
• 对于高阶调制如16-QAM，wMDD因码的最小距离减小而出现误码平台；通过将ADC分辨率提高至2比特可有效缓解此问题，显著改善BER性能。
• 使用两比特ADC可增大码的字母表大小，从而提升$\mathcal{C}$的最小距离，带来显著性能增益；而ZF检测在提高ADC分辨率后无性能提升，表明其对码结构高度敏感。