[論文レビュー] Performance of Media-based Modulation in Multi-user Networks

Merve Yüzgeçcioğlu, Eduard A. Jorswieck|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、マルチユーザーネットワークにおけるメディアベース変調（MBM）を調査し、constellation点の相関があってもスペクトル効率が依然として高いことを示している。マルチユーザーマルチアクセス（MAC）システムの和速率領域をモデル化することで、達成可能な速率のタイトな境界を導出し、相関の影響がconstellationサイズが増大するにつれて小さくなり、最終的にAWGN容量に漸近的に近づくことを証明している。

ABSTRACT

High spectral efficiency and low power consumption are the most challenging requirements of 5G networks since the number of devices are increased drastically. Media-based modulation (MBM) is a promising scheme in order to achieve these requirements. In this paper, the spectral efficiency of MBM scheme in single- and multi-user networks is studied. To find the spectral efficiency, information theoretical methods are used and tight lower- and upper-bounds are derived for the achievable rate. The performance of the system is studied for both correlated and uncorrelated constellation diagrams. It is shown that the entries of the constellation diagram for the sum rate region of multi-user case are always correlated. The characteristic of covariance matrix is derived and its impact on performance assessed.

研究の動機と目的

• メディアベース変調（MBM）の単一およびマルチユーザーワイヤレスネットワークにおけるスペクトル効率を分析すること。
• constellation図のエントリにおける相関が達成可能な速率性能に与える影響を調査すること。
• 単一ユーザーモードおよびマルチユーザーモード（MAC）の両方における達成可能な速率のタイトな下限および上限を導出すること。
• マルチユーザーシステムにおける結合constellation図の共分散構造を特徴付け、和速率に与える影響を評価すること。
• constellationサイズMが増加するにつれて、システム性能がエルゴディック容量領域にどのように近づくかを評価すること。

提案手法

• 情報理論的手法を用いて、単一およびマルチユーザーループバックチャネルにおけるMBMの達成可能な速率のタイトな下限および上限を導出する。
• MBMシステムを、チャネル摂動によってconstellation点が生成されるガウス混合チャネルとしてモデル化し、M = 2^NP個の可能な点を持つ。
• Kユーザーマルチアクセス（MAC）における結合constellation図の共分散行列Σを導出し、その最大固有値がKM^{K-1}で、K(M−1)個の固有値がM^{K−1}であり、残りはゼロであることを示す。
• レプリカ法を用いて達成可能な速率領域を近似し、モンテカルロシミュレーションにより境界の妥当性を検証する。
• MBMの性能をAWGN MACのエルゴディック容量領域と比較し、SNRおよびconstellationサイズを変化させた場合のギャップを評価する。
• 階層的MIMO-MBMフレームワークと再帰的デコードを用いて複雑性を低減し、実用的実装を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 constellation図エントリの相関は、単一ユーザーモードのMBMシステムにおける達成可能なスペクトル効率にどのように影響するか？
• RQ2 Kユーザーマルチアクセスチャネル（MAC）における結合constellation図の共分散行列の構造はいかなるものか？
• RQ3 MACシステムにおけるMBMの達成可能な速率領域は、AWGN MACのエルゴディック容量領域とどのように比較できるか？
• RQ4 constellationサイズMが増加するにつれて、MBMとAWGN容量の性能ギャップは消えるか？
• RQ5 ユーザ数Kおよび変調点数Mを増加させた場合、共分散行列のノルム空間および固有値分布にどのような影響があるか？

主な発見

• M = 256およびNP = 8の単一ユーザーシステムでは、constellation点の強い相関による速率劣化はわずか0.1ビット/秒/Hzにとどまる。
• NP = 3の摂動を持つ2ユーザーマルチアクセス（MAC）システムでは、20 dB SNRでもAWGN容量領域に近く、わずかなギャップしか生じない。
• Kユーザーマルチアクセス（MAC）における結合constellation図の共分散行列は、最大固有値がKM^{K−1}で、K(M−1)個の固有値がM^{K−1}であり、残りはゼロである。
• K = 3およびM = 3の場合、27個の固有値のうち20個がゼロであり、これは大きなノルム空間を示しており、KおよびMが増加するにつれて拡大する。
• M → ∞のとき、非ゼロ固有値が支配的となり、相関の影響が消え、漸近的に容量に近い性能が得られる。
• MBMとAWGN容量の和速率ギャップは、個々のユーザーレートギャップよりも広がっている。これは、結合constellation図に内在する相関に起因する。