[논문 리뷰] Energy-Efficient M-QAM Precoder Design with Spatial Peak Power Minimization for MIMO Directional Modulation Transceivers.

Ashkan Kalantari, Christos G. Tsinos외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 22.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전송 전력과 피크 전력을 최소화하면서도 낮은 심볼 오류율을 유지하는 MIMO 방향성 변조 송수신기용 에너지 효율적인 M-QAM 예비설계 방법을 제안한다. M=16,32 상황에서 해석적으로 유도된 확장되고 완화된 탐지 영역을 사용하여, 볼록 최적화 문제를 수립하고 내부점 경로 추적 알고리즘을 통해 해결함으로써, 기준 대비 광범위한 SNR 범위에서 전력과 피크 전력 감소를 크게 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전력 및 규제 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율적이고 에너지 효율적인 다중 안테나 무선 시스템에 대한 증가하는 수요를 충족시키기 위해.
• M-QAM 변조를 사용하는 MIMO 방향성 변조 시스템에서 전력 확대기의 전송 전력과 피크 전력을 최소화하기 위해.
• 고 SNR에서 기존 M-QAM와 거의 동일한 심볼 오류율 성능을 유지하면서 에너지 효율성을 향상시키기 위해.
• 신호 탐지의 강건성을 확보하기 위해 최소 유클리드 거리와 탐지 영역 경계를 유지하는 예비설계를 설계하기 위해.
• 효율적이고 신뢰할 수 있는 반복 알고리즘을 통한 해법 확보를 위해 예비설계 설계를 볼록 최적화 문제로 수립하기 위해.

제안 방법

• 해석 기하학을 사용하여 M-QAM 신호상의 탐지 영역을 확장하여 신호상 점의 배치를 최적화한다.
• 16- 및 32-QAM 신호상의 내부 점들을 위한 완화된 탐지 영역을 모델링하여 오류율을 떨어뜨리지 않으면서도 전력 효율성을 향상시킨다.
• 최적 영역 내에서 신호상 점의 위치를 정하여 인접한 점들과의 최소 유클리드 거리와 영역 경계를 유지한다.
• 심볼 수준의 예비설계 문제를 볼록 최적화 문제로 변환하여 총 전송 전력과 개별 전력 확대기 출력 전력을 최소화한다.
• 수렴을 보장하기 위해 철저히 선택된 초기 매개변수 값을 갖는 내부점 경로 추적 반복 알고리즘을 개발한다.
• 조절 특성과 탐지 영역 모델을 예비설계 수식에 통합하여 강건성과 성능을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M-QAM 기반 MIMO 방향성 변조에서 에너지 효율성을 향상시키기 위해 탐지 영역을 해석적으로 어떻게 확장하고 완화시킬 수 있는가?
• RQ2 고 SNR에서 기존 M-QAM와 비교해 유사한 심볼 오류율을 유지하면서 전송 전력과 피크 전력을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 공간적 피크 전력 및 스펙트럼 효율성 제약 조건 하에서 볼록 최적화를 심볼 수준의 예비설계에 효과적으로 적용할 수 있는가?
• RQ4 확장되고 완화된 탐지 영역은 방향성 변조 시스템에서 M-QAM 예비설계의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 내부점 알고리즘의 최적 초기화 전략은 제안된 설계 프레임워크에서 빠르고 안정적인 수렴을 보장하기 위해 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 방법은 다양한 SNR 값에서 기준 기술 대비 전송 전력의 현저한 감소를 달성한다.
• 예비설계 설계에서 확장되고 완화된 탐지 영역의 사용으로 각 전력 확대기의 피크 전력이 크게 감소한다.
• 고 SNR에서 기존 M-QAM 설계와 유사한 심볼 오류율 성능을 유지하여 강건성과 신뢰성을 확인한다.
• 볼록 수식은 내부점 경로 추적 알고리즘을 통한 효율적 해법과 보장된 수렴을 가능하게 한다.
• 특히 16- 및 32-QAM 신호상에서 에너지 효율성과 피크 전력 제어 측면에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 탐지 영역을 정의하기 위해 해석 기하학을 사용함으로써 정밀하고 최적의 신호상 점 배치가 가능해져 시스템의 강건성이 향상된다.