[논문 리뷰] Spatial Modulation- Spatial Multiplexing in Massive MIMO

Garimella Rama Murthy, Kunal Sankhe|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 07.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 효율을 향상시키면서도 RF 체인 수요를 줄이기 위해 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 스페이셜 모드-스페이셜 멀티플렉싱(SM-SM) 방식을 제안한다. 안테나를 그룹화하고 각 그룹에서 하나의 활성 안테나를 사용함으로써 스페이셜 멀티플렉싱을 구현함으로써, 단지 2개의 RF 체인으로도 5 비트/초/헤르츠의 스펙트럼 효율을 달성하며, 기존의 전통적 SM 방식을 뛰어넘고 저복잡도 검출을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Massive MIMO, a candidate for 5G technology, promises significant gains in wireless data rates and link reliability by using large numbers of antennas (more than 64) at the base transceiver station (BTS). Extra antennas help by focusing the transmission and reception of signal energy into ever-smaller regions of space. This brings huge improvements in throughput. However, it requires a large number of Radio Frequency (RF) chains (usually equal to number of transmit antennas), which is a major drawback. One approach to overcome these issues is to use Spatial Modulation (SM). In SM, an index of transmit antenna is used as an additional source of information to improve the overall spectral efficiency. In particular, a group of any number of information bits is mapped into two constellations: a signal constellation based on modulation scheme and a spatial constellation to encode the index of the transmit antenna. However, a low spectral efficiency is main drawback of SM. Therefore, a combination of SM with Spatial Multiplexing is an effective way to increase spectral efficiency with limited number of RF chains.

연구 동기 및 목표

• 대규모 MIMO 시스템에서 높은 RF 체인 요구량으로 인한 하드웨어 비용 증가와 전력 소비 증가 문제를 해결하기 위함.
• 기존 스페이셜 모드(SM)의 제한된 스펙트럼 효율성 문제를 해결하기 위함. 기존 SM은 전송 시 단 하나의 활성 안테나만 사용하기 때문이다.
• 스페이셜 모드와 스페이셜 멀티플렉싱을 융합하여 RF 체인 수를 늘리지 않으면서도 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성하기 위함.
• 실제 대규모 MIMO 환경에서의 구현에 적합한 저복잡도 검출 프레임워크를 제공하기 위함.
• 대규모 안테나 어레이에서 스펙트럼 효율, 하드웨어 복잡도, 수신 성능 간의 타당한 트레이드오프를 입증하기 위함.

제안 방법

• 시스템은 총 N개의 송신 안테나를 N/K개의 그룹으로 나누며, 각 그룹에는 K개의 안테나가 포함된다. 여기서 K는 RF 체인의 수이다.
• log₂(K) 비트 인덱스를 사용해 N/K개의 그룹 중 하나를 활성화하여 공간 부호의 구성 요소를 결정한다.
• 남은 N/K × log₂(M) 비트는 M-QAM으로 변조된 log₂(M) 비트의 K개 그룹으로 나누어 동시에 K개의 활성 안테나를 통해 전송한다.
• 수신기는 최대 비율 복합(MRRC)을 사용하여 활성 안테나 그룹을 검출하고 전송된 기호를 추정한다.
• 공간 디모듈레이터는 공간 인덱스와 변조된 기호를 동시에 복원하여 원래의 비트 스트림을 복구한다.
• 오직 한 번에 하나의 그룹만 활성화되도록 하여 인터-안테나 간섭을 방지함으로써 동기화 및 검출 과정을 단순화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스페이셜 모드와 스페이셜 멀티플렉싱을 융합함으로써, RF 체인 수를 늘리지 않으면서도 대규모 MIMO에서 스펙트럼 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 제안된 SM-SM 방식은 기존의 스페이셜 모드와 전체 스페이셜 멀티플렉싱에 비해 스펙트럼 효율에서 어떤 성능을 보이는가?
• RQ3 제한된 수의 RF 체인 조건에서 하이브리드 SM-SM MIMO 시스템의 가시 스펙트럼 효율은 얼마인가?
• RQ4 스펙트럼 효율 향상과 함께 검출 복잡도를 낮게 유지할 수 있는가?
• RQ5 안테나 그룹화와 M-QAM 변조는 스펙트럼 효율 및 하드웨어 비용 측면에서 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 SM-SM MIMO 방식은 4개의 송신 안테나와 단지 2개의 RF 체인으로도 5 비트/초/헤르츠의 스펙트럼 효율을 달성한다.
• M=4(QAM)일 경우, 시스템은 log₂(2) + 2×log₂(4) = 5 bps/Hz를 달성하며, 동일 조건에서 기존 SM은 단지 4 bps/Hz에 그친다.
• RF 체인 요구량을 K=2로 줄여, 전체 MIMO에 비해 하드웨어 비용과 전력 소비를 크게 감소시킨다.
• 기호당 오직 하나의 활성 안테나 그룹만 사용함으로써 시스템은 인터-채널 간섭을 방지하고 동기화를 단순화한다.
• 순수한 SM에 비해 상당한 스펙트럼 효율 향상을 달성하면서도 MRRC를 사용한 저복잡도 검출을 유지한다.
• 논문은 향후 연구를 위한 유망한 방향으로, 실용적 구현을 위한 더욱 낮은 복잡도의 검출 알고리즘 개발을 지적한다.