[论文解读] A Fair Comparison Between Spatial Modulation and Antenna Selection in Massive MIMO Systems

Bernhard Gäde, Ali Bereyhi+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用 6

一句话总结

本文在单射频链的大规模MIMO系统中，考虑天线切换和频谱掩模合规等实际约束，对波束选择（AS）与空间调制（SM）进行了公平的性能比较。结果表明，当接收天线数量较大时，SM在误比特率方面优于AS，且性能交叉点随接收阵列尺寸增大而降低，表明SM适用于上行链路大规模MIMO。

ABSTRACT

Both antenna selection and spatial modulation allow for low-complexity MIMO transmitters when the number of RF chains is much lower than the number of transmit antennas. In this manuscript, we present a quantitative performance comparison between these two approaches by taking into account implementational restrictions, such as antenna switching. We consider a band-limitedMIMO system, for which the pulse shape is designed, such that the outband emission satisfies a desired spectral mask. The bit error rate is determined for this system, considering antenna selection and spatial modulation. The results depict that for any array size at the transmit and receive sides, antenna selection outperforms spatial modulation, as long as the power efficiency is smaller than a certain threshold level. By passing this threshold, spatial modulation starts to perform superior. Our investigations show that the threshold takes smaller values, as the number of receive antennas grows large. This indicates that spatial modulation is an effective technique for uplink transmission in massive MIMO systems.

研究动机与目标

• 在真实硬件约束下，对单射频链大规模MIMO系统中的波束选择（AS）与空间调制（SM）进行公平的性能比较。
• 分析有限天线切换时间对AS与SM的频谱效率和误比特率（BER）的影响。
• 评估接收天线数量对AS与SM性能交叉点的影响。
• 通过Slepian窗脉冲整形确保相同的频谱掩模约束和带宽使用，实现公平比较。
• 确定SM在能量效率和频谱效率方面优于AS的条件。

提出的方法

• 系统模型采用单射频链和开关网络，每个时隙仅激活一个发射天线，从而在相同硬件约束下建模AS与SM。
• 采用Slepian窗作为脉冲整形滤波器，以满足频谱掩模要求，确保在相同的带外发射约束下实现公平比较。
• 在频率平坦瑞利衰落信道和接收端完美信道状态信息（CSI）条件下，推导并数值评估AS与SM的误比特率（BER）。
• 频谱效率的计算考虑了切换和信道估计所花费的时间，其中AS假设每个相干间隔仅切换一次，而SM则每个符号都需要一次切换。
• 在多种场景下进行性能比较：QPSK与8QAM调制星座图、不同数量的发射与接收天线，以及有限的切换时间。
• 分析了频谱效率与切换开销之间的权衡，尤其关注SM中每个符号后均需切换的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相同的频谱掩模和带宽约束下，单射频链大规模MIMO中，AS与SM哪一种技术能实现更低的误比特率？
• RQ2 接收天线数量如何影响AS与SM之间的性能交叉点？
• RQ3 有限天线切换时间对SM的频谱效率和可实现数据速率的影响如何，相较于AS？
• RQ4 调制阶数提高（如从QPSK到8QAM）如何影响AS与SM的相对性能？
• RQ5 SM在何种能量效率水平下开始优于AS？该阈值如何随系统参数变化？

主要发现

• 对于任意数量的发射与接收天线，当能量效率低于某一阈值时，波束选择（AS）优于空间调制（SM）。
• 当能量效率超过该阈值后，SM开始优于AS，且该交叉点随接收天线数量的增加而降低。
• 在8QAM调制和64个发射天线条件下，SM的频谱效率约为2.29比特/信道使用，而AS约为2.14比特/信道使用，表明SM在高阶调制下具有优势。
• 有限切换时间显著限制了SM的频谱效率，因为SM每个符号后都需要切换，而AS仅在每个相干间隔内切换一次。
• 当使用更高阶调制星座图（如8QAM）时，AS与SM之间的性能交叉点向更低的信噪比（SNR）移动，这是由于SM的频谱效率增益更大。
• SM特别适用于中等数据速率的上行链路大规模MIMO场景，其分集增益和频谱效率可克服切换开销的影响。