[论文解读] Performance of Media-based Modulation in Multi-user Networks

Merve Yüzgeçcioğlu, Eduard A. Jorswieck|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用 3

一句话总结

本文研究了多用户网络中的基于媒体的调制（MBM），表明尽管星座点之间存在相关性，频谱效率依然保持较高水平。通过建模多用户多址接入（MAC）系统的速率区域，推导出可达速率的紧致边界，并证明随着星座点数量增加，相关性的影响逐渐减弱，系统性能渐近逼近AWGN容量。

ABSTRACT

High spectral efficiency and low power consumption are the most challenging requirements of 5G networks since the number of devices are increased drastically. Media-based modulation (MBM) is a promising scheme in order to achieve these requirements. In this paper, the spectral efficiency of MBM scheme in single- and multi-user networks is studied. To find the spectral efficiency, information theoretical methods are used and tight lower- and upper-bounds are derived for the achievable rate. The performance of the system is studied for both correlated and uncorrelated constellation diagrams. It is shown that the entries of the constellation diagram for the sum rate region of multi-user case are always correlated. The characteristic of covariance matrix is derived and its impact on performance assessed.

研究动机与目标

• 分析单用户和多用户无线网络中基于媒体的调制（MBM）的频谱效率。
• 研究星座图元素之间的相关性对可达速率性能的影响。
• 为单用户和多用户（MAC）场景推导可达速率的紧致下界和上界。
• 表征多用户系统中联合星座图的协方差结构，并评估其对和速率的影响。
• 评估系统性能如何随着星座点数M的增加而趋近于遍历容量区域。

提出的方法

• 使用信息论方法，推导单用户和多用户衰落信道中MBM的可达速率的紧致下界和上界。
• 将MBM系统建模为高斯混合信道，其中星座点通过信道扰动生成，共有M = 2^NP种可能的点。
• 推导K用户MAC中联合星座图的协方差矩阵Σ，表明其具有KM^{K−1}个最大特征值和K(M−1)个值为M^{K−1}的特征值，其余特征值为零。
• 应用副本法近似可达速率区域，并通过蒙特卡罗仿真验证边界。
• 将MBM性能与AWGN MAC的遍历容量区域进行比较，并在不同信噪比（SNR）和星座点数下评估差距。
• 采用分层MIMO-MBM框架和递归译码以降低复杂度，实现实际应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单用户MBM系统中，星座图元素的相关性如何影响可达频谱效率？
• RQ2 在K用户多址接入信道（MAC）中，联合星座图的协方差矩阵结构如何？
• RQ3 MAC系统中MBM的可达速率区域与AWGN MAC的遍历容量区域相比如何？
• RQ4 随着星座点数M增加，MBM与AWGN容量之间的性能差距是否会消失？
• RQ5 增加用户数K和调制点数M对协方差矩阵的零空间和特征值分布有何影响？

主要发现

• 对于M = 256、NP = 8的单用户系统，星座点间强相关性导致的速率退化仅为0.1 bit/s/Hz。
• 在NP = 3扰动下，2用户MAC系统的可达速率区域接近AWGN容量区域，即使在20 dB SNR下也仅有微小差距。
• K用户MAC中联合星座图的协方差矩阵具有KM^{K−1}个最大特征值和K(M−1)个值为M^{K−1}的特征值，其余特征值为零。
• 当K = 3且M = 3时，27个特征值中有20个为零，表明存在较大的零空间，且其随K和M增大而增长。
• 当M → ∞时，非零特征值占主导地位，相关性影响消失，系统性能渐近逼近容量。
• MBM与AWGN容量之间的和速率差距大于单用户速率差距，这是由于联合星座图中固有的相关性所致。