[論文レビュー] Energy-Efficient M-QAM Precoder Design with Spatial Peak Power Minimization for MIMO Directional Modulation Transceivers.

Ashkan Kalantari, Christos G. Tsinos+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、送信電力およびピーク電力の低減を実現しながら、低い符号誤り率を維持する、MIMO指向性変調変復調器向けのエネルギー効率の高い M-QAM プリコーダ設計を提案する。M=16,32 のための解析的に導出された拡張および緩和された検出領域を用いることで、凸最適化問題を定式化し、内点パスフォローリングアルゴリズムを用いて解くことで、ベンチマークと比較して広いSNR範囲で顕著な電力およびピーク電力の低減を達成する。

ABSTRACT

Spectrally efficient multi-antenna wireless communication systems are a key challenge as service demands continue to increase. At the same time, powering up radio access networks is facing environmental and regulation limitations. In order to achieve more power efficiency, we design a directional modulation precoder by considering an $M$-QAM constellation, particularly with $M=4,8,16,32$. First, extended detection regions are defined for desired constellations using analytical geometry. Then, constellation points are placed in the optimal positions of these regions while the minimum Euclidean distance to adjacent constellation points and detection region boundaries is kept as in the conventional $M$-QAM modulation. For further power efficiency and symbol error rate similar to that of fixed design in high SNR, relaxed detection regions are modeled for inner points of $M=16,32$ constellations. The modeled extended and relaxed detection regions as well as the modulation characteristics are utilized to formulate symbol-level precoder design problems for directional modulation to minimize the transmission power while preserving the minimum required SNR at the destination. In addition, the extended and relaxed detection regions are used for precoder design to minimize the output of each power amplifier. We transform the design problems into convex ones and devise an interior point path-following iterative algorithm to solve the mentioned problems and provide details on finding the initial values of the parameters and the starting point. Results show that compared to the benchmark schemes, the proposed method performs better in terms of power and peak power reduction as well as symbol error rate reduction for a wide range of SNRs.

研究の動機と目的

• 電力および規制制約下でのスペクトル効率およびエネルギー効率に優れたマルチアンテナ無線システムの増大する需要に対処すること。
• MIMO指向性変調システムにおけるM-QAM変調を用いて、パワー増幅器の送信電力およびピーク電力を最小化すること。
• 高SNRにおいて従来のM-QAMとほぼ同一の符号誤り率性能を維持しながら、エネルギー効率を向上させること。
• 信号検出の耐障害性を保つために、最小ユークリッド距離および検出領域境界を保持するプリコーダを設計すること。
• 効率的かつ信頼性の高い反復アルゴリズムによる解法を可能にするために、プリコーダ設計を凸最適化問題として定式化すること。

提案手法

• 解析的幾何学を用いて、M-QAM信号点の配置最適化を実現するための拡張検出領域を定義する。
• 16-および32-QAM信号点の内側点のための緩和された検出領域をモデル化することで、誤り率に悪影響を与えることなく電力効率を向上させる。
• 最適領域内での信号点配置を用いることで、隣接する点との最小ユークリッド距離および領域境界を維持する。
• シンボルレベルプリコーダ設計問題を、全送信電力および個々のPA出力電力を最小化する凸最適化問題に変換する。
• 収束を保証するための適切に選択された初期パrameter値を用いた内点パスフォローリング反復アルゴリズムを開発する。
• 変調特性および検出領域モデルをプリコーダ定式化に統合することで、耐障害性および性能を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M-QAMベースのMIMO指向性変調において、検出領域を解析的に拡張・緩和することで、エネルギー効率をどのように向上させられるか？
• RQ2 高SNRにおいて従来のM-QAMと同等の符号誤り率を維持しながら、送信電力およびピーク電力をどの程度低減できるか？
• RQ3 空間的ピーク電力およびスペクトル効率の制約下で、シンボルレベルプリコーダ設計に凸最適化を効果的に適用できるか？
• RQ4 拡張および緩和された検出領域は、指向性変調システムにおけるM-QAMプリコーダの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 内点アルゴリズムの高速かつ安定な収束を保証するための最適な初期化戦略は何か？

主な発見

• 提案手法は、広いSNR範囲において、ベンチマーク手法と比較して顕著な送信電力の低減を達成する。
• プリコーダ設計における拡張および緩和された検出領域の使用により、各パワー増幅器におけるピーク電力が顕著に低減される。
• 高SNRにおける符号誤り率性能は、従来のM-QAM設計と同等であり、耐障害性および信頼性が確認される。
• 凸定式化により、内点パスフォローリングアルゴリズムによる効率的かつ収束保証付きの解法が可能になる。
• 特に16-および32-QAM信号点において、エネルギー効率およびピーク電力制御の両面で優れた性能を示す。
• 検出領域を定義するための解析的幾何学の使用により、正確かつ最適な信号点配置が可能となり、システムの耐障害性が向上する。