[논문 리뷰] Constellation Design for Transmission over Nonlinear Satellite Channels

Farbod Kayhan, G. Montorsi|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 05.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 피크 전력 제약 하에서 대칭성 제약을 가한 시뮬레이티드 어닐링 알고리즘을 사용하여 DVB-S2 4+12+16-APSK 표준을 위한 최적화된 32-APSK 구성과 새로운 그레이 레이블링을 제안한다. 이는 대칭적 실용적 용량을 최대화하기 위한 것이다. 최적화된 구성은 비선형 위성 채널에서 예측 왜곡 여부에 관계없이 DVB-S2의 표준 32-APSK보다 최대 0.5 dB의 이득을 얻으며, 새로운 레이블링은 모든 시나리오에서 추가로 0.15 dB의 이득을 제공한다.

ABSTRACT

In this paper we use a variation of simulated annealing algorithm for optimizing two-dimensional constellations with 32 signals. The main objective is to maximize the symmetric pragmatic capacity under the peak-power constraint. The method allows the joint optimization of constellation and binary labeling. We also investigate the performance of the optimized constellation over nonlinear satellite channel under additive white Gaussian noise. We consider the performance over systems with and without pre-distorters. In both cases the optimized constellations perform considerably better than the conventional Amplitude Phase Shift Keying (APSK) modulations, used in the current digital video broadcasting standard (DVB-S2) on satellite channels. Based on our optimized constellations, we also propose a new labeling for the 4+12+16-APSK constellation of the DVB-S2 standard which is Gray over all rings.

연구 동기 및 목표

• 피크 전력 제약 하에서 2차원 구성의 최적화를 통해 비선형 위성 채널에서 스펙트럼 효율성과 내성 강도를 향상시키는 것.
• 단지 상호정보량이 아닌 대칭적 실용적 용량을 최대화하기 위해 구성 기하학과 이진 레이블링을 공동 최적화하는 것.
• 대칭성 제약을 도입하여 고차원 구성(예: 32점)에 대해 계산 효율적인 시뮬레이티드 어닐링의 변형을 개발하는 것.
• DVB-S2 4+12+16-APSK 구성에 대해 모든 링에서 그레이 성질을 만족하는 새로운 그레이 레이블링을 제안하여 비트 오류율 성능을 향상시키는 것.
• 예측 왜곡 기술이 있는지 여부에 관계없이 현실적인 비선형 위성 시스템에서의 성능 이득을 평가하는 것.

제안 방법

• 32점 구성에 대해 구성점 위치와 이진 레이블링을 공동 최적화하기 위해 시뮬레이티드 어닐링 알고리즘의 변형을 사용한다.
• 시뮬레이티드 어닐링 과정의 탐색 공간을 줄이고 수렴 속도를 높이기 위해 구성에 대칭 조건을 도입한다.
• 최적화 목표는 피크 전력 제약 하에서 구성 형상과 레이블링을 모두 고려한 대칭적 실용적 용량이다.
• 이 방법은 64점 구성으로 확장되어 내부 크로스 32-QAM과 외부 링 점들을 가진 하이브리드 구조를 생성한다.
• 각 링에 짝수 개의 점이 있을 경우 APSK 구성의 각 링에 대해 그레이 매핑을 생성하는 구성적 증명을 제공한다.
• TWTA 비선형성, SRRC 필터링, AWGN을 포함한 현실적인 비선형 위성 채널 모델을 바탕으로 성능을 평가하며, 예측 왜곡 여부에 관계없이 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시뮬레이티드 어닐링을 통한 구성 기하학과 레이블링의 공동 최적화가 비선형 위성 채널에서 실용적 용량을 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 대칭성 제약은 고차원 구성에 대해 시뮬레이티드 어닐링의 수렴성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비선형 조건 하에서 최적화된 32-APSK 구성은 DVB-S2 표준 32-APSK보다 얼마나 많은 성능 이득을 얻을 수 있는가?
• RQ4 DVB-S2 4+12+16-APSK에 대해 모든 링에서 그레이 성질을 만족하는 새로운 그레이 레이블링을 구성할 수 있으며, 이로 인해 측정 가능한 성능 이득을 얻을 수 있는가?
• RQ5 정적 및 동적 예측 왜곡 기술은 최적화된 구성이 포함된 비선형 위성 시스템과 어떻게 상호작용하는가?

주요 결과

• 최적화된 32-APSK 구성은 비선형 위성 채널에서 시스템 구성에 따라 DVB-S2 표준 32-APSK보다 0.2~0.5 dB의 이득을 얻는다.
• 제안된 대칭성 제약을 가진 시뮬레이티드 어닐링 알고리즘은 이전에 표준 시뮬레이티드 어닐링으로는 계산적으로 비가능하던 32점 구성 최적화를 가능하게 한다.
• 4+12+16-APSK 구성에 대해 제안된 새로운 그레이 레이블링은 DVB-S2 표준 레이블링 대비 모든 시스템 시나리오에서 약 0.15 dB의 성능 향상을 제공한다.
• 64점 구성의 경우 최적화된 구조는 내부 크로스 32-QAM 클러스터와 그레이 매핑이 적용된 외부 링을 가지며, 표준 4+12+18+30-APSK 대비 약 0.15 dB의 이득을 기록한다.
• 성능 이득은 예측 왜곡 여부에 관계없이 일관되게 유지되어 비선형 왜곡에 대한 강건성을 입증한다.
• 이론적 분석을 통해 각 링에 짝수 개의 점이 있을 경우에만 모든 링에서 그레이 레이블링이 가능하며, 이를 위한 구성적 방법을 제시한다.