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

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

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 18인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 피크-평균-합-전력비(PASPR)가 1이 되도록 다차원 초구면에 상호점이 배치된 파워 효율적인 MIMO 변조 방식인 초구면 상변화(Phase Shift Keying on the Hypersphere, PSKH)를 소개한다. 구면 보간법과 로드-모od룰레이티드 송신기를 활용하여 기존의 PSK 및 PAM에 비해 높은 전력 효율성, 더 낮은 대역폭, 낮은 수신기 복잡성을 달성하며, PASPR, 대역폭, 복잡성 간의 성능 트레이드오프를 분석한다.

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

• 로드-모듈레이티드 송신기에 적합하고 최소한의 백오프를 요구하는 전력 효율적인 MIMO 변조 방식 개발
• 기존 MIMO 시스템에서 높은 PASPR 문제를 해결하기 위해 상호점을 초구면에 분포시킴으로써 해결
• 초구면 상의 신호를 보간하여 연속적인 신호를 생성함으로써 대역폭을 감소시키고 전력 효율성을 향상
• PSKH 시스템에서 PASPR, 대역폭, 전력 효율성, 수신기 복잡성 간의 트레이드오프 분석
• 실제 구현을 위한 복잡성 감소 기법 제안 및 비교

제안 방법

• PASPR = 1을 달성하기 위해 다차원 초구면에 상호점을 분포시키는 초구면 상변화(PSKH) 제안
• 초구면 상에서 매끄럽고 연속적인 신호를 생성하기 위해 구면 보간법 적용으로 전송 웨이브폼의 PASPR 감소
• PSKH 신호의 일정한 에너지 레벨 특성 덕분에 낮은 백오프로도 효율적으로 작동하는 로드-모듈레이티드 송신기 사용
• 기본적으로 전통적인 펄스 진폭 변조(PAM)를 사용한 후, 초구면 매핑을 통해 낮은 PASPR 유지
• 초구면 상호점 구조를 고려한 PSKH에 특화된 수신 기법 설계
• 신호 처리의 계산 부담을 줄이기 위한 복잡성 감소 기법 제안 및 비교

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속 시간 전송에서 높은 전력 효율성과 낮은 PASPR을 동시에 달성하기 위해 MIMO 시스템은 어떻게 해야 하는가?
• RQ2 펄스 샤피닝 및 구면 보간법이 PSKH 신호의 PASPR 및 대역폭 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 PSKH는 기존의 PSK 및 PAM에 비해 전력 효율성과 수신기 복잡성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 PSKH 시스템에서 PASPR, 스펙트럼 효율성, 구현 복잡성 간의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ5 실제 PSKH 수신기 설계에 가장 효과적인 복잡성 감소 기법은 무엇인가?

주요 결과

• PSKH는 초구면 상호점 구조 덕분에 정확히 PASPR = 1을 달성하여 로드-모듈레이티드 전송을 효율적으로 가능하게 한다.
• 구면 보간법은 초구면 상에서 매끄럽고 연속적인 신호를 생성하여 연속 시간 영역에서 PASPR를 크게 감소시킨다.
• PSKH의 사용으로 파워 앰프의 백오프를 최소화하여 높은 전력 효율성을 달성할 수 있다.
• 제어된 신호 에너지 레벨과 매끄러운 전이로 인해 외부 대역 외 방출이 감소하여 대역폭 효율성이 향상된다.
• 복잡성 감소 기법은 성능 저하 없이 계산 부담을 감소시켜 실용적 구현 가능하게 한다.
• 제안된 시스템은 PASPR, 대역폭, 전력 효율성, 수신기 복잡성 간에 유리한 트레이드오프를 달성하며, 핵심 지표에서 기존의 PSK 및 PAM보다 뛰어난 성능을 보인다.