[論文レビュー] Spatial Modulation- Spatial Multiplexing in Massive MIMO

Garimella Rama Murthy, Kunal Sankhe|arXiv (Cornell University)|May 7, 2016

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スペクトル効率を向上させつつRFチェーンの要件を低減するため、マスティブ MIMO システムにハイブリッド空間多重−空間 multiplexing (SM-SM) 方式を提案する。アンテナをグループ化し、各グループから1本のアクティブアンテナを選択して空間多重を実行することで、2つのRFチェーンでのみ5ビット/秒/Hzのスペクトル効率を達成し、従来のSMを上回り、低複雑度の検出が可能になる。

ABSTRACT

Massive MIMO, a candidate for 5G technology, promises significant gains in wireless data rates and link reliability by using large numbers of antennas (more than 64) at the base transceiver station (BTS). Extra antennas help by focusing the transmission and reception of signal energy into ever-smaller regions of space. This brings huge improvements in throughput. However, it requires a large number of Radio Frequency (RF) chains (usually equal to number of transmit antennas), which is a major drawback. One approach to overcome these issues is to use Spatial Modulation (SM). In SM, an index of transmit antenna is used as an additional source of information to improve the overall spectral efficiency. In particular, a group of any number of information bits is mapped into two constellations: a signal constellation based on modulation scheme and a spatial constellation to encode the index of the transmit antenna. However, a low spectral efficiency is main drawback of SM. Therefore, a combination of SM with Spatial Multiplexing is an effective way to increase spectral efficiency with limited number of RF chains.

研究の動機と目的

• マスティブ MIMO システムにおける高いRFチェーン要件を低減し、ハードウェアコストと消費電力を削減すること。
• 従来の空間多重（SM）の限界されたスペクトル効率（1回の送信で1本のアクティブアンテナしか使用しない）を克服すること。
• 空間多重と空間多重を組み合わせることで、RFチェーン数を増やさずにスペクトル効率を向上させること。
• 実用的なマスティブ MIMO における実装に適した低複雑度の検出フレームワークを実現すること。
• 大規模アンテナアレイにおけるスペクトル効率、ハードウェア複雑度、受信機性能の間の実用的なトレードオフを示すこと。

提案手法

• システムは、全N本の送信アンテナをN/Kのグループに分割し、各グループにK本のアンテナを含める。ここでKはRFチェーン数である。
• log₂(K)ビットのインデックスにより、N/K個のグループのうち1つがアクティブに選択され、空間コンステレーションが決定される。
• 残りのN/K × log₂(M)ビットは、K個のグループに分けられ、各グループにlog₂(M)ビットが割り当てられ、M-QAMを用いて同時に変調され送信される。
• 受信機は最大比率合成（MRRC）を用いて、アクティブなアンテナグループを検出し、送信シンボルを推定する。
• 空間デモジュレータは、空間インデックスと変調シンボルを同時に復元することで、元のビットストリームを復元する。
• 1回のシンボルで1つのグループのみがアクティブになるようにすることで、アンテナ間の干渉を回避し、同期と検出を簡素化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間多重と空間多重を組み合わせることで、RFチェーン数を増やさずにマスティブ MIMO におけるスペクトル効率を向上させることができるか？
• RQ2 提案されたSM-SM方式は、従来の空間多重と完全な空間多重と比較して、スペクトル効率でどの程度優れているか？
• RQ3 限定的な数のRFチェーンを用いた場合、ハイブリッドSM-SM MIMOシステムの達成可能なスペクトル効率はどの程度か？
• RQ4 スペクトル効率を向上させながらも、検出の複雑度を低く維持できるか？
• RQ5 アンテナグループ化とM-QAM変調は、スペクトル効率とハードウェアコストの観点で、システム性能にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案されたSM-SM MIMO方式は、4本の送信アンテナとわずか2つのRFチェーンを用いて、5ビット/秒/Hzのスペクトル効率を達成した。
• M=4（QAM）の場合、log₂(2) + 2×log₂(4) = 5 bps/Hzの効率を達成し、同様の条件下で従来のSMが達成できる4 bps/Hzを上回った。
• RFチェーン要件をK=2にまで低減することで、完全なMIMOと比較して、ハードウェアコストと消費電力を顕著に削減した。
• 1シンボルあたり1つのアクティブアンテナグループのみを使用することで、チャンネル間干渉を回避し、同期を簡素化した。
• 純粋なSMと比較して顕著なスペクトル効率の向上を達成しながらも、MRRCを用いた低複雑度の検出を維持した。
• 今後の研究の有望な方向性として、実用的導入に向けたさらに低複雑度の検出アルゴリズムの開発が同定された。