Due to the power consumption and high circuit cost in antenna arrays, the practical application of multiple-input multiple-output (MIMO) in the unmanned aerial vehicle (UAV) communications and positioning is still challenging. Employing low-resolution analog-to-digital converters (ADCs) and hybrid analog and digital (HAD) structure is two low-cost choice with acceptable performance loss. In this paper, the combination of the mixed-ADC architecture and HAD structure employed at receiver is proposed for direction of arrival (DOA) estimation, which will be applied to the beamforming tracking and alignment in UAV positioning. By adopting the additive quantization noise model, the exact closed-form expression of the Cramer-Rao lower bound (CRLB) for the HAD architecture with mixed-ADCs is derived. Moreover, the closed-form expression of the performance loss factor is derived as a benchmark. In addition, to take power consumption into account, energy efficiency is also investigated in our paper. The numerical results reveal that the HAD structure with mixed-ADCs can significantly reduce the power consumption and hardware cost. Furthermore, that architecture is able to achieve a better trade-off between the performance loss and the power consumption. Finally, adopting 2-4 bits of resolution may be a good choice in practical massive MIMO systems.


翻译:由于天线阵列的功耗和高电路成本,在多输入多输出(MIMO)无人机通信和定位的实际应用仍然具有挑战性。采用低分辨率模拟数字转换器(ADCs)和混合模拟和数字(HAD)结构是两个低成本但性能损失可接受的选择。本文提出了在接收机处采用混合ADC架构和HAD结构进行到达方向(DOA)估计的组合方案,该方案将应用于无人机定位中的波束跟踪和对准。通过采用加性量化噪声模型,导出了具有混合ADCs的HAD结构的Cramer-Rao下界(CRLB)的确切闭合形式表达式。此外,导出了性能损失因子的闭合形式表达式作为基准。此外,为了考虑功耗,本文还研究了能源效率。数值结果表明,具有混合ADCs的HAD结构可以显著减少功耗和硬件成本。此外,该体系结构能够在性能损失和功耗之间实现更好的权衡。最后,在实际大型MIMO系统中采用2-4位的分辨率可能是一个不错的选择。

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