[論文レビュー] An Enabling Waveform for 5G - QAM-FBMC: Initial Analysis

Yinan Qi, Mohammed Al-Imari|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、複数のプロトタイプフィルタを用いてフィルタバンクマルチキャリア（FBMC）システムにおける効率的なQAM伝送を可能にする新しい5G波形、QAM-FBMCを提案する。位相ノイズおよびチャネル推定誤差の下でも高い耐障害性を示し、サイクリックプレフィックスのスペクトル効率の損失がないにもかかわらず、CP-OFDMと同等の誤りビットレート（BER）を達成する。また、不要帯外放射が低く、中程度の複雑さである。

ABSTRACT

In this paper, we identified the challenges and requirements for the waveform design of the fifth generation mobile communication networks (5G) and compared Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) based waveforms with Filter Bank Multicarrier (FBMC) based ones. Recently it has been shown that Quadrature-Amplitude Modulation (QAM) transmission and reception can be enabled in FBMC by using multiple prototype filters, resulting in a new waveform: QAM-FBMC. Here, the transceiver architecture and signal model of QAM-FBMC are presented and channel estimation error and RF impairment, e.g., phase noise, are modeled. In addition, initial evaluation is made in terms of out-of-band (OOB) emission and complexity. The simulation results show that QAM-FBCM can achieve the same BER performance as cyclic-prefix (CP) OFDM without spectrum efficiency reduction due to the adding of CP. Different equalization schemes are evaluated and the effect of channel estimation error is investigated. Moreover, effects of the phase noise are evaluated and QAM-FBMC is shown to be robust to the phase noise.

研究の動機と目的

• 5GネットワークにおけるCP-OFDMのスペクトル効率および不要帯外放射の制限を解決すること。
• 複数のプロトタイプフィルタを用いてFBMCシステムにおけるQAM変調を可能にし、QAM-FBMCを構築すること。
• 位相ノイズおよびチャネル推定誤差などの現実的な劣化要因下でのQAM-FBMCの性能を評価すること。
• BER、スペクトル効率、複雑さの観点からQAM-FBMCとCP-OFDMを比較すること。
• QAM-FBMCのRF劣化要因に対する耐性および5Gユースケースへの適性を評価すること。

提案手法

• FBMCにおけるQAM信号伝送を可能にする複数のプロトタイプフィルタを用いたQAM-FBMC変復調器アーキテクチャの設計。
• QAM-FBMC信号モデルにおけるRF劣化要因（位相ノイズおよびチャネル推定誤差）のモデル化。
• QAM-FBMCにおける子搬送波干渉（ICI）を低減するためのさまざまな均衡化方式の実装。
• コサインロールオフプロトタイプフィルタを用いたフィルタバンク構造を採用し、搬送波を整形して不要帯外放射を低減。
• 加法性白色ガウスノイズ（AWGN）およびレイリー fading チャネル下でのシミュレーションに基づく性能評価。
• 同一の変調方式およびスペクトルマスクを用いて、QAM-FBMCとCP-OFDMの比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QAM-FBMCはサイクリックプレフィックスのスペクトル効率の損失なしに、CP-OFDMと同等のBER性能を達成できるか？
• RQ2 QAM-FBMCは位相ノイズおよびチャネル推定誤差の下でどのように動作するか？
• RQ3 QAM-FBMCの不要帯外放射レベルはCP-OFDMと比べてどの程度か？
• RQ4 特に均衡化およびフィルタリング段階において、QAM-FBMCの複雑さはCP-OFDMと比べてどの程度か？
• RQ5 複数のプロトタイプフィルタは、スペクトルの閉じ込めを維持したまま、FBMCにおけるQAM伝送を効果的に可能にするか？

主な発見

• QAM-FBMCは、サイクリックプレフィックスを必要とせず、同じ条件下でCP-OFDMと同等のビット誤り率（BER）性能を達成する。
• QAM-FBMCはCP-OFDMよりも顕著に低い不要帯外（OOB）放射を示し、スペクトル効率が向上する。
• 波形は位相ノイズに対して高い耐性を示し、高い位相ノイズレベル下でも安定した性能を維持する。
• チャネル推定誤差は性能を劣化させるが、中程度の推定精度があればQAM-FBMCは依然として実用的である。
• QAM-FBMCにおける均衡化方式は、子搬送波干渉を効果的に抑制するが、その性能はフィルタ設計およびチャネル状態に依存する。
• QAM-FBMCの複雑さは中程度であり、CPのオーバーヘッドがないことによって、フィルタリングおよび均衡化のコストが相殺される。