ON MIMO COMMUNICATIONS SYSTEMS WITH 1-BIT QUANTIZATION AND COMPARATOR NETWORKS AT THE RECEIVER

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: ANA BEATRIZ LOUREIRO B FERNANDES
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da PUC-RIO (Projeto Maxwell)
Texto Completo: https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=54121@1
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Resumo: Os sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) empregam um número crescente de antenas, o que leva a relevantes consumo de energia e custo de hardware dos front-ends correspondentes. Nesse contexto, o uso de conversores analógico-digitais (ADCs) de baixa resolução é promovido como uma solução promissora para este problema. Neste estudo consideramos um receptor MIMO de baixa resolução que implica que os sinais recebidos são processados simultaneamente pelos 1-bit ADCs e pela rede comparadora. Os sinais de entrada da rede comparadora podem vir de antenas diferentes, de modo que a extensão da rede comparadora pode ser interpretada como canais virtuais com saídas binárias. Com base nesses receptores MIMO de baixa resolução, desenvolvemos um estimador de canal e detector lineares de baixa resolução baseados no critério de mínimo erro médio quadrático (LRA-LMMSE) de acordo com o teorema de Bussgang. Duas redes de comparação são propostas, nomeadas, redes total e parcialmente conectadas. Também desenvolvemos uma rede parcialmente conectada baseada em busca gananciosa que usa muito menos comparadores para obter um desempenho bem próximo ao da rede totalmente conectada. Os resultados numéricos mostram que adicionar canais virtuais pode ser melhor do que adicionar canais físicos extras que correspondem a antenas de recepção adicionais em termos de taxa de erro de bit (BER). Além disso, ao empregar o estimador de canal proposto e seu erro de estimativa correspondente, construímos um limite inferior na taxa de soma ergódica para o receptor LRA-MMSE. Os resultados de simulação mostram que os sistemas com a proposta sistemas MIMO auxiliados por rede com quantização de 1-bit no receptor superam o convencional sistema MIMO de 1-bit em termos de desempenho de BER e erro quadrático médio (MSE). Além disso, as simulações numéricas confirmam uma vantagem significativa em termos de taxa de soma para o sistema proposto.
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Neste estudo consideramos um receptor MIMO de baixa resolução que implica que os sinais recebidos são processados simultaneamente pelos 1-bit ADCs e pela rede comparadora. Os sinais de entrada da rede comparadora podem vir de antenas diferentes, de modo que a extensão da rede comparadora pode ser interpretada como canais virtuais com saídas binárias. Com base nesses receptores MIMO de baixa resolução, desenvolvemos um estimador de canal e detector lineares de baixa resolução baseados no critério de mínimo erro médio quadrático (LRA-LMMSE) de acordo com o teorema de Bussgang. Duas redes de comparação são propostas, nomeadas, redes total e parcialmente conectadas. Também desenvolvemos uma rede parcialmente conectada baseada em busca gananciosa que usa muito menos comparadores para obter um desempenho bem próximo ao da rede totalmente conectada. Os resultados numéricos mostram que adicionar canais virtuais pode ser melhor do que adicionar canais físicos extras que correspondem a antenas de recepção adicionais em termos de taxa de erro de bit (BER). Além disso, ao empregar o estimador de canal proposto e seu erro de estimativa correspondente, construímos um limite inferior na taxa de soma ergódica para o receptor LRA-MMSE. Os resultados de simulação mostram que os sistemas com a proposta sistemas MIMO auxiliados por rede com quantização de 1-bit no receptor superam o convencional sistema MIMO de 1-bit em termos de desempenho de BER e erro quadrático médio (MSE). Além disso, as simulações numéricas confirmam uma vantagem significativa em termos de taxa de soma para o sistema proposto.Multiple-input multiple-output (MIMO) systems employs an increasing number of antennas, which leads to relevant energy consumption and hardware cost of the corresponding front ends. In this context, the use of lowresolution analog to digital converters (ADCs) is promoted as a promising solution to this problem. In this study we consider a low-resolution MIMO receiver which implies that the received signals simultaneously are processed by the 1-bit ADCs and the comparator network. The input signals for the comparator network can come from different antennas, such that the comparator network extension can be interpreted as virtual channels with binary outputs. Based on such low-resolution MIMO receivers, we develop low-resolution aware linear minimum mean-squared error (LRA-LMMSE) channel estimator and detector according to the Bussgang theorem. Two comparator networks are proposed, namely, fully and partially connected networks. We also devise a greedy search-based partially connected network that can use much less comparators to approach the performance of the fully connected network. Numerical results shows that adding virtual channels can be better than adding extra physical channels which corresponds to additional receive antennas in terms of bit error rate (BER). Furthermore, by employing the proposed channel estimator and its corresponding estimation error, we build up a lower bound on the ergodic sum rate for the LRA-LMMSE receiver. Simulation results show that the systems with the proposed network-aided MIMO systems with 1-bit quantization at the receiver outperforms the conventional 1-bit MIMO system in terms of BER and mean-square error (MSE) performances. Moreover, numerical simulations confirm a significant advantage in terms of sum rate for the proposed system.PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIROCOORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIORPROGRAMA DE EXCELENCIA ACADEMICAhttps://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=54121@1https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=54121@2engreponame:Repositório Institucional da PUC-RIO (Projeto Maxwell)instname:Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-RIO)instacron:PUC_RIOinfo:eu-repo/semantics/openAccess2022-11-01T14:00:38Zoai:MAXWELL.puc-rio.br:54121Repositório InstitucionalPRIhttps://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/ibict.phpopendoar:5342022-08-25T00:00Repositório Institucional da PUC-RIO (Projeto Maxwell) - Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-RIO)false
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