대역폭 절감 양자화 업링크 대규모 MIMO의 BER 성능 분석

본 논문은 전력 소모와 하드웨어 복잡도가 급증하는 대규모 MIMO 시스템에서, 저해상도 ADC를 활용한 양자화 기법이 BER에 미치는 영향을 체계적으로 분석한다. 서론에서는 대규모 MIMO가 다수의 안테나와 RF 체인을 필요로 함에 따라 ADC의 전력 소비가 지수적으로 증가한다는 점을 지적하고, 이를 완화하기 위해 1비트에서 4비트까지의 저해상도 양자화를 검토한다. 기존 연구들은 주로 용량 분석에 머물렀으며, BER에 대한 폐쇄형 해석은 부족했기에 본 연구는 그 공백을 메우고자 한다. 시스템 모델에서는 N개의 안테나를 가진 BS가 K명의 단일 안테나 사용자와 uplink 통신을 수행한다. 수신 신호 y=Hx+n을 각 안테나의 실수·허수 성분에 대해 b비트 ADC로 양자화한다. 양자화 모델은 Bussgang 정리를 이용해 y_q = B y + n_q 로 분해하고, 동일한 비트 수를 사용한다면 B는 스칼라 (1−ρ)I_N 로 단순화된다. 여기서 ρ는 양자화 손실을 나타내는 파라미터이며, 표 Ⅰ에 비트 수별 ρ와 α=1−ρ 값이 제시된다. 이 모델은 Additive Quantization Noise Model(AQNM)이라 불리며, 양자화 잡음 n_q는 y와 상관이 없고, 공분산은 ρ(1−ρ)diag(R_yy) 로 표현된다. ZF 검출기는 전통적으로 A = H(H^H H)^{-1} 로 정의되지만, 양자화된 시스템에서는 스케일링 팩터 α가 포함되어 A_q = (1/α) H(H^H H)^{-1} 가 된다. 이를 통해 추정된 전송 벡터는 x̂ = x + (H^H H)^{-1}H^H (n + (1/α)n_q) 로 나타나며, 효과적인 잡음 n_e는 AWGN과 양자화 잡음의 합으로 모델링된다. 잡음 공분산을 계산하면 E{n_e n_e^H} ≈