低精度ADC下无小区大规模MIMO系统的频谱效率研究

来源：信号处理杂志 2024年第8期北京时间：

作者：肖海林, 何怡玲, 谢湘伟, 胡智群, 张中山

摘要：无小区大规模多输入多输出（cell-free massive multiple-input multiple-output， CF-mMIMO）系统的覆盖区域内随机部署了大量分布式接入点（access points， APs）在同一时间频率资源中服务所有的用户，可显著提升系统通信容量，是6G网络中最具潜力的使能技术之一。然而，大量AP处配备高精度模数转换器（analog-to-digital converters， ADCs）导致的高功耗与硬件成本，限制了CF-mMIMO系统的实际部署。为了有效地降低硬件成本，本文研究了低精度ADCs下CF-mMIMO系统的上行链路频谱效率（spectral efficiency， SE）。在不完美的信道估计下，利用加性量化噪声（additive quantization noise model， AQNM）模型和最大比合并（maximal ratio combining， MRC）接收机滤波器，推导了CF-mMIMO系统中用户上行可达速率的闭式表达式，并基于该表达式分析了AP数量、用户传输功率以及ADCs精度等系统参数对SE的影响。为了最大化CF-mMIMO系统的SE，提出了一种低精度ADCs下贪婪导频分配算法抑制导频污染。将导频分配建模为最大-最小导频优化问题，通过迭代更新速率最小用户的导频序列，使其所受导频污染的影响最小，从而最大化该用户的可达速率。最后，将配备低精度ADC的CF-mMIMO系统与传统完美精度ADC系统进行性能比较。数值仿真结果表明，系统配备5位低精度ADCs时的SE逼近完美精度ADCs，增加AP端天线数可以弥补低精度ADCs导致的性能退化。此外，所提算法不仅有效抑制了导频污染，还缩小了用户之间的速率差距，提升了系统的95%用户SE。

关键词：无小区大规模MIMO系统, 低精度模数转换器, 加性量化噪声模型, 导频分配