[論文レビュー] A Fair Comparison Between Spatial Modulation and Antenna Selection in Massive MIMO Systems

Bernhard Gäde, Ali Bereyhi+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、1つのRFチェーンを備えた massive MIMO システムにおけるアンテナ選択（AS）と空間変調（SM）の間で、アンテナスイッチングやスペクトルマスク準拠といった実用的制約を考慮した公平な性能比較を提示している。受信アンテナ数が大きい場合には、ビット誤り率（BER）においてSMがASを上回ることを示しており、受信アレイサイズが増加するにつれて性能クロスオーバー点が低下する傾向にあり、これはSMが上行リンク massive MIMO に適していることを示している。

ABSTRACT

Both antenna selection and spatial modulation allow for low-complexity MIMO transmitters when the number of RF chains is much lower than the number of transmit antennas. In this manuscript, we present a quantitative performance comparison between these two approaches by taking into account implementational restrictions, such as antenna switching. We consider a band-limitedMIMO system, for which the pulse shape is designed, such that the outband emission satisfies a desired spectral mask. The bit error rate is determined for this system, considering antenna selection and spatial modulation. The results depict that for any array size at the transmit and receive sides, antenna selection outperforms spatial modulation, as long as the power efficiency is smaller than a certain threshold level. By passing this threshold, spatial modulation starts to perform superior. Our investigations show that the threshold takes smaller values, as the number of receive antennas grows large. This indicates that spatial modulation is an effective technique for uplink transmission in massive MIMO systems.

研究の動機と目的

• 実際のハードウェア制約を考慮した、1つのRFチェーンを備えた massive MIMO システムにおけるアンテナ選択（AS）と空間変調（SM）の公平な性能比較を実施すること。
• 有限なアンテナスイッチング時間の影響が、ASおよびSMのスペクトル効率およびビット誤り率（BER）に与える影響を分析すること。
• 受信アンテナ数がASとSMの性能クロスオーバー点に与える影響を評価すること。
• Slepian窓によるパルス整形を用いて、同一のスペクトルマスク制約と等しい帯域幅使用を確保することで、公平な比較を実現すること。
• SMがエネルギー効率およびスペクトル効率の観点でASを上回る条件を特定すること。

提案手法

• システムモデルは、1つのRFチェーンとスイッチングネットワークを用い、1回の時隙に1つの送信アンテナのみをアクティブ化する。これにより、ASおよびSMが同一のハードウェア制約下でモデル化される。
• スペクトルマスク要件を満たすためにSlepian窓がパルス整形フィルタとして採用され、同じ不要帯域放射制約下での公平な比較が可能となる。
• 周波数平坦フェージングおよび受信側での完全なChannel State Information（CSI）を想定し、ASおよびSMの両方についてビット誤り率（BER）を導出および数値的に評価する。
• スイッチングおよびチャネル推定に要する時間も考慮したスペクトル効率を計算する。ASはコherencyインターバルごとに1回のスイッチを想定し、SMは1シンボルごとにスイッチが必要である。
• QPSKおよび8QAMの信号.constellation、変動する送信および受信アンテナ数、有限なスイッチング時間といった複数のシナリオにおいて性能比較を実施する。
• 特にSMでは1シンボルごとにスイッチングが発生するため、スペクトル効率とスイッチングオーバーヘッドのトレードオフを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一のスペクトルマスクおよび帯域幅制約下で、1つのRFチェーンを備えた massive MIMO において、ASとSMのどちらが低いビット誤り率を達成するか？
• RQ2 受信アンテナ数がASとSMの性能クロスオーバー点に与える影響は何か？
• RQ3 有限なアンテナスイッチング時間は、SMのスペクトル効率および実現可能なデータレートにASと比較してどのように影響するか？
• RQ4 変調方式の階層を高める（例：QPSKから8QAMに）と、ASおよびSMの相対的性能にどのような影響が生じるか？
• RQ5 SMがASを上回るようになるエネルギー効率の閾値は何か？また、この閾値はシステムパラメータに応じてどのように変化するか？

主な発見

• 送信および受信アンテナ数に関わらず、エネルギー効率が特定の閾値未満である限り、アンテナ選択（AS）は空間変調（SM）を上回る性能を示す。
• エネルギー効率がこの閾値を超えると、SMがASを上回り始め、受信アンテナ数が増加するにつれてこのクロスオーバー点が低下する。
• 8QAM変調および64本の送信アンテナを用いる場合、SMは約2.29ビット/チャネル使用あたりのスペクトル効率を達成するのに対し、ASは約2.14ビット/チャネル使用あたりとなる。これは高次変調下でのSMの優位性を示している。
• 有限なスイッチング時間は、SMのスペクトル効率を顕著に制限する。SMでは1シンボルごとにスイッチングが発生するが、ASはコherencyインターバルごとに1回のスイッチにとどまる。
• 8QAMなどの高次信号.constellationを用いる場合、SMのスペクトル効率の増加に起因して、ASとSMの性能クロスオーバー点が低いSNR値にシフトする。
• SMは、中程度のデータレートを要する上行リンク massive MIMO シナリオにおいて特に適しており、そのダイバーシティゲインおよびスペクトル効率がスイッチングオーバーヘッドを上回る。