[논문 리뷰] Phase Shift Keying on the Hypersphere: Peak Power-Efficient MIMO Communications

Christoph Rachinger, Ralf R. Müller외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 03.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다차원 초구면 상에 균일하게 분포된 수신점들을 가지는 MIMO 변조 방식인 초구면 상의 위상 이동 키우기(PSKH)를 소개한다. 이는 피크 대 평균 합력비(파워) 비율(PASPR)를 정확히 1로 유지함으로써 부하 조절형 증폭기와 함께 고전력 효율성을 달성한다. 파형 설계 기법으로서 구면 보간법과 펄스 성형 기법을 제안하여 PASPR를 최소화하면서도 스펙트럼 효율성을 유지한다. 특히 SI-RRC 펄스 성형 기법은 대역폭 효율성을 희생시키지 않고 $E_{b,\text{max}}/N_0$ 에서 최대 2 dB의 성능 향상을 이룬다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 변조 방식에서 고비트율 피크 대 평균 전력비(PAPR)로 인해 발생하는 높은 전력 소모 문제를 해결한다.
• 일정 전압 크기 변조의 전송률 손실 문제를 해결하기 위해 PSK를 다차원 초구면 수신점으로 확장함으로써 MIMO 시스템에 적용한다.
• 신호 성형 및 수신점 설계를 통해 PASPR를 최소화하여 부하 조절형 MIMO 송신기의 효율적인 작동을 가능하게 한다.
• PSKH 시스템에서 PASPR, 스펙트럼 효율성, 수신기 복잡도 간의 상호 상충 관계를 균형 있게 조절한다.
• PSKH와 함께 구면 보간법 및 고도의 펄스 성형 기법을 적용할 경우, 스펙트럼 효율성을 희생시키지 않고도 뚜렷한 전력 효율성 향상을 달성할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• PSKH를 $\mathbb{C}^{n_T}$ 공간 내 초구면 상에 존재하는 $M = 2^{R_m}$개의 수신점 집합으로 정의하며, 각 수신점의 에너지는 $E_s$이며, 이로 인해 PASPR = 1을 확보한다.
• 연속 시간 신호 $\mathbf{s}(t) = \sum_k \mathbf{x}[k] h(t-k)$ 를 생성하기 위해 기존의 PAM 변조 방식과 펄스 성형 필터 $h(t)$ 를 사용한다.
• 구면 보간법을 적용하여 초구면 상에서 매끄럽고 연속적인 경로를 생성함으로써 시간 도메인에서의 PASPR를 감소시킨다.
• RRC, T/2-RRC, SI-RRC 등을 포함한 다양한 펄스 성형 방법을 사용하여 신호 스펙트럼을 성형하고 PASPR를 제어한다.
• fading 채널에서의 비상관 검출을 위해 매치드 필터 및 결정 피드백 수신기 아키텍처를 설계한다.
• 모든 방법 간의 전력 효율성 비교를 공정하게 하기 위해 $E_{b,\text{max}}/N_0$ 지표를 사용하며, 이는 피크 전력과 오류율을 모두 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다차원 초구면 상의 PSKH 수신점은 MIMO 시스템에서 PASPR = 1을 달성할 수 있는가? 이는 부하 조절형 전송을 가능하게 하는가?
• RQ2 RRC, T/2-RRC, SI-RRC 등의 다양한 펄스 성형 필터는 PSKH 신호의 PASPR, 스펙트럼 효율성, 전력 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 구면 보간법은 신호 대역폭과 수신기 성능을 유지하면서 PASPR를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 PSKH 시스템에서 PASPR 감소, 스펙트럼 효율성, 수신기 복잡도 간의 상호 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 부하 조절형 증폭기와 결합된 PSKH는 기존의 PAM 방식에 비해 뚜렷한 $E_{b,\text{max}}/N_0$ 성능 향상을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 초구면 상의 PSKH 수신점은 정확히 PASPR = 1을 달성하여 MIMO 시스템에서 최적의 증폭기 백오프를 가능하게 하며, 높은 전력 효율성을 확보한다.
• 구면 보간법은 초구면 상에서 매끄럽고 연속적인 경로를 생성함으로써 시간 도메인에서의 피크 전력 변동을 최소화하여 PASPR를 효과적으로 감소시킨다.
• SI-RRC 펄스 성형 기법은 스펙트럼 효율성을 훼손하지 않고도 $E_{b,\text{max}}/N_0$ 에 최대 2 dB의 성능 향상을 이룬다. 이는 기존 RRC 및 T/2-RRC 보다 뛰어난 성능을 보인다.
• T/2-RRC 및 $\text{sinc}^2$ 펄스 성형은 PASPR를 크게 감소시키지만, 전력 효율성에 약간의 손실을 끼치며, 그 대신 스펙트럼 효율성이 감소한다.
• RRC 필터는 표준 대역폭 감소 특성을 가지며, 롤오프 계수 $\beta$ 를 약간 증가시킴으로써 PASPR가 약간 향상된다.
• 목표 SER가 $10^{-4}$ 일 때, SI-RRC를 사용한 PSKH는 전력 효율성과 스펙트럼 효율성의 최적의 균형을 이루며, 성능 향상 효과가 검출 복잡도 증가를 상쇄한다.