[논문 리뷰] A Survey on Design and Performance of Higher-Order QAM Constellations

Praveen Kumar Singya, Parvez Shaik외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 30.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 364인용 수 14

한 줄 요약

이 종합 검토는 고차원 QAM 조합체—특히 스타 QAM, XQAM, 그리고 육각형 QAM(HQAM)—에 대한 철저한 분석을 제시하며, 설계, 성능 지표, 그리고 5G 초과 시스템에의 적합성을 중심으로 다룬다. 이 연구는 기존의 정사각형 및 직사각형 QAM에 비해 비정규형 HQAM이 더 뛰어난 전력 효율성을 보임을 입증하여, 고속 데이터 전송, 대역폭 및 에너지 제약이 있는 무선 시스템에 최적임을 시사한다.

ABSTRACT

As the research on beyond 5G heats up, we survey and explore power and bandwidth efficient modulation schemes in details. In the existing publications and in various communication standards, initially square quadrature amplitude modulation (SQAM) constellations (even power of 2) were considered. However, only the square constellations are not efficient for varying channel conditions and rate requirements, and hence, odd power of 2 constellations were introduced. For odd power of 2 constellations, rectangular QAM (RQAM) is commonly used. However, RQAM is not a good choice due to its lower power efficiency, and a modified cross QAM (XQAM) constellation is preferred as it provides improved power efficiency over RQAM due to its energy efficient two dimensional (2D) structure. The increasing demand for high data-rates has further encouraged the research towards more compact 2D constellations which lead to hexagonal lattice structure based constellations, referred to as hexagonal QAM (HQAM). In this work, various QAM constellations are discussed and detailed study of star QAM, XQAM, and HQAM constellations is presented. Generation, peak and average energies, peak-to-average-power ratio, symbol-error-rate, decision boundaries, bit mapping, Gray code penalty, and bit-error-rate of star QAM, XQAM, and HQAM constellations with different constellation orders are presented. Finally, a comparative study of various QAM constellations is presented which justifies the supremacy of HQAM over other QAM constellations. With this, it can be claimed that the use of the HQAM in various wireless communication systems and standards can further improve the performance targeted for beyond 5G wireless communication systems.

연구 동기 및 목표

• 다음 세대 무선 시스템을 위한 기존의 정사각형 QAM을 초월한 고차원 QAM 조합체의 설계 및 성능을 분석하기 위해.
• 다양한 채널 조건 및 저전력 환경에서 직사각형 QAM(RQAM)의 한계를 규명하기 위해.
• 더 나은 전력 및 스펙트럼 효율성을 위해 XQAM 및 HQAM과 같은 대체 조합체를 평가하기 위해.
• 에너지 효율성, 비트 오류율, 피크 대 평균 전력 비율 등의 주요 지표를 기반으로 스타 QAM, XQAM, HQAM를 비교하기 위해.
• 특히 비정규형 HQAM을 향후 5G 및 초과 무선 통신 표준의 최적 조합체로 설정하기 위해.

제안 방법

• 다양한 성능 지표를 기반으로 스타 QAM, XQAM, HQAM 간의 상세한 비교 연구를 수행하기 위해.
• 조합체 기하학, 의사결정 경계, 비트 매핑 전략(그레이 코드 매핑 및 그에 따른 손실 포함)을 분석하기 위해.
• 각 조합체 유형에 대해 피크 및 평균 신호 에너지를 유도하고 비교하며, 피크 대 평균 전력 비율(PAPR)을 계산하기 위해.
• 다양한 조합체 순서에서 가우시안 노이즈가 가미된 가우시안 잡음(AWGN) 환경 하에서 심볼 오류율(SER) 및 비트 오류율(BER) 성능을 평가하기 위해.
• 정규형 및 비정규형 HQAM의 구조를 모델링하여 희미한 채널에서의 에너지 효율성과 내구성을 평가하기 위해.
• 분석적 유도와 시뮬레이션 기반 성능 평가를 통해 모든 조합체 간의 스펙트럼 및 전력 효율성을 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스타 QAM, XQAM, HQAM의 에너지 효율성과 전력 효율성은 기존의 정사각형 QAM 및 직사각형 QAM에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ2 조합체 형태(정사각형, 직사각형, 십자형, 육각형)가 비트 오류율(BER)과 심볼 오류율(SER)에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 비정규형 HQAM 설계는 정규형 HQAM 및 기타 QAM 유형에 비해 전력 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 비트 매핑 및 그레이 코드 손실이 고차원 QAM 조합체의 BER 성능을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 HQAM은 고속 데이터 전송 시스템에서 피크 대 평균 전력 비율(PAPR)을 얼마나 줄이고 스펙트럼 효율성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 비정규형 육각형 QAM(HQAM)은 정사각형 QAM, 직사각형 QAM(RQAM), 십자형 QAM(XQAM)에 비해 뛰어난 전력 효율성을 보이며, 고속 데이터 전송에 있어 가장 에너지 효율적인 조합체임을 입증한다.
• XQAM는 이중 차원의 전력 효율적인 구조 덕분에 RQAM보다 전력 효율성이 뛰어나 동일한 BER에서 평균 송신 전력을 감소시킨다.
• HQAM는 특히 고조합체 순서에서 정사각형 QAM 및 직사각형 QAM보다 더 뛰어난 스펙트럼 효율성과 낮은 PAPR을 달성한다.
• 이 연구는 HQAM, 특히 비정규형 HQAM이 특정 BER에서 요구되는 신호 대 잡음비(SNR)를 감소시켜 시스템 신뢰성을 향상시킴을 확인한다.
• 그레이 코드 매핑을 통한 비트 매핑은 모든 QAM 유형에서 BER을 감소시키지만, 대칭적이고 밀집된 조합체 구조 덕분에 HQAM에서 성능 향상이 가장 두드러진다.
• HQAM의 확률적 형태 조정이 5G 초과 시스템에서 에너지 효율성을 추가로 향상시키기 위한 유망한 미래 방향으로 확인되었다.