[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了超球面上的相位偏移键控（PSKH），一种高效能的MIMO调制方案，其中星座点被放置在多维超球面上，以实现峰均总功率比（PASPR）为1。通过使用球面插值和负载调制发射机，PSKH实现了更高的功率效率、更低的带宽需求以及更低的接收机复杂度，相较于传统的PSK和PAM调制方案，其性能权衡在PASPR、带宽和复杂度方面得到了分析。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于负载调制发射机、具有最小回退的高效能MIMO调制方案。
• 通过将星座点分布在超球面上，解决传统MIMO系统中PASPR过高的问题。
• 通过超球面上的球面插值，降低带宽需求并提高功率效率。
• 分析PSKH系统中PASPR、带宽、功率效率与接收机复杂度之间的权衡。
• 提出并比较适用于实际实现的复杂度降低技术。

提出的方法

• 提出超球面上的相位偏移键控（PSKH），将星座点分布在多维超球面上，以实现PASPR = 1。
• 应用球面插值以在超球面上生成平滑的连续时间信号，从而降低发射波形的PASPR。
• 采用负载调制发射机，由于PSKH信号具有恒包络特性，可在低回退条件下高效运行。
• 以传统的脉冲幅度调制（PAM）为基础，随后进行球面映射，以维持低PASPR。
• 设计与PSKH的超球面星座结构相匹配的相应接收机技术。
• 引入并比较复杂度降低技术，以减轻信号处理中的计算负载。

实验结果

研究问题

• RQ1 MIMO系统如何在连续时间传输中实现高功率效率，同时保持低PASPR？
• RQ2 脉冲整形与球面插值对PSKH信号的PASPR和带宽效率有何影响？
• RQ3 PSKH与传统PSK和PAM相比，在功率效率和接收机复杂度方面表现如何？
• RQ4 PSKH系统中PASPR、频谱效率与实现复杂度之间的权衡关系是什么？
• RQ5 哪些复杂度降低技术在实际PSKH接收机设计中最为有效？

主要发现

• 由于PSKH的超球面星座结构，其PASPR恰好为1，从而支持高效的负载调制传输。
• 球面插值在超球面上生成平滑的连续信号，显著降低了连续时间域中的PASPR。
• 采用PSKH可显著提高功率效率，通过最小化功率放大器的回退实现。
• 由于受控的信号包络和平滑信号过渡带来的减少带外辐射，带宽效率得到提升。
• 复杂度降低技术在不造成显著性能下降的前提下降低了计算负载，使实际实现成为可能。
• 所提出的系统在PASPR、带宽、功率效率与接收机复杂度之间实现了有利的权衡，在关键指标上优于传统PSK和PAM。