[論文レビュー] Phase Shift Keying on the Hypersphere: Peak Power-Efficient MIMO Communications

Christoph Rachinger, Ralf R. Müller+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ピーク対平均和電力比（PASPR）が1に等しくなるように、多次元ハイパースフィア上に信号点を配置するMIMO変調方式であるハイパースフィア上での位相シフトキーイング（PSKH）を提案する。これにより、負荷変調型送信機を用いても高い電力効率を達成できる。PASPRを最小限に抑えるために球面補間とパルス整形技術を提案し、SI-RRCパルス整形では帯域効率を損なわずに$E_{b,\text{max}}/N_0$に最大2 dBの利得が得られる。

ABSTRACT

Phase Shift Keying on the Hypersphere (PSKH), a generalization of conventional Phase Shift Keying (PSK) for Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems, is introduced. In PSKH, constellation points are distributed on a multidimensional hypersphere. The use of such constellations with a Peak-To-Average-Sum-Power-Ratio (PASPR) of 1 allows to use load-modulated transmitters which can cope with a small backoff, which in turn results in a high power efficiency. In this paper, we discuss several methods how to generate PSKH constellations and compare their performance. After applying conventional Pulse-Amplitude Modulation (PAM), the PASPR of the continuous time PSKH signal depends on the choice of the pulse shaping method. This choice also influences bandwidth and power efficiency of a PSKH system. In order to reduce the PASPR of the continuous transmission signal, we use spherical interpolation to generate a smooth signal over the hypersphere and present corresponding receiver techniques. Additionally, complexity reduction techniques are proposed and compared. Finally, we discuss the methods presented in this paper regarding their trade-offs with respect to PASPR, bandwidth, power efficiency and receiver complexity.

研究の動機と目的

• 従来の変調方式における高PAPRが原因で発生するMIMOシステムの高消費電力問題に対処する。
• 定電圧変調のレート損失を補うために、ハイパースフィア信号点を用いてPSKをMIMOに拡張する。
• 信号整形と信号点設計によりPASPRを最小限に抑えることで、負荷変調型MIMO送信機の効率的運用を可能にする。
• PSKHシステムにおけるPASPR、スペクトル効率、受信機の複雑さのトレードオフをバランスさせる。
• PSKHに球面補間と高度なパルス整形を組み合わせることで、スペクトル効率を損なわず、顕著な電力効率の向上を達成できることを実証する。

提案手法

• PSKHを、$\mathbb{C}^{n_T}$空間内のハイパースフィア上に$M = 2^{R_m}$個の信号点を配置し、各信号点のエネルギーが$E_s$となるように定義する。これによりPASPR = 1が保証される。
• 連続時間信号$\mathbf{s}(t) = \sum_k \mathbf{x}[k] h(t-k)$を生成するために、従来のPAM変調とパルス整形フィルタ$h(t)$を用いる。
• 時間領域におけるPASPRを低減するために、ハイパースフィア上に滑らかで連続的な軌道を生成する球面補間を適用する。
• RRC、T/2-RRC、SI-RRCを含むパルス整形法を用いて信号スペクトルを整形し、PASPRを制御する。
• fadingチャネルにおけるcoherent検出のためのマッチドフィルタおよび決定フィードバック受信機構造を設計する。
• $E_{b,\text{max}}/N_0$指標を用いて、ピーク電力と誤り率を考慮した公平な電力効率比較を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイパースフィア上に配置されたPSKH信号点は、MIMOシステムでPASPR = 1を達成できるか。これにより、負荷変調型送信が効率的に可能になるか。
• RQ2 RRC、T/2-RRC、SI-RRCなどの異なるパルス整形フィルタは、PSKH信号のPASPR、スペクトル効率、電力効率にどのように影響を与えるか。
• RQ3 球面補間は、信号帯域と受信機性能を維持したまま、PASPRをどの程度低減できるか。
• RQ4 PSKHシステムにおいて、PASPR低減、スペクトル効率、受信機の複雑さのトレードオフはどのようなものか。
• RQ5 PSKHは、特に負荷変調型アンプと組み合わせた場合、従来のPAMと比較して顕著な$E_{b,\text{max}}/N_0$の向上を達成できるか。

主な発見

• ハイパースフィア上に配置されたPSKH信号点は、PASPRが正確に1に等しくなることを確認した。これにより、最適なアンプバックオフが可能となり、MIMOシステムにおける高い電力効率が実現できる。
• 球面補間は、ハイパースフィア上に滑らかで連続的な軌道を生成することで、PASPRを効果的に低減し、ピーク電力の変動を最小限に抑える。
• SI-RRCパルス整形は、スペクトル効率を損なわずに$E_{b,\text{max}}/N_0$に最大2 dBの利得をもたらし、従来のRRCおよびT/2-RRCを上回る性能を示した。
• T/2-RRCおよび$\text{sinc}^2$パルス整形はPASPRを顕著に低減するが、スペクトル効率が低下する代償がある。
• RRCフィルタは標準的な帯域ロールオフのトレードオフを示すが、ロールオフ係数$\beta$をわずかに増加させることでPASPRが改善される。
• SERが$10^{-4}$となる目標に対して、SI-RRCを用いたPSKHは、電力効率とスペクトル効率のバランスが最良であり、利得が検出の複雑さを上回る。