[論文レビュー] 50 Years of Permutation, Spatial and Index Modulation: From Classic RF to Visible Light Communications and Data Storage

Naoki Ishikawa, Shinya Sugiura+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2018

Optical Wireless Communication Technologies被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、1965年から現代のRF、可視光通信（VLC）、およびデータ記録分野における置換変調（PM）、空間変調（SM）、インデックス変調（IM）の包括的で多分野にわたるサーベイを提示する。PMがSMおよびSIMの基礎的概念であることを確立し、PMを支援する方式が従来方式よりも高い制約付き平均相互情報量（AMI）を達成することを示し、高レート環境における低複雑性検出と容量のトレードオフを強調している。

ABSTRACT

In this treatise, we provide an interdisciplinary survey on spatial modulation (SM), where multiple-input multiple-output microwave and visible light, as well as single and multicarrier communications are considered. Specifically, we first review the permutation modulation (PM) concept, which was originally proposed by Slepian in 1965. The PM concept has been applied to a wide range of applications, including wired and wireless communications and data storage. By introducing a three-dimensional signal representation, which consists of spatial, temporal and frequency axes, the hybrid PM concept is shown to be equivalent to the recently proposed SM family. In contrast to other survey papers, this treatise aims for celebrating the hitherto overlooked studies, including papers and patents that date back to the 1960s, before the invention of SM. We also provide simulation results that demonstrate the pros and cons of PM-aided low-complexity schemes over conventional multiplexing schemes.

研究の動機と目的

• 本稿の目的は、SMおよびIMのあまり注目されていなかった歴史的ルーツを統合し、祝うことであり、1965年の置換変調（PM）までその系譜を遡ることにある。
• MIMO通信とデータ記録の間のギャップを埋めるために、SM、PM、PC変調の共通する置換的思考を強調することにある。
• 本目的には、制約付き平均相互情報量（AMI）という観点から、従来の多重化方式を上回る低複雑性PMベースの方式を同定・分析することを含む。
• 本研究では、PMベースのシステムにおけるスパarsity（低複雑性）とスペクトル効率（高容量）の間の性能トレードオフを調査する。
• 低遅延検出および書き込み技術を分野間で移転することで、MIMO通信とデータ記録分野の研究の相互浸透を促進することを目的とする。

提案手法

• 本稿は、空間的・時間的・周波数的軸を有する三次元信号表現を用い、PM、SM、SIMを共通の置換ベースの枠組みで統一する。
• 1965年から2018年までの主要な出来事の歴史的サーベイを実施し、PM、PC、SM、SIMに関する画期的な研究を含め、その概念的進化をマッピングする。
• 本稿は、制約付き平均相互情報量（AMI）というスペクトル効率の主要指標として、PM支援方式と従来の多重化方式をシミュレーション結果を用いて比較する。
• 特にスパarsityと行列構造に注目し、さまざまな制約下でのPMベースの微分MIMOおよびOFDM方式の性能を分析する。
• 理論的分析とシミュレーションを活用して、SM、SIM、PMの変種におけるAMI、PAPR、誤り性能を評価する。
• 本研究では、スパース変調方式に対して、非制約AMIよりも正確な性能指標である制約付きAMIの概念を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1965年の置換変調（PM）は、現代の空間変調（SM）およびインデックス変調（IM）方式の基礎的概念としてどのように機能するか？
• RQ2 PM支援の低複雑性方式は、制約付き平均相互情報量（AMI）という観点から、従来の多重化方式に比べてどのような主要な性能優位性を示すか？
• RQ3 スパarsityと行列構造は、特に高レートおよび大規模な状況下で、PMベースの微分MIMOシステムの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 PM支援のデータ記録分野における低複雑性検出および書き込みアルゴリズムは、どのようにSMベースのMIMOシステムの改善に応用可能か？
• RQ5 PMベースのOFDMおよびMIMOシステムにおいて、スペクトル効率（AMI）と計算複雑性の間にはどのようなトレードオフが存在するか？

主な発見

• PM支援方式は、特定の状況下で従来方式よりも高い制約付き平均相互情報量（AMI）を達成しており、性能優位性を示している。
• シミュレーション結果から、PMベースのシステムの制約付きAMIは、低〜中程度のSNR領域において、従来のOFDMを上回ることが示された。
• PMベースの微分MIMO方式は、大規模かつ高レートな状況下で性能劣化を示す。これは、正方行列制約（M = T）に起因し、符号語設計が制限されるためである。
• 文献[108]で提唱された非正方行列ベースの微分MIMO方式は、M = 1024およびR = 12ビット/シンボルの条件下で競争力のある性能を達成しているが、受信アンテナ数が少ない場合や高ドップラー周波数がかかると誤り伝搬の問題が生じる。
• スパarsity（低複雑性）と容量（高AMI）のトレードオフは極めて重要である。スパarsityを高めることで受信機の複雑性は低下するが、同時にフルストリームOFDMに比べて非制約AMIは必然的に低下する。
• マルチモードIMおよび圧縮センシング支援IMは、高レート環境において有望である。これは、周波数領域の密集したシンボルを可能にし、AMIを向上させるが、受信機の複雑性が増加する代償を伴う。