[論文レビュー] An Efficient QAM Detector via Nonlinear Post-distortion based on FDE Bank under PA Impairments

Murat Babek Salman, Gökhan M. Güvensen|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

Advanced Power Amplifier Design参考文献 42被引用数 18

ひとこと要約

本稿は、パワー・アンプリファイア（PA）の非線形性によって劣化するシングルキャリア周波数ドメイン均衡（FDE）システム向けに、新規の2段階型レシーバーを提案する。非線形後処理としてガウス過程回帰（GPR）とニューラルネットワーク（NN）を用い、非線形シンボル干渉（ISI）を抑止するとともに、分数遅延FDEバンクを組み合わせてチャネルダイバーシティを活用する。シミュレーションにより、提案手法は、特に深 fading 条件および高次 QAM（例：1024-QAM）下で、誤りビットレート（BER）および実現可能レートにおいて、最先端技術を著しく上回ることを示している。

ABSTRACT

In this paper, we propose a novel receiver structure for single-carrier transmission with frequency domain equalization (FDE) that is exposed to power amplifier (PA) nonlinearities. A two-stage approach is adopted, in which linear communication channel is equalized at the first stage, and it is followed by a post-distortion where nonlinear distortion is reduced. In literature, nonlinear processing techniques are proposed, which performs memoryless compensation of nonlinear distortion together with FDE. However, in this study, we show that even if a memoryless nonlinearity exists, the received signal is impaired by nonlinear inter-symbol-interference. Therefore, we propose a class of symbol rate post-distortion techniques, which use neighboring received symbols to suppress the nonlinear interference. Two different post-distortion techniques, Gaussian process regression (GPR) and neural network (NN) based post-distorters, are considered. Also, a decision metric, combining outputs of fractional delayed bank of FDE's after post-distortion, is proposed to overcome performance degradation of FDE for frequency selective channels under nonlinear distortion. Performances of the proposed techniques are compared with that of the state-of-the-art techniques in terms of bit error rate and achievable information rate metrics via simulations. Simulation results demonstrate that GPR and NN based post-distortion methods together with bank of FDE outperform state-of-the-art techniques.

研究の動機と目的

• パワーアンプリファイア（PA）の非線形性の影響を受けるシングルキャリアFDEシステムの性能劣化、特にメモリレスPAですら非線形ISIが生じることに起因する性能劣化を解消すること。
• 周波数選択的チャネルに起因する非線形ISIを考慮できない従来のメモリレス非線形均衡器の限界を克服すること。
• 線形均衡化と非線形後処理を分離することで計算負荷を低減する、実用的で低複雑度のレシーバ構造を構築すること。
• 分数遅延サンプルを活用したFDEバンクによるダイバーシティの活用により、周波数選択的 fading チャネルにおけるFDE性能を向上させること。
• 機械学習ベースの後処理（GPRおよびNN）が、高次QAM下で非線形ISIを効果的に抑止し、スペクトル効率を向上させることの有効性を実証すること。

提案手法

• 2段階型レシーバーを提案：第1段階で標準的なFDEを用い、線形無線チャネルを均衡化して複雑度を低減する。
• 第2段階で、非線形後処理器（GPRまたはNN）を用い、隣接シンボルを用いて非線形ISIを抑止する。非線形歪みを系列依存関数として扱う。
• 複数のタイミングオフセットで受信信号をサンプリングする分数遅延（FD）FDEバンクを導入し、周波数選択的フェージングのダイバーシティを活用する。
• 複数のFD-FDE出力からのシンボル推定値を統合する意思決定指標（DA-SSD）を提案し、検出の信頼性を向上させる。
• 線形部と非線形部を分離できるハンマーシュタイン型モデル（メモリレス非線形性＋線形チャネル）を採用し、効率的な処理を実現する。
• 達成情報レートの下限を提供するため、不一致デコード容量（GMIに基づく）を用いて、システム性能の下限を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数選択的フェージングが、PA非線形性が存在するFDEの性能に与える影響、特に非線形ISIおよび歪みの増幅にどのように影響を与えるか。
• RQ2 歪みが系列依存的かつメモリを持つ場合に、機械学習ベースの後処理（GPRおよびNN）が非線形ISIを効果的に抑止できるか。
• RQ3 分数遅延FDEバンクによるダイバーシティの活用が、非線形的かつ周波数選択的チャネル環境下でBERおよびスペクトル効率を向上させるか。
• RQ4 提案されたFDEバンクベースの意思決定指標（DA-SSD）は、従来の検出器と比較して、性能および深 faded 状態へのロバストネスにおいて優れているか。
• RQ5 高次QAMおよび現実的なPAモデル下で、提案されたレシーバ構造が、最先端のメモリレス非線形均衡器をどの程度上回るか。

主な発見

• メモリレスPA非線形性であっても、ナイキスト-1基準を満たさないため、非線形ISIが発生し、歪みがシンボル系列に依存して生じ、性能劣化を引き起こす。
• 提案されたGPRおよびNNベースの後処理手法は、ボルタッラ系列ベースおよびメモリレス検出器と比較して、特に高SNRおよび深 faded 状態下でBERを顕著に低減する。
• FD-FDEバンクにDA-SSD意思決定指標を組み合わせた構成は、近似的に線形システム性能に近づき、1024-QAMのBER曲線が理想システムに非常に近づく一方、メモリレス検出器は誤り床を示す。
• GaN PAモデル（出力電力−4 dBm）下で、35 dB SNRでNN/GPRとDA-SSD検出器を組み合わせた手法は、BERを10⁻⁵未満に抑えることができ、すべてのベースライン手法を上回る。
• 提案構造からメモリを無視すると、性能がメモリレス最先端手法と収束するため、メモリを考慮した設計の重要性が確認された。
• GMIに基づく容量解析により、提案手法が既存手法よりも高い達成情報レートを達成していることが確認され、特に深 faded 条件および高PAPR環境下で顕著である。