[論文レビュー] Constellation Design for Transmission over Nonlinear Satellite Channels

Farbod Kayhan, G. Montorsi|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2012

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ピーク電力制約下での対称的実用的容量を最大化するために、対称性制約付きシミュレーテッド・アニーリング法を用いて、DVB-S2 4+12+16-APSK 標準用に最適化された 32-APSK スペクトルと、新規のグレイ符号化を提案する。最適化されたスペクトルは、非線形衛星回線（プリディストーション有無にかかわらず）で DVB-S2 の標準 32-APSK より最大 0.5 dB のゲインを達成する。一方、新規符号化は、すべてのシナリオで 0.15 dB の追加ゲインをもたらす。

ABSTRACT

In this paper we use a variation of simulated annealing algorithm for optimizing two-dimensional constellations with 32 signals. The main objective is to maximize the symmetric pragmatic capacity under the peak-power constraint. The method allows the joint optimization of constellation and binary labeling. We also investigate the performance of the optimized constellation over nonlinear satellite channel under additive white Gaussian noise. We consider the performance over systems with and without pre-distorters. In both cases the optimized constellations perform considerably better than the conventional Amplitude Phase Shift Keying (APSK) modulations, used in the current digital video broadcasting standard (DVB-S2) on satellite channels. Based on our optimized constellations, we also propose a new labeling for the 4+12+16-APSK constellation of the DVB-S2 standard which is Gray over all rings.

研究の動機と目的

• ピーク電力制約下での 2D スペクトル最適化により、非線形衛星回線におけるスペクトル効率と耐障害性を向上させること。
• 相互情報量ではなく、対称的実用的容量を最大化するために、スペクトル幾何学的配置とバイナリ符号化を同時に最適化すること。
• 対称性制約を課すことにより、高次スケール（例：32 ポイント）のシミュレーテッド・アニーリングの計算効率を高める変種を開発すること。
• DVB-S2 4+12+16-APSK スペクトル用に、すべてのリングでグレイ符号化が可能な新規のグレイ符号化を提案し、ビット誤り率性能を向上させること。
• プリディストーション技術を有する・無しの両方の実際の非線形衛星システムにおける性能向上を評価すること。

提案手法

• 32 ポイントスケールのための、シミュレーテッド・アニーリング法の変種が、スケール点の配置とバイナリ符号化を同時に最適化するために用いられる。
• 探索空間の縮小とシミュレーテッド・アニーリングの収束速度の向上を目的として、スケールに対称性条件を課す。
• 最適化の目的は、ピーク電力制約下での対称的実用的容量であり、スケール形状と符号化の両方を組み込む。
• この手法は 64 ポイントスケールへと拡張され、内側にクロス 32-QAM を持つハイブリッド構造と外側のリング点が得られた。
• 各リングに偶数個の点が存在する場合に限り、APSK スケールの各リングに対してグレイマッピングを構築可能であることを示す構成的証明が提供される。
• 性能評価は、TWTA 非線形性、SRRC フィルタリング、および AWGN を含む実際の非線形衛星チャネルモデルを用い、プリディストーション有無の両方で実施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シミュレーテッド・アニーリングを用いた、スペクトル幾何学的配置と符号化の共同最適化が、非線形衛星回線における実用的容量を顕著に向上させ得るか？
• RQ2 対称性制約は、高次スケールにおけるシミュレーテッド・アニーリングの収束性と性能にどのように影響するか？
• RQ3 最適化された 32-APSK スペクトルは、非線形条件下で DVB-S2 の標準 32-APSK よりどの程度の性能向上を達成できるか？
• RQ4 DVB-S2 4+12+16-APSK に、すべてのリングでグレイ符号化が可能な新規のグレイ符号化を構築でき、測定可能な性能向上をもたらすか？
• RQ5 静的および動的プリディストーション技術は、最適化されたスケールと非線形衛星システム内でどのように相互作用するか？

主な発見

• 最適化された 32-APSK スペクトルは、システム構成に応じて、非線形衛星回線で DVB-S2 の標準 32-APSK より 0.2 ～ 0.5 dB のゲインを達成する。
• 提案された対称性制約付きシミュレーテッド・アニーリング法により、従来のシミュレーテッド・アニーリングでは計算的に非現実的であった 32 ポイントスケールの最適化が可能になった。
• 4+12+16-APSK スペクトル用に提案された新規グレイ符号化は、DVB-S2 の標準符号化と比較して、すべてのシステムシナリオで約 0.15 dB の性能向上を実現する。
• 64 ポイントスケールでは、最適化された構造が内側にクロス 32-QAM クラスタと外側のリング点を有し、標準の 4+12+18+30-APSK よりも約 0.15 dB のゲインを示す。
• 性能向上は、プリディストーション有無にかかわらず一貫しており、非線形歪みに対して高いロバストネスを示す。
• 理論的分析により、各リングに偶数個の点が存在する場合に限り、すべてのリングでグレイ符号化が可能であることが確認され、構成的生成法が提示された。