低精度ADC下无蜂窝大规模MIMO系统频谱效率和能量效率的联合优化

Joint optimization of spectral efficiency and energy efficiency with low-precision ADCs in cell-free massive MIMO systems

Han WANG, Chang SUN, Jiamin LI, et al.

Sci China Inf Sci, 2021, DOI: 10.1007/s11432-021-3313-9

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概要

在无蜂窝大规模多输入多输出(MIMO)系统中，应用低精度模数转换器(ADC)有利于降低功耗、硬件成本和回程链路负载。但是，低精度ADC会导致频谱效率(SE)严重下降。对于具有低精度ADC的无蜂窝大规模MIMO系统，在频谱效率和能量效率(EE)之间实现良好的折中非常重要。

本文分析了低精度ADC对无蜂窝大规模MIMO系统的SE和EE性能的影响，并从多目标优化角度提出了两种量化比特分配算法来联合优化SE和EE。

本文的主要贡献总结如下：

考虑最大比合并(MRC)接收机和迫零(ZF)接收机，基于信道状态信息(CSI)的最小均方误差估计(MMSE)和加性量化噪声模型(AQNM)，推导出上行链路可达速率的闭合表达式。此外，在无蜂窝大规模MIMO系统中建立了考虑低精度ADC时系统SE和EE的模型。

基于SE和EE的闭合表达式，深入研究了每个RAU的天线数量，每个用户的上行传输功率和RAU上量化比特数对系统SE和EE折中关系的影响。

从多目标优化的角度提出了两种量化比特分配算法来联合优化SE和 EE。其中，一种算法是基于Deep Q-Network (DQN)，另一种算法是基于非支配排序遗传算法(NSGA-II)。与等量化比特分配算法相比，本文所提出的算法提供了更多可行的解决方案，并实现了更好的系统性能。仿真结果验证了闭式表达式的准确性和所提出的优化算法的有效性。

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