全双工无线回传密集分布式MIMO系统中低精度ADC的最优量化比特文献综述

文献综述（或调研报告）：

随着人类对通信业务量的要求不断提升，有线通信正逐渐暴露出其硬件消耗大、通信成本高、系统维护困难、便携性差等弱点。正因如此，近几十年来人们对无线通信的发展开始给予愈来愈多的关注，当代社会各领域常用的无线通信的频段主要集中在2.4GHz与5GHz左右。无线通信的优势主要体现在成本低、便携性强等方面，但也存在明显缺陷，如可靠性低、稳定性差、抗干扰能力较差等等。为了解决无线通信中存在的这些问题，当代通信系统更倾向于采用大规模多输入多输出（MIMO）系统模型。

大规模多输入多输出（MIMO）天线技术已成为5G移动网络的一种有吸引力的候选技术，因为它具有显著提高无线通信系统容量的潜力[8]。这样的技术主要在基站（BS）处使用数百个天线来在相同的时频信道上服务相对少量的用户终端。它可以利用多径效应来改善通信质量，并显著增加可靠性、传输范围和吞吐量。但大规模MIMO系统也存在其不足之处，比如在基站使用大量的天线会导致硬件成本提高，使用较高精度的模数转换器（ADC）会导致能量效率（EE）大幅度下降[2]，等等。

文献[1]和[7]经过分析得出结论：信号源的发射功率与所使用的ADC精度呈指数增长关系，这也意味着如果不对ADC的精度加以限制，通信成本将变得令人难以忍受，因此，具有高速（例如1GSample/s）和高分辨率（例如8-12位）的ADC将给大规模MIMO系统的功耗带来沉重负担，这被视为实现大规模MIMO系统的瓶颈。这一事实促使人们对量化MIMO系统进行研究[9]-[11]，其中每个接收器天线都使用非常低的分辨率（例如1-3位）的模数转换器（ADC）。与之相对的是，使用低精度ADC虽然大大缓解了发射功率过高的问题，但其造成的信号失真与量化误差[3][5]以及由量化误差造成的频谱效率（SE）以及传输速率的损失都不容忽视。

通信分为两个阶段[1]。第一阶段中，宏小区（MC）基站（BS）配备有大量接收天线与数个发射天线，而小小区（SC）BS则配备大量接收天线和单个发射天线。每个MC BS发射天线将数据发送到下行链路（DL）中相关的BS，同时第k个SC BS发送到上行链路（UL）中的MC BS。第二阶段中，天线的功能通过循环器切换，MC BS拥有大量发射天线与数个接收天线，SC BS拥有大量发射天线与单个接收天线。MC BS将数据预编码并传送给K个SC BS。同时，第k个SC BS预编码数据并发送到第k个MC BS接收天线。这种布局使得BS可以在第一阶段服务于UL的用户设备（UT），而在第二阶段服务于DL的UT。

这种布局同样存在着信号失真的问题。第一阶段中MC BS接收所需信号与自己发送的信号，以及第k个SC BS接收来自MC BS的所需信号与自己的信号会导致自干扰（SI），而SC BS接收来自其他SC BS的信号导致SC-SC干扰。与此同时，在两个阶段内都存在由于使用低精度ADC而导致的量化噪声QN。根据[1]的理论，在第一阶段中可以通过增加接收天线的数量来补偿QN与SI造成的速率损失，但在第二阶段中，由于QN具有与期望信号相同的序列[6]，所以增加发射天线的数量无法有效地抑制QN，也就无法很好地处理低精度ADC带来的信号失真与速率损失。因此，当代的通信系统通常在中继站部署低精度的ADC，而在信号接收目的地部署高分辨率ADC，如果目的地ADC精度较低，则增加中继站的天线数量也没有效果[4]。

在通信过程中，进行信道状态信息（CSI）的估计也是很重要的一环。在实际通信系统中，接收端通常需要对CSI进行估计。由于传统数字通信系统中使用高精度量化ADC，所以可以认为估计得到的信道状态信息近似等于实际的信道状态信息，但在低精度量化系统中，由于低比特量化带来的失真很大，且定时同步和载波同步也造成一定的误差，接收机难以获得准确的参考信号及相位偏差[12]。在天线数量固定的条件下，CSI越完全，频谱效率SE越高，其中完全CSI可以视为CSI误差sigma;²_e=0。根据[3]的结论，信道状态信息完全度就可以用CSI误差表示，当sigma;²_e=0.01时，系统频谱效率就已经和完全CSI基本持平。如果想要得到较低的CSI误差，就必须适当提高ADC的精度。在接收端如何基于低精度ADC实现有效的信道估计仍然是一个开放问题，收到行业内许多学者的关注。

ADC精度位数对能量效率的影响也值得关注。相比于以往的前四代移动通信系统，全球移动通信业界对于未来第五代移动通信系统更为强烈、更为明确地提出了“高的能量效率／能效”的需求：未来的第五代移动通信系统应该要能在无线峰值数据接入速率提高1000倍的同时，将网络的能量效率提升10倍以上[13]。其中混合分辨率ADC的SE性能与全分辨率ADC几乎相等，但能耗相比全分辨率ADC要轻得多，因此引起了学界的广泛关注[5]。根据[14]的分析，我们可以发现，系统的EE与一个比值成线性关系，这个比值为用户可达速率之和与系统功耗之比。当ADC精度上升时，用户可达速率与系统功耗都会增加，但根据前文的分析，系统功耗与ADC精度成指数递增关系，而用户可达速率的上升速度远低于此。因此当ADC精度位数达到一定值时，可以视为能量效率随ADC精度增加成指数下降，这个值约为4位[2]。

综上所述，ADC精度与通信系统各项性能指标息息相关。高精度ADC的优势为较高的频谱效率SE、用户传输速率与完善的信道状态信息，以及较少的信号失真，但使用高精度ADC带来的最大问题就是发射功耗呈指数级增加以及能量效率EE的大幅下降；低精度ADC可以解决功耗与能量效率的问题，代价为频谱效率与传输速率在一定程度上下降，但值得庆幸的是这些性能损失可以通过增加天线数量来在一定程度上弥补。因此，为了较好地权衡SE与EE，应该使用多少精度的ADC，就成为了一个值得研究的具有实际意义的问题。

四、参考文献：

1. P. Anokye, R. K. Ahiadormey, C. Song and K. Lee, 'On the Sum-Rate of Heterogeneous Networks With Low-Resolution ADC Quantized Full-Duplex Massive MIMO-Enabled Backhaul,' IEEE Wireless Communications Letters, vol. 8, no. 2, pp. 452-455, April 2019.
2. S. Ghacham, M. Benjillali, L. Van der Perre and Z. Guennoun, 'Rate Analysis of Uplink Massive MIMO With Low-Resolution ADCs and ZF Detectors Over Rician Fading Channels,' IEEE Communications Letters, vol. 23, no. 9, pp. 1631-1635, Sept. 2019.
3. Q. Ding and Y. Jing, 'Spectral-Energy Efficiency Tradeoff in Mixed-ADC Massive MIMO Uplink with Imperfect CSI,' Chinese Journal of Electronics, vol. 28, no. 3, pp. 618-624, 5 2019.
4. C. Kong, C. Zhong, S. Jin, et al., “Multipair full-duplex massive MIMO relaying with low-resolution ADCs and imperfect CSI”, Proc. of IEEE International Conference on Communications, Paris, France, pp.1–6, 2017.
5. Q. Ding and Y. Jing, “Receiver energy efficiency and resolution profile design for massive MIMO uplink with mixed-ADC”, IEEE Trans. on Vehicular Technology, Vol.67, No.2, pp.1840–1844, 2018.
6. L. Fan, S. Jin, C.-K. Wen, and H. Zhang, “Uplink achievable rate for massive MIMO systems with low-resolution ADC,” IEEE Commun. Lett., vol. 19, no. 12, pp. 2186–2189, Dec. 2015.
7. J. Zhang, L. Dai, S. Sun, and Z. Wang, “On the spectral effificiency of massive MIMO systems with low-resolution ADCs,” IEEE Commun. Lett., vol. 20, no. 5, pp. 842–845, May 2016.
8. J. G. Andrews et al., “What will 5G be?,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 32, no. 6, pp. 1065–1082, Jun. 2014.
9. J. Singh, O. Dabeer, and U. Madhow, “On the limits of communication with low-precision analog-to-digital conversion at the receiver,” IEEE Trans. Commun., vol. 57, no. 12, pp. 3629–3639, Dec. 2009.
10. Q. Bai, A. Mezghani, and J. A. Nossek, “On the optimization of ADC resolution in multi-antenna systems,” in Proc. 10th Int. Symp. Wireless Commun. Syst. (ISWCSrsquo;13), Aug. 2013, pp. 1–5.
11. O. Orhan, E. Erkip, and S. Rangan, “Low power analog-to-digital conversion in millimeter wave systems: Impact of resolution and bandwidth on performance,” arXiv preprint arXiv: 1502,01980 [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/1502.01980
12. 乔丹. 基于低精度ADC的大规模MIMO无线通信系统性能研究[D].东南大学,2017.
13. Wang C X, Haider F, Gao X, et al, “Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks” [J]. IEEE Communications Magazine, 2014, 52(2): 122-130.

[14]. 范利. 基于低精度ADC接收机的大规模MIMO通信系统性能研究[D].东南大学,2016.