Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Uplink Performance of Wideband Massive MIMO With One-Bit ADCs
Linköping University, Department of Electrical Engineering, Communication Systems. Linköping University, Faculty of Science & Engineering.ORCID iD: 0000-0002-2093-5466
Department of Electrical Engineering, Pohang University of Science and Technology, Pohang, South Korea.ORCID iD: 0000-0002-9862-9020
Linköping University, Department of Electrical Engineering, Communication Systems. Linköping University, Faculty of Science & Engineering.ORCID iD: 0000-0002-7599-4367
Wireless Networking and Communications Group, The University of Texas at Austin, Austin, TX, USA.ORCID iD: 0000-0002-4666-5628
2017 (English)In: IEEE Transactions on Wireless Communications, ISSN 1536-1276, E-ISSN 1558-2248, Vol. 16, no 1, p. 87-100Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Analog-to-digital converters (ADCs) stand for a significant part of the total power consumption in a massive multiple-input multiple-output (MIMO) base station. One-bit ADCs are one way to reduce power consumption. This paper presents an analysis of the spectral efficiency of single-carrier and orthogonal-frequency-division-multiplexing (OFDM) transmission in massive MIMO systems that use one-bit ADCs. A closed-form achievable rate, i.e., a lower bound on capacity, is derived for a wideband system with a large number of channel taps that employ low-complexity linear channel estimation and symbol detection. Quantization results in two types of error in the symbol detection. The circularly symmetric error becomes Gaussian in massive MIMO and vanishes as the number of antennas grows. The amplitude distortion, which severely degrades the performance of OFDM, is caused by variations between symbol durations in received interference energy. As the number of channel taps grows, the amplitude distortion vanishes and OFDM has the same performance as single-carrier transmission. A main conclusion of this paper is that wideband massive MIMO systems work well with one-bit ADCs.

Place, publisher, year, edition, pages
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2017. Vol. 16, no 1, p. 87-100
Keyword [en]
MIMO, Channel estimation, Wideband, Quantization (signal), Distortion, Fading channels, One-bit ADCs
National Category
Communication Systems
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-135783DOI: 10.1109/TWC.2016.2619343ISI: 000393876200007Scopus ID: 2-s2.0-85009814512OAI: oai:DiVA.org:liu-135783DiVA, id: diva2:1083712
Available from: 2017-03-22 Created: 2017-03-22 Last updated: 2018-01-03Bibliographically approved
In thesis
1. On Massive MIMO Base Stations with Low-End Hardware
Open this publication in new window or tab >>On Massive MIMO Base Stations with Low-End Hardware
2016 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Om massiv-MIMO-basstationer med enkel hårdvara
Abstract [en]

Massive MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) base stations have proven, both in theory and in practice, to possess many of the qualities that future wireless communication systems will require.  They can provide equally high data rates throughout their coverage area and can concurrently serve multiple low-end handsets without requiring wider spectrum, denser base station deployment or significantly more power than current base stations.  The main challenge of massive MIMO is the immense hardware complexity and cost of the base station—each element in the large antenna array needs to be individually controllable and therefore requires its own radio chain.  To make massive MIMO commercially viable, the base station has to be built from inexpensive simple hardware.  In this thesis, it is investigated how the use of low-end power amplifiers and analog-to-digital converters (ADCs) affects the performance of massive MIMO.  In the study of the signal distortion from low-end amplifiers, it is shown that in-band distortion is negligible in massive MIMO and that out-of-band radiation is the limiting factor that decides what power efficiency the amplifiers can be operated at.  A precoder that produces transmit signals for the downlink with constant envelope in continuous time is presented to allow for highly power efficient low-end amplifiers.  Further, it is found that the out-of-band radiation is isotropic when the channel is frequency selective and when multiple users are served; and that it can be beamformed when the channel is frequency flat and when few users are served.  Since a massive MIMO base station radiates less power than today's base stations, isotropic out-of-band radiation means that low-end hardware with poorer linearity than required today can be used in massive MIMO.  It is also shown that using one-bit ADCs—the simplest and least power-hungry ADCs—at the base station only degrades the signal-to-interference-and-noise ratio of the system by approximately 4 dB when proper power allocation among users is done, which indicates that massive MIMO is resistant against coarse quantization and that low-end ADCs can be used.

Abstract [sv]

Massiv-MIMO-basstationer (eng: Multiple-Input Multiple-Output) har visats, både i teori och praktik, besitta många av de egenskaper som framtida trådlösa kommunikationssystem kommer att behöva.  De kan tillhandahålla enhetligt höga datatakter i hela täckningsområdet och simultant betjäna flera enkla mobilenheter utan att använda bredare spektrum, tätare basstationsplacering eller betydligt mer effekt än dagens basstationer.  Huvudutmaningen med massiv MIMO är basstationens enorma hårdvarukomplexitet och -kostnad – varje element i den stora gruppantennen skall kunna kontrolleras individuellt och kräver sålunda sin egen radiokedja.  För att massiv MIMO skall bli kommersiellt attraktiv, måste basstationen byggas av billig, enkel hårdvara.  I denna avhandling undersöks hur enkla effektförstärkare och analog-till-digital-omvandlare (AD-omvandlare) påverkar massiv-MIMO-systemets prestanda.  I studien av signaldistorsionen från enkla förstärkare visas det att inband-distorsionen är försumbar i massiv MIMO och att utombandsstrålningen är den begränsande faktorn som bestämmer vid vilken verkningsgrad förstärkarna kan arbeta.  En förkodare som åstadkommer nerlänks-sändsignaler som har konstant envelopp i kontinuerlig tid presenteras för att möjliggöra användandet av enkla förstärkare med hög verkningsgrad.  Vidare konstateras det att utombandsstrålningen är isotrop när kanalen är frekvensselektiv och när flera användare betjänas; och att den kan lobformas när kanalen är frekvensflat och när få användare betjänas.  Eftersom en massiv-MIMO-basstation utstrålar mindre effekt än dagens basstationer, betyder isotrop utombandsstrålning att enkel hårdvara med sämre linearitet än vad som krävs idag kan användas i massiv MIMO.  Det visas även att användandet av enbits-AD-omvandlare – de enklaste och mest strömsnåla AD-omvandlarna – i basstationen endast minskar signal-till-interferens-och-brus-förhållandet med 4 dB när tillbörlig effektallokering mellan användarna utförs, vilket indikerar att massiv MIMO är motståndskraftig mot grov kvantisering och att enkla AD-omvandlare kan användas.

Abstract [zh]

大規模多輸入多輸出基站,無論從理論上或實際上,皆已經證明具有許多未來無線通訊系統所需的特質。比如:在其整個覆蓋區域均一地提供高數據傳輸速率、在同一時間頻率資源上服務多個簡單的終端設備,而無需佔用更多頻譜資源或更密集地部署基站,亦無需提高基站的功耗。實現大規模多入多出系统的主要挑戰在於硬件複雜度及基站成本——大規模天線陣列中的每一個天線元必須單獨可控,因此需要其自身的射頻鏈路。爲使大規模多入多出基站有商業吸引力,基站必須以簡單低成本的硬件來建造。本論文探討簡單的功率放大器與模擬數字轉換器對大規模多入多出性能的影響。對低端功放信號失真的研究表明,帶內失真對大規模多入多出的性能影響幾乎可以忽略,而帶外泄露是限制功放效率的決定因素。爲使用高功率效率低端功放,本文提出能產生具有恆定包絡連續時間信號的預編碼。本文指出,在頻率選擇性衰落信道上服務多個用戶時,帶外泄露呈現各向同性;而在平坦衰落信道上服務少數用戶時,帶外泄露可呈現波束賦形。由於大規模多入多出基站比現用基站輻射較少功率,帶外泄露各向同性意味著大規模多入多出基站可使用低端硬件,其線性要求不比現有基站的高。另外表明,如果進行合理的多用戶功率分配,基站使用單比特模擬數字轉換器——最簡單低耗的轉換器——僅使系統的信干噪比降低約4分貝。以此可見,大規模多入多出系統對非精確量比較穩定,低端模擬數字轉換器可於此類系統中使用。

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2016. p. 53
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Thesis, ISSN 0280-7971 ; 1756
Keyword
massive MIMO, hardware, ADC, power amplifier, out-of-band radiation, peak-to-average ratio
National Category
Communication Systems
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-130516 (URN)10.3384/lic.diva-130516 (DOI)9789176857076 (ISBN)
Presentation
2016-09-02, Algortimen, Hus B, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2016-08-23 Created: 2016-08-11 Last updated: 2017-03-22Bibliographically approved
2. High-End Performance with Low-End Hardware: Analysis of Massive MIMO Base Station Transceivers
Open this publication in new window or tab >>High-End Performance with Low-End Hardware: Analysis of Massive MIMO Base Station Transceivers
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Massive MIMO (multiple-input–multiple-output) is a multi-antenna technology for cellular wireless communication, where the base station uses a large number of individually controllable antennas to multiplex users spatially.  This technology can provide a high spectral efficiency.  One of its main challenges is the immense hardware complexity and cost of all the radio chains in the base station.  To make massive MIMO commercially viable, inexpensive, low-complexity hardware with low linearity has to be used, which inherently leads to more signal distortion.  This thesis investigates how the degenerated linearity of some of the main components—power amplifiers, analog-to-digital converters (ADCs) and low-noise amplifiers—affects the performance of the system, with respect to data rate, power consumption and out-of-band radiation. The main results are: Spatial processing can reduce PAR (peak-to-average ratio) of the transmit signals in the downlink to as low as 0B; this, however, does not necessarily reduce power consumption.  In environments with isotropic fading, one-bit ADCs lead to a reduction in effective signal-to-interference-and-noise ratio (SINR) of 4dB in the uplink and four-bit ADCs give a performance close to that of an unquantized system.  An analytical expression for the radiation pattern of the distortion from nonlinear power amplifiers is derived.  It shows how the distortion is beamformed to some extent, that its gain never is greater than that of the desired signal, and that the gain of the distortion is reduced with a higher number of served users and a higher number of channel taps.  Nonlinear low-noise amplifiers give rise to distortion that partly combines coherently and limits the possible SINR.  It is concluded that spatial processing with a large number of antennas reduces the impact of hardware distortion in most cases.  As long as proper attention is paid to the few sources of coherent distortion, the hardware complexity can be reduced in massive MIMO base stations to overcome the hardware challenge and make massive MIMO commercial reality.

Abstract [sv]

Massiv MIMO (eng: multiple-input–multiple-output) är en flerantennsteknologi för cellulär trådlös kommunikation, där basstationen använder ett stort antal individuellt styrbara antenner för att multiplexa användare i rummet.  Denna teknologi kan tillhandahålla en hög spektral effektivitet.  En av dess främsta utmaningar är den enorma hårdvarukomplexiteten och kostnaden hos basstationens alla radiokedjor.  För att massiv MIMO skall bli kommersiellt attraktivt, måste billiga, enkla hårdvarukomponenter med låg linjäritet användas, vilket oundvikligen leder till mer signaldistorsion.  Denna avhandling undersöker hur den försämrade linjäriteten hos några av huvudkomponenterna – effektförstärkare, analog-digital-omvandlare (AD-omvandlare) och lågbrusförstärkare – påverkar systemets prestanda, i termer av datatakt, effektförbrukning och utombandsstrålning.  Huvudresultaten är: Rumslig signalbehandling kan reducera sändsignalernas toppvärde i nerlänken ända ner till 0dB, vilket dock inte nödvändigtvis minskar effektförbrukningen.  I miljöer med isotrop fädning leder enbits-AD-omvandlare till 4dB lägre signal-till-interferens-och-brus-förhållande i upplänken, och fyrabits-AD-omvandlare ger en prestanda nära den ett system utan kvantisering kan uppnå.  Ett analytiskt uttryck för strålningsmönstret för distorsionen från icke-linjära effektförstärkare härleds.  Det visar hur distorsionen till viss del lobformas, att dess förstärkning aldrig är starkare än förstärkningen för den önskade signalen och att distorsionens förstärkning minskar med ett högre antal betjänade användare och ett högre antal kanaltappar.  Icke-linjära lågbrusförstärkare ger upphov distorsion som delvis kombinerar koherent och begränsar det möjliga signal-till-brus-och-interferens-förhållandet.  Slutsatsen är att rumslig signalbehandling med ett stort antal antenner reducerar hårdvarudistorsionens inverkan i de flesta fall.  Så länge som de få källorna till koherent distorsion ges tillbörlig uppmärksamhet, kan hårdvarukomplexiteten minskas i basstationer för massiv MIMO för att övervinna hårdvaruutmaningen och göra massiv MIMO kommersiell verklighet.

Abstract [zh]

蜂窩無線通訊領域中的大規模多天線技術以多個單獨可控的天線通過空間複用的方式服務多個用戶。如是可以大幅提高頻譜效率。實現此技術的主要難題在於基站所用射頻單元的極大複雜度及成本。爲使大規模多天線技術適用在商業系統中,需使用導致失真的低複雜度低成本的非線性硬件。本文探討若將一些主要部件——功放、模數轉換器、低噪聲放大器——的線性程度降低,系統性能是如何受到影響的,即系統的速率、功耗、帶外泄露等指標。主要的結果爲:空間信號處理可以降低下行信號的峯均比,直至0分貝;然而低峯均比不一定能夠降低功耗。用一比特模數轉換器使上行的信干噪比減少4分貝;用四比特模數轉換器可在各向同性衰落的環境裏實現接近無量化系統的性能。本文推導出非線性功放失真輻射方向的解析公式。該公式展示失真在某種程度上會被波束成形的;具體而言,失真的波束成形增益不大於有效信號的增益,波束成形增益會根據服務用戶數量和信道階數的增長而降低。非線性低噪聲放大器引起的失真,一部分會相干地合併,因此會限制信干噪比的增長。結論爲多天線的空間信號處理可以減少硬件失真的影響。只要適當地處理少數相干失真的來源,大規模多天線基站可以降低硬件複雜度,解決硬件難題,使大規模多天線技術成功地應用在商業系統中成爲現實。

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2017. p. 90
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1896
Keyword
Beamforming, distortion, massive MIMO, MIMO, nonlinear hardware, peak-to-average ratio
National Category
Signal Processing Telecommunications Communication Systems Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering Computer Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-143455 (URN)10.3384/diss-diva-143455 (DOI)9789176853887 (ISBN)
Public defence
2018-01-26, Ada Lovelace, B-huset, Campus Valla, Linköping, 13:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2018-01-03 Created: 2017-12-08 Last updated: 2018-03-14Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(5413 kB)80 downloads
File information
File name FULLTEXT02.pdfFile size 5413 kBChecksum SHA-512
1dc4d97d1534cbc0ec129ed029440c2948c0bdb0edffbd46d4462f92db3c8ae2cb1dae7250525801927fd6cb63fd03d324d3bf6b083f252441cad7d8f4e7c7f5
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textScopus

Search in DiVA

By author/editor
Mollén, ChristopherChoi, JunilLarsson, Erik G.Heath, Robert W.
By organisation
Communication SystemsFaculty of Science & Engineering
In the same journal
IEEE Transactions on Wireless Communications
Communication Systems

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 80 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 735 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
v. 2.34-SNAPSHOT
|