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电气工程与系统科学 > 信号处理

arXiv:2212.00107 (eess)
[提交于 2022年11月30日 ]

标题: 具有低分辨率ADC的功率高效混合MIMO接收器的任务相关鲁棒波束成形

标题: Robust Task-Specific Beamforming with Low-Resolution ADCs for Power-Efficient Hybrid MIMO Receivers

Authors:Eyyup Tasci, Timur Zirtiloglu, Alperen Yasar, Yonina C. Eldar, Nir Shlezinger, Rabia Tugce Yazicigil
摘要: 多输入多输出(MIMO)系统利用空间分集,通过波束成形实现具有高频谱效率的多用户通信。由于MIMO系统使用多个天线和射频(RF)链路,通常实施成本高昂且耗电量大。一种常见的降低MIMO接收器成本的方法是通过采用混合模拟/数字波束成形(HBF),使用少于天线数量的RF链路。然而,增加的模拟电路涉及消耗功率的有源组件,其消耗的功率可能超过在减少RF链路时节省的功率。另一种实现节能MIMO系统的额外方法是使用低分辨率模数转换器(ADC),这通常会损害信号恢复精度。 在这项工作中,我们提出了一种节能的混合MIMO接收器,该接收器使用低量化率ADC,并通过以硬件为导向的方式联合优化模拟和数字处理,使用任务特定的量化技术。为了减轻模拟前端的功耗,我们利用高效的模拟硬件架构,包括稀疏低分辨率矢量调制器,并考虑其特性以保持恢复精度并在拥挤环境中减轻干扰。为了解决由非理想硬件引起的常见失配以及不准确的信道状态信息,我们提出了鲁棒的失配感知设计。通过数值仿真和功耗分析,我们的节能MIMO接收器在信号恢复性能上与使用高分辨率ADC的耗电全数字MIMO接收器相当。此外,在较低功耗下,我们的接收器在恢复精度方面优于任务无关的HBF接收器,并成功应对了硬件失配问题。
摘要: 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.
评论: 13页,14幅图,提交至《IEEE信号处理汇刊》
主题: 信号处理 (eess.SP)
引用方式: arXiv:2212.00107 [eess.SP]
  (或者 arXiv:2212.00107v1 [eess.SP] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2212.00107
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Eyyup Tasci [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2022 年 11 月 30 日 20:27:13 UTC (500 KB)
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