サブTHz通信における位相ノイズ下でのコンステレーション成形

Core Concepts

サブTHz通信における位相ノイズ下でのコンステレーション成形により、PAPR制約の下で位相ノイズに対するロバスト性を向上させ、従来手法よりも優れたBLER性能を実現する。

Abstract

本論文では、サブTHz通信におけるシングルキャリア周波数領域等化(SC-FDE)トランシーバのための位相ノイズに対してロバストなコンステレーション設計手法を提案している。
まず、実際の位相ノイズモデルを考慮し、PAPR制約の下でビット誤り率(BLER)を最小化するコンステレーション最適化問題を定式化している。この問題は非凸制約最適化問題であるため、拡張ラグランジュ法を用いて解いている。
最適化の結果、従来の64QAMや64APSKと比べて、PAPR特性を維持しつつBLER性能を0.3dB改善できることを示している。特に、PAPR制約を6.5dBに設定した場合、64QAMに対して0.3dB、64APSKに対して0.1dBのPAPR改善と同等のBLER性能が得られることを確認している。
このように、提案手法によりサブTHz通信におけるPAPR制約の下での位相ノイズロバスト性を向上させることができ、SC-FDEトランシーバの性能を高められることが分かった。

Stats

位相ノイズPSDは搬送波周波数が高くなるほど増大する。120GHzでは-100dBc/Hz、220GHzでは-90dBc/Hzとなる。
位相ノイズの影響は外側の constellation pointで大きくなる。

Quotes

"PN can be modelled as a superposition of 2 processes: a correlated Wiener process and an uncorrelated Gaussian process."
"The contribution of the low frequency Wiener PN is typically addressed by sending phase tracking reference signals (PTRS). The use of the wide bandwidth for ultra-high data rates, however, imposes a challenge in PN compensation algorithms since the contribution of the uncorrelated, and therefore intractable Gaussian PN becomes dominant."

Key Insights Distilled From

Constellation Shaping under Phase Noise Impairment for Sub-THz Communications

by Dileepa Mara... at arxiv.org 03-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2311.12433.pdf

Deeper Inquiries

サブTHz通信以外の周波数帯域でも提案手法は有効か?

提案されたコンステレーション整形手法は、サブTHz通信に限定されるものではありません。この手法は位相ノイズに対するロバスト性を考慮し、PAPR制約下でコンステレーションを最適化することを可能にします。したがって、他の周波数帯域でも同様に有効であると考えられます。異なる周波数帯域での通信システムにおいても、位相ノイズの影響を最小限に抑えつつ、通信性能を向上させるためにこの手法を適用することができます。

位相ノイズ以外のハードウェア非線形歪みなどの影響をどのように考慮すべきか?

提案された手法は主に位相ノイズに焦点を当てていますが、他のハードウェア非線形歪みなどの影響も考慮する必要があります。ハードウェア非線形歪みは通信システムの性能に影響を与える可能性があります。このような歪みを考慮するためには、システムモデルに適切な非線形歪みモデルを組み込み、最適化問題に追加の制約条件として組み込むことが重要です。また、ハードウェア非線形歪みの影響を最小限に抑えるために、コンステレーション設計や送受信フィルター設計などの要素を調整することが考えられます。

本手法で得られた最適化されたコンステレーションを、実際の通信システムにどのように適用できるか?

提案された最適化されたコンステレーションは、実際の通信システムに直接適用することが可能です。このコンステレーションは、SC-FDEトランシーバー内で使用される標準的なQAMやAPSKコンステレーションと簡単に置き換えることができます。通信システムにおいて、コンステレーションを学習した後は、追加の複雑さを伴わずにこのコンステレーションを直接展開することが可能です。また、パルス整形フィルターペアの適応や他のデマッピング手法の探索によって、PAPRの低減や通信性能の向上をさらに実現することができます。