[論文レビュー] Advanced transceivers for spectrally-efficient communications

Andrea Modenini|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2014

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 52被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、周波数選択的および衛星チャネルにおけるスペクトル効率の向上を目的として、チャネル短縮（CS）およびタイムパッキング（TF）技術に焦点を当てた高度な受信機設計を提案する。複雑さの制約下で送信パルス形状と受信機検出を最適化することにより、周波数選択的および衛星チャネルにおいて、変調、符号化、検出の共同最適化によって、DVB-S2を上回る最大30％のスペクトル効率向上を達成する。

ABSTRACT

In this thesis, we will consider techniques to improve the spectral efficiency of digital communication systems, operating on the whole transceiver scheme. First, we will focus on receiver schemes having detection algorithms with a complexity constraint. We will optimize the parameters of the reduced detector with the aim of maximizing the achievable information rate. Namely, we will adopt the channel shortening technique. Then, we will focus on a technique that is getting very popular in the last years (although presented for the first time in 1975): faster-than-Nyquist signaling, and its extension which is time packing. Time packing is a very simple technique that consists in introducing intersymbol interference on purpose with the aim of increasing the spectral efficiency of finite order constellations. Finally, in the last chapters we will combine all the presented techniques, and we will consider their application to satellite channels.

研究の動機と目的

• 帯域制約のある通信システム（衛星および無線ネットワークを含む）における高スペクトル効率の需要増大に対応する。
• 固定メモリと非最適検出を特徴とする従来の受信機の限界を、複雑さの制約下でのトランスミッタ・レシーバパrameterの最適化によって克服する。
• 周波数選択的フェージングおよび衛星チャネルにおける到達可能な情報レート（AIR）を、送信形状と受信機検出の共同最適化によって最大化する。
• 特に受信機メモリが限られたシステムに適した、容量に近い性能を達成しつつ複雑さを低減した実用的なトランスミッタ・レシーバ設計を開発する。
• 予め歪みを補償する技術と、チャネル短縮などの高度な検出技術を組み合わせることで、非線形衛星チャネルにおけるスペクトル効率の高い伝送を実現する。

提案手法

• 受信機における有効チャネルメモリを短縮するため、チャネル短縮（CS）検出を採用し、BCJRアルゴリズムを用いた低複雑度の最大後確信度（MAP）検出を可能にする。
• 到達可能な情報レート（AIR）の制約付き最適化に基づき、周波数応答上での水位割り当てに類似したパワー配分戦略を用いて、送信パルス形状を最適化する。
• 制約付きEuler-Lagrange問題の解として最適送信スペクトル $ S_p( heta) $ を定式化し、ヘルミート対称係数 $ A_\tau $ を含む一般形を得る。$ S_p(\theta) = 0 $ は有効帯域外で成立する。
• タイムパッキング（TF）を、制御された符号間干渉（ISI）を意図的に導入することでスペクトル効率を向上させる、ネイピア速度を超える信号方式として導入する。
• マッチフィルタリングとトレリス処理を用いてISIを低減しつつ、低複雑さを維持する、タイムパッキングとチャネル短縮検出を組み合わせたハイブリッドトランスミッタ・レシーバを設計する。
• MIMO-ISIおよび連続時間チャネルにこの手法を適用し、ブロックトーペリッツチャネル表現を用いて、多アンテナおよびアナログドメインシステムへのCSフレームワークの拡張を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受信機メモリと複雑さの制約下で、周波数選択的フェージングチャネルにおける到達可能な情報レート（AIR）をどのように最大化できるか？
• RQ2 受信機のメモリが限られ、低複雑度検出器が使用される状況下で、スペクトル効率を最大化する最適な送信パルス形状は何か？
• RQ3 タイムパッキングとチャネル短縮が、入力バックオフ（IBO）制約がある非線形衛星チャネルで、どれほどスペクトル効率を向上させられるか？
• RQ4 送信プリディストーションと高度な検出（例：CS）を組み合わせた手法と、従来のDVB-S2システムとを比較した場合、スペクトル効率およびロールオフ要件において、どのような差が生じるか？
• RQ5 一般の周波数選択的チャネルに対して、最適送信スペクトルを解析的に導出可能か？また、最適性のための必要条件は何か？

主な発見

• 提案されたトランスミッタ・レシーバ設計は、ロールオフ 0.2 の DVB-S2 よりも最大30％高いスペクトル効率を達成し、タイムパッキングと高度な検出を併用した QPSK および 16APSK で実現される。
• QPSK にタイムパッキングと最適帯域を適用した場合、受信機メモリ $ L_r = 1 $ の条件下でスペクトル効率が 6.5 bps/Hz に達し、従来のシステムを著しく上回る。
• 最適送信スペクトル $ S_p^{\text{opt}}(\theta) $ は、$ S_p^{\text{opt}}(\theta) = \frac{N_0}{\sqrt{|H(\theta)|^2} \sqrt{\sum_{\ell=-L}^{L} A_\ell e^{j\ell\theta}}} - \frac{N_0}{|H(\theta)|^2} $ として導出され、$ S_p(\theta) > 0 $ である有効帯域内でのみ有効である。
• ルートローゼッドコサイン（RRC）パルスと $ \alpha = 0.2 $ を用いたタイムパッキングでは、QPSK で 5.2 bps/Hz を達成するが、ロールオフを $ \alpha = 0.05 $ に低減させることで、標準DVB-S2に比べ最大15％の向上を達成する。
• 非線形衛星チャネル（IBO = 0 dB）における8PSKでは、提案されたCSベースの受信機を用いることで、AIRが4.8 bps/Hzに達し、非線形性に対して高いロバストネスを示す。
• 最適化から導かれた水位割り当てベースの送信フィルタは、係数集合 $ \{A_\ell\} $ が $ \sum_{\ell} A_\ell e^{j\ell\omega} = \gamma |H(\omega)|^2 $ を満たす場合にのみ、最適CSスペクトルと一致する。これは、実現可能性のための $ \nu_C \geq \nu $ の条件を必要とする。