基於稀疏零相關區陣列的空間調變系統訓練設計

Kernkonzepte

本文提出了一種基於新型二維陣列——稀疏零相關區（SZCZ）陣列——的空間調變（SM）系統訓練矩陣設計方法，並展示了其在多路徑通道中實現更精確通道估計的優勢。

Zusammenfassung

論文概述

本論文提出了一種用於空間調變 (SM) 系統的新型訓練矩陣設計，引入了稱為稀疏零相關區 (SZCZ) 陣列的新型二維 (2D) 陣列。論文首先介紹了零相關區 (ZCZ) 序列集及其在多輸入多輸出 (MIMO) 系統中的應用，然後引出空間調變技術及其在通道估計方面的挑戰。

SZCZ 陣列的定義與特性

SZCZ 陣列的特點是大部分元素為零，並且任何兩行在特定時間延遲範圍內都呈現零週期性自相關和互相關特性。論文詳細介紹了 SZCZ 陣列的定義、數學表示以及其作為 SM 系統訓練矩陣的優勢。

基於 2D RGBF 的 SZCZ 訓練矩陣構造方法

論文進一步介紹了二維受限廣義布林函數 (2D RGBFs) 的概念，並提出了基於 2D RGBFs 構造具有大 ZCZ 寬度和可控稀疏度的 SZCZ 訓練矩陣的直接方法。

模擬結果與分析

論文通過模擬比較了所提出的 SZCZ 訓練矩陣與現有的基於交叉 Z 補碼對 (CZCP) 和交叉 Z 補碼集 (CZCS) 的訓練矩陣在通道估計性能方面的差異。結果表明，所提出的 SZCZ 訓練矩陣在頻率選擇性衰落通道上具有更優的通道估計性能，特別是在多路徑環境下表現出更強的魯棒性。

結論

論文總結了基於 SZCZ 陣列的 SM 系統訓練矩陣設計方法的優勢，並指出其在未來無線通訊系統中的應用前景。

Statistiken

該 SZCZ 矩陣的大小為 4×64，稀疏度為 3/4，ZCZ 寬度為 8。
相比之下，相同大小的基於 CZCP 和 CZCS 的訓練矩陣的 ZCZ 寬度分別為 4 和 3。
模擬結果顯示，在信噪比為 12 dB 時，所提出的 SZCZ 矩陣在多路徑數超過其 ZCZ 寬度時仍能保持良好的 NMSE 性能，而基於 CZCP 和 CZCS 的訓練矩陣的性能則顯著下降。

Zitate

"與現有的基於 CZCP 和基於 CZCS 的訓練矩陣相比，所提出的 SZCZ 矩陣具有更大的 ZCZ 寬度，表明對延遲擴展具有更大的容忍度，並且不需要任何 CZCP 或 CZCS 作為核心序列。"

Wichtige Erkenntnisse aus

Sparse Zero Correlation Zone Arrays for Training Design in Spatial Modulation Systems

by Cheng-Yu Pai... um arxiv.org 11-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13878.pdf

Tiefere Fragen

在實際的 SM 系統部署中，如何根據具體的通道條件和系統需求選擇合適的 SZCZ 訓練矩陣參數？

在實際 SM 系統部署中，選擇合適的 SZCZ 訓練矩陣參數需要綜合考慮通道條件和系統需求，主要考慮以下幾個方面：

通道延遲擴展: SZCZ 矩陣的零相關區寬度 (ZCZ width) 決定了其對通道延遲擴展的容忍度。在實際部署中，需要先通過通道估計或其他方法獲取通道的延遲擴展信息，然後選擇 ZCZ 寬度大於通道延遲擴展的 SZCZ 矩陣，以確保通道估計的準確性。
系統資源: SZCZ 矩陣的稀疏度 (Sparsity level) 和長度 (Length) 會影響到系統的訓練開銷。較低的稀疏度和較短的長度意味著更低的訓練開銷，但也可能導致通道估計性能下降。因此，需要根據系統可用的時頻資源和對通道估計精度的要求，在訓練開銷和性能之間取得平衡。
計算複雜度: 構造 SZCZ 矩陣的算法複雜度也是一個需要考慮的因素。在實際部署中，需要選擇複雜度較低的構造方法，以降低系統的實現成本。
總之，選擇合適的 SZCZ 訓練矩陣參數需要在通道延遲擴展、系統資源和計算複雜度之間進行權衡。可以通過仿真或實驗的方式，針對不同的通道條件和系統需求，評估不同參數下的系統性能，從而選擇最優的 SZCZ 訓練矩陣。

除了通道估計之外，SZCZ 陣列是否還可以用於 SM 系統的其他方面，例如信號檢測或峰均功率比 (PAPR) 降低？

除了通道估計之外，SZCZ 陣列的特性使其在 SM 系統的其他方面也具有潛在的應用價值：

信號檢測: SZCZ 陣列良好的自相關和互相關特性可以應用於 SM 系統的信號檢測。例如，可以利用 SZCZ 序列設計低複雜度的檢測器，通過匹配濾波的方式區分不同發射天線和調製符號的組合。
峰均功率比 (PAPR) 降低: 高 PAPR 是 OFDM-SM 系統的一個主要缺點，而 SZCZ 序列的恆包絡特性可以被用於降低 PAPR。例如，可以將 SZCZ 序列作為預編碼序列，通過優化序列的相位來降低發送信號的 PAPR。
然而，將 SZCZ 陣列應用於 SM 系統的信號檢測和 PAPR 降低還需要進一步的研究。例如，需要設計針對特定檢測算法和 PAPR 降低技術的 SZCZ 序列，並評估其在實際系統中的性能。

如何將 SZCZ 陣列的概念推廣到其他類型的無線通訊系統，例如大規模 MIMO 或毫米波通訊系統？

SZCZ 陣列的概念可以通過以下方式推廣到其他類型的無線通訊系統：

大規模 MIMO 系統: 在大規模 MIMO 系統中，可以利用 SZCZ 陣列設計稀疏的導頻信號，以降低導頻開銷和信號處理的複雜度。同時，可以針對大規模 MIMO 通道的特性，設計具有特定空間相關特性的 SZCZ 陣列，以提高通道估計的準確性。
毫米波通訊系統: 毫米波通訊系統通常採用混合模擬/數字波束賦形技術，而 SZCZ 陣列可以被用於設計稀疏的波束賦形碼本，以降低硬件成本和功耗。此外，可以針對毫米波通道的稀疏散射特性，設計具有低峰均功率比的 SZCZ 序列，以提高系統的能量效率。
總之，SZCZ 陣列的概念在其他類型的無線通訊系統中也具有廣闊的應用前景。需要根據具體的系統需求和通道特性，設計具有特定性質的 SZCZ 陣列，以提高系統的性能和效率。