[論文レビュー] A Survey on Design and Performance of Higher-Order QAM Constellations

Praveen Kumar Singya, Parvez Shaik+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 364被引用数 14

ひとこと要約

本サーベイは、特にスターQAM、XQAM、およびヘキサゴナルQAM（HQAM）を対象とし、それらの設計、性能指標、および5G以降のシステムにおける適性について包括的な分析を提示する。本研究では、従来の正方形および長方形QAMに対して不規則HQAMが優れたパワー効率を示すことが示され、高データレートで帯域幅およびエネルギー制約のある無線システムにおいて最適であることが明らかになった。

ABSTRACT

As the research on beyond 5G heats up, we survey and explore power and bandwidth efficient modulation schemes in details. In the existing publications and in various communication standards, initially square quadrature amplitude modulation (SQAM) constellations (even power of 2) were considered. However, only the square constellations are not efficient for varying channel conditions and rate requirements, and hence, odd power of 2 constellations were introduced. For odd power of 2 constellations, rectangular QAM (RQAM) is commonly used. However, RQAM is not a good choice due to its lower power efficiency, and a modified cross QAM (XQAM) constellation is preferred as it provides improved power efficiency over RQAM due to its energy efficient two dimensional (2D) structure. The increasing demand for high data-rates has further encouraged the research towards more compact 2D constellations which lead to hexagonal lattice structure based constellations, referred to as hexagonal QAM (HQAM). In this work, various QAM constellations are discussed and detailed study of star QAM, XQAM, and HQAM constellations is presented. Generation, peak and average energies, peak-to-average-power ratio, symbol-error-rate, decision boundaries, bit mapping, Gray code penalty, and bit-error-rate of star QAM, XQAM, and HQAM constellations with different constellation orders are presented. Finally, a comparative study of various QAM constellations is presented which justifies the supremacy of HQAM over other QAM constellations. With this, it can be claimed that the use of the HQAM in various wireless communication systems and standards can further improve the performance targeted for beyond 5G wireless communication systems.

研究の動機と目的

• 次世代無線システム向けに、従来の正方形QAMとは異なる高次元QAMコンステラションの設計および性能を分析すること。
• 変動するチャネル状態および低電力環境下での長方形QAM（RQAM）の限界を特定すること。
• XQAMやHQAMなどの代替コンステラションが、パワー効率およびスペクトル効率を向上させる可能性を評価すること。
• エネルギー効率、ビット誤り率、およびピーク対平均電力比といった主要指標において、スターQAM、XQAM、HQAMを比較すること。
• 特に不規則HQAMを、将来の5Gおよびそれ以降の無線通信基準における最適コンステラションとして確立すること。

提案手法

• スターダムQAM、XQAM、HQAMのQAMコンステラションを、複数の性能指標にわたって詳細な比較研究を実施する。
• コンステラションの幾何学的構造、意思決定境界、およびビットマッピング戦略（グレイ符号マッピングとその関連ペナルティを含む）を分析する。
• ピークおよび平均信号エネルギーを導出・比較し、各コンステラションタイプのピーク対平均電力比（PAPR）を計算する。
• さまざまなコンステラション次数において、加法性白色ガウスノイズ（AWGN）下での符号誤り率（SER）およびビット誤り率（BER）性能を評価する。
• レギュラーおよび不規則HQAM構造をモデル化し、 fading チャネルにおけるエネルギー効率および耐障害性を評価する。
• 解析的導出とシミュレーションベースの性能評価を用いて、すべてのコンステラションにおけるスペクトル効率およびパワー効率を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スターダムQAM、XQAM、HQAMのエネルギー効率およびパワー効率は、従来の正方形QAMおよび長方形QAM（RQAM）と比べてどのように異なるか？
• RQ2 コンステラションの形状（正方形、長方形、クロス、ヘキサゴナル）がビット誤り率（BER）および符号誤り率（SER）に与える影響は何か？
• RQ3 不規則HQAM設計は、レギュラーHQAMおよび他のQAMタイプと比較して、パワー効率をどのように向上させるか？
• RQ4 ビットマッピングおよびグレイ符号ペナルティが、高次元QAMコンステラションのBER性能に与える役割は何か？
• RQ5 HQAMは、高データレートシステムにおいて、ピーク対平均電力比（PAPR）をどの程度低減し、スペクトル効率を向上させることができるか？

主な発見

• 不規則ヘキサゴナルQAM（HQAM）は、正方形QAM、長方形QAM（RQAM）、クロスQAM（XQAM）よりも優れたパワー効率を示し、高データレート伝送において最もエネルギー効率の高いコンステラションであることが判明した。
• XQAMは、2次元的なエネルギー効率の高い構造を有するため、RQAMよりもパワー効率が優れており、同じBERを達成するための平均送信電力を低減できる。
• HQAMは、特に高次元のコンステラション次数において、正方形QAMおよび長方形QAMよりも優れたスペクトル効率と低いPAPRを達成している。
• 本研究では、HQAM（特に不規則HQAM）が、特定のBERを達成するために必要な信号対雑音比（SNR）を低減できることを確認した。これは、システムの信頼性を向上させる。
• グレイ符号マッピングによるビットマッピングは、すべてのQAMタイプでBERを低減するが、その性能向上は、対称的かつコンactなコンステラション構造を有するHQAMにおいて最も顕著である。
• HQAMの確率的形状化は、5G以降のシステムにおけるさらなるエネルギー効率の向上を図る有望な今後の方向性であると特定された。