[논문 리뷰] A Fair Comparison Between Spatial Modulation and Antenna Selection in Massive MIMO Systems

Bernhard Gäde, Ali Bereyhi외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 03.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 단일 RF 체인을 갖는 매크로 MIMO 시스템에서 안테나 선택(AS)과 공간 모odulation(SM) 간의 공정한 성능 비교를 제시하며, 안테나 스위칭 및 스펙트럼 마스크 준수와 같은 실용적 제약 조건을 고려한다. 수신 안테나 수가 클 경우 SM이 비트 오류율(Bit Error Rate, BER) 측면에서 AS를 능가함을 보이며, 수신 어레이 크가 증가할수록 성능 교차점이 감소함을 확인하여 SM이 업링크 매크로 MIMO에 적합함을 시사한다.

ABSTRACT

Both antenna selection and spatial modulation allow for low-complexity MIMO transmitters when the number of RF chains is much lower than the number of transmit antennas. In this manuscript, we present a quantitative performance comparison between these two approaches by taking into account implementational restrictions, such as antenna switching. We consider a band-limitedMIMO system, for which the pulse shape is designed, such that the outband emission satisfies a desired spectral mask. The bit error rate is determined for this system, considering antenna selection and spatial modulation. The results depict that for any array size at the transmit and receive sides, antenna selection outperforms spatial modulation, as long as the power efficiency is smaller than a certain threshold level. By passing this threshold, spatial modulation starts to perform superior. Our investigations show that the threshold takes smaller values, as the number of receive antennas grows large. This indicates that spatial modulation is an effective technique for uplink transmission in massive MIMO systems.

연구 동기 및 목표

• 실제 하드웨어 제약 조건 하에서 매크로 MIMO 시스템에서 안테나 선택(AS)과 공간 모odulation(SM) 간의 공정한 성능 비교를 수행하는 것.
• 유한한 안테나 스위칭 시간이 AS 및 SM의 스펙트럼 효율성과 비트 오류율(BER)에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 수신 안테나 수가 AS와 SM 간의 성능 교차점에 미치는 영향을 평가하는 것.
• Slepian 창 필터를 통한 펄스 shaping을 통해 동일한 스펙트럼 마스크 제약 조건과 동일한 대역폭 사용을 보장함으로써 공정한 비교를 확보하는 것.
• 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성 측면에서 SM이 AS를 능가하기 시작하는 조건을 규명하는 것.

제안 방법

• 시스템 모델은 단일 RF 체인과 스위칭 네트워크를 사용하여 각 타임슬롯에 단일 송신 안테나만 활성화되도록 하며, 동일한 하드웨어 제약 조건 하에서 AS와 SM을 모델링한다.
• 스펙트럼 마스크 요구 조건을 충족시키기 위해 Slepian 창을 펄스 shaping 필터로 사용하여, 동일한 밖으로의 방출 제약 조건 하에서 공정한 비교를 가능하게 한다.
• 비트 오류율(BER)은 주로 주파수 평탄한 Rayleigh fading 환경과 수신기에서의 완벽한 CSI를 가정하여 유도하고 수치적으로 평가한다.
• 스위칭과 채널 추정에 소요되는 시간을 고려하여 스펙트럼 효율성을 계산하며, AS는 코herence 간격당 한 번의 스위칭을 가정하고 SM은 심볼당 한 번의 스위칭을 요구한다.
• 다양한 시나리오에서 성능 비교를 수행한다: QPSK 및 8QAM 변조 방식, 다양한 수의 송신 및 수신 안테나, 유한한 스위칭 시간.
• 특히 SM에서 심볼당 스위칭이 발생하므로, 스펙트럼 효율성과 스위칭 오버헤드 간의 상호 교환 관계를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 스펙트럼 마스크 및 대역폭 제약 조건 하에서, 단일 RF 체인을 갖는 매크로 MIMO에서 AS와 SM 중 어느 기술이 더 낮은 비트 오류율을 달성하는가?
• RQ2 수신 안테나 수가 AS와 SM 간의 성능 교차점에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 유한한 안테나 스위칭 시간이 SM의 스펙트럼 효율성과 구현 가능한 데이터 전송률에 미치는 영향은 AS와 비교하여 어떠한가?
• RQ4 모드 변조 방식을 높여(예: QPSK에서 8QAM로) 할 경우, AS와 SM 간의 상대적 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 SM이 AS를 능가하기 시작하는 전력 효율 수준은 무엇이며, 이 임계값은 시스템 파라미터에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 모든 송신 및 수신 안테나 수에 대해, 전력 효율성이 특정 임계값 이하일 경우 안테나 선택(AS)이 공간 모odulation(SM)을 능가한다.
• 전력 효율성이 이 임계값을 초과하면 SM이 AS를 능가하기 시작하며, 이 교차점은 수신 안테나 수가 증가할수록 감소한다.
• 8QAM 변조 및 64개의 송신 안테나를 사용할 경우, SM은 약 2.29비트/채널 사용당의 스펙트럼 효율성을 달성하는 반면, AS는 약 2.14비트/채널 사용당을 달성하여 고차원 변조에서 SM의 우월성을 보여준다.
• 유한한 스위칭 시간은 SM의 스펙트럼 효율성에 상당한 제한을 가한다. SM은 심볼당 한 번의 스위칭을 요구하지만, AS는 코herence 간격당 한 번의 스위칭만 요구하기 때문이다.
• 8QAM과 같은 고차원 변조 방식을 사용할 경우, SM의 스펙트럼 효율성 향상 덕분에 AS와 SM 간의 성능 교차점이 더 낮은 신호 대 잡음비(SNR)로 이동한다.
• SM은 중간 수준의 데이터 전송 속도를 갖는 업링크 매크로 MIMO 시나리오에 특히 적합하며, 그 이유는 다양성 이득과 높은 스펙트럼 효율성이 스위칭 오버헤드를 상쇄하기 때문이다.