[論文レビュー] Phase Shift Keying on the Hypersphere: Power-Efficient MIMO Communications.

Christoph Rachinger, Ralf R. Müller+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2016

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 18被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ピーク対平均和電力比（PASPR）が1に達するように、多次元ハイパースフィア上に信号点を配置するパワー効率の高いMIMO変調方式、ハイパースフィア上での位相シフトキーイング（PSKH）を提案する。球面補間と負荷変調型送信機を用いることで、従来のPSKおよびPAMと比較して高いパワー効率、低帯域幅、低い受信機の複雑さを実現し、PASPR、帯域幅、複雑さのトレードオフを分析する。

ABSTRACT

Phase Shift Keying on the Hypersphere (PSKH), a generalization of conventional Phase Shift Keying (PSK) for Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems, is introduced. In PSKH, constellation points are distributed on a multidimensional hypersphere. The use of such constellations with a Peak-To-Average-Sum-Power-Ratio (PASPR) of 1 allows to use load-modulated transmitters which can cope with a small backoff, which in turn results in a high power efficiency. In this paper, we discuss several methods how to generate PSKH constellations and compare their performance. After applying conventional Pulse-Amplitude Modulation (PAM), the PASPR of the continuous time PSKH signal depends on the choice of the pulse shaping method. This choice also influences bandwidth and power efficiency of a PSKH system. In order to reduce the PASPR of the continuous transmission signal, we use spherical interpolation to generate a smooth signal over the hypersphere and present corresponding receiver techniques. Additionally, complexity reduction techniques are proposed and compared. Finally, we discuss the methods presented in this paper regarding their trade-offs with respect to PASPR, bandwidth, power efficiency and receiver complexity.

研究の動機と目的

• 負荷変調型送信機に適した、最小限のバックオフで運用可能なパワー効率の高いMIMO変調方式の開発。
• 従来のMIMOシステムにおける高いPASPRの課題を、信号点をハイパースフィア上に分散させることで解決。
• ハイパースフィア上での球面補間により、信号の滑らかさを確保し、帯域幅を削減し、パワー効率を向上。
• PSKHシステムにおけるPASPR、帯域幅、パワー効率、受信機の複雑さのトレードオフを分析。
• 実装に向けた複雑さ低減技術の提案と比較。

提案手法

• PASPR = 1を達成するために、多次元ハイパースフィア上に信号点を配置するハイパースフィア上での位相シフトキーイング（PSKH）を提案。
• 球面補間を適用し、ハイパースフィア上での滑らかで連続的な信号を生成することで、送信波形におけるPASPRを低減。
• PSKH信号の定圧特性のおかげで、バックオフを最小限に抑えられる高効率な負荷変調型送信機を採用。
• 従来のパルス振幅変調（PAM）をベースとし、PASPRを低く保つために球面マッピングを適用。
• ハイパースフィアの信号点構造に適合した、対応する受信技術を設計。
• 信号処理における計算負荷を低減するための複雑さ低減技術を導入・比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MIMOシステムは、連続時間伝送において、どのように高いパワー効率を維持しながらPASPRを低く保つか？
• RQ2 パルス整形および球面補間は、PSKH信号のPASPRおよび帯域効率にどのような影響を与えるか？
• RQ3 PSKHは、従来のPSKおよびPAMと比較して、パワー効率および受信機の複雑さにおいてどのように異なるか？
• RQ4 PSKHシステムにおいて、PASPR、スペクトル効率、実装の複雑さのトレードオフは何か？
• RQ5 実用的なPSKH受信機設計において、どの複雑さ低減技術が最も効果的か？

主な発見

• PSKHは、ハイパースフィアの信号点構造のおかげで、PASPRが正確に1に達し、負荷変調型伝送が高効率に可能になる。
• 球面補間により、ハイパースフィア上での滑らかで連続的な信号が得られ、連続時間領域におけるPASPRが顕著に低減される。
• PSKHの採用により、パワー増幅器におけるバックオフを最小限に抑え、高いパワー効率が実現される。
• 信号エンベロープの制御と滑らかな信号遷移による不要帯域外放射の低減により、帯域効率が向上する。
• 複雑さ低減技術により、計算負荷が低減されつつも、性能の著しい劣化が生じないため、実装が可能になる。
• 提案されたシステムは、PASPR、帯域幅、パワー効率、受信機の複雑さの間で良好なトレードオフを達成しており、主要指標において従来のPSKおよびPAMを上回る性能を発揮する。