[論文レビュー] Coded OFDM by Unique Word Prefix

Mario Huemer, Christian Hofbauer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2010

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 3被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、周波数選択的室内チャネルにおいて、IEEE 802.11a よりも最大 0.9 dB のSNRゲインを達成する、周期的プリフィックスの代わりに決定論的固有語（UW）をガードインターバルとして用いる新規OFDM伝送方式を提案する。この方式は、埋め込まれた複素Reed-Solomon符号化を介して、同期、チャネル推定、誤り隠蔽を統合的に実現する。UWが周波数ドメインに与える相関を活用し、LMMSEウィーナスムーズャーを適用することで、周波数選択的フェージング環境下での性能を向上させる。

ABSTRACT

In this paper we propose a novel transmit signal structure and an adjusted and optimized receiver for OFDM (orthogonal frequency division multiplexing). Instead of the conventional cyclic prefix we use a deterministic sequence, which we call unique word (UW), as guard interval. We show how unique words, which are already well investigated for single carrier systems with frequency domain equalization (SC/FDE), can also be introduced in OFDM symbols. Since unique words represent known sequences, they can advantageously be used for synchronization and channel estimation purposes. Furthermore, the proposed approach introduces a complex number Reed-Solomon (RS-) code structure within the sequence of subcarriers. This allows for RS-decoding or to apply a highly efficient Wiener smoother succeeding a zero forcing stage at the receiver. We present simulation results in an indoor multipath environment to highlight the advantageous properties of the proposed scheme.

研究の動機と目的

• OFDMにおける周期的プリフィックスを、同期、チャネル推定、誤り隠蔽を統合的に可能にする決定論的固有語（UW）で置き換えること。
• UWが周波数ドメインで形成する固有の複素Reed-Solomon符号構造を活用し、周波数選択的フェージング環境下での耐障害性を向上させること。
• UWが引き起こす相関を活用してノイズを低減する最適化されたLMMSE受信機を設計すること、特に深刻なフェージングを受けるサブキャリアに対して有効であるようにすること。
• 特に低SNRおよび高遅延スパン条件下で、現実的な屋内マルチパス環境下における従来のCP-OFDMと比較して性能向上を実証すること。
• IEEE 802.11aと同等のスペクトル効率を維持しつつ、高度な信号処理によりビット誤り率（BER）性能を向上させること。

提案手法

• 時間ドメインのOFDMシンボルに長さ $ l = 16 $ の固有語（UW）をガードインターバルとして導入し、周期的プリフィックスを置き換える。
• UWの周波数ドメインでのDFT応答がサブキャリア全体にわたり複素Reed-Solomon（RS）符号構造を形成するようにUWを設計し、既知の符号特性を用いた誤り隠蔽を可能にする。
• 既知のUWシーケンスを用いてフレームタイミングおよびキャリア周波数オフセット同期を実現し、従来のパイロットトーンの代わりとする。
• 2段階の受信機を適用：まずゼロフォーシング均衡を実行し、その後、UW由来の周波数ドメイン相関を活用した線形最小分散誤差（LMMSE）ウィーナスムーズャーを適用する。
• 平均エネルギーを最小化しつつ直交性および符号構造を維持するため、UWのサブキャリア割り当てを最適化し、事前に定義された行列 $ \mathbf{P} $ を用いる。
• 公平な比較のため、UWのエネルギーを全シンボルエネルギーの 4/52 に設定し、IEEE 802.11aにおけるパイロットエネルギーと一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 データが周波数ドメインで定義されているにもかかわらず、OFDMシンボルに固有語（UW）を効果的に埋め込むことは可能か？ その結果生じる信号構造はどのようなものか？
• RQ2 時間ドメインのUWの周波数ドメイン応答が、サブキャリア全体にわたりどのように複素Reed-Solomon符号構造を誘発するか？
• RQ3 周期的プリフィックスと比較して、既知のUWシーケンスはOFDMシステムにおける同期およびチャネル推定にどの程度向上効果をもたらすか？
• RQ4 UW由来の相関を活用することで、特に深刻なフェージングを受けるサブキャリアにおいて、LMMSEウィーナスムーズャーはノイズをどの程度低減できるか？
• RQ5 現実的な屋内マルチパス環境下で、UW-OFDMは従来のCP-OFDMと比較して、BER面でどの程度の性能向上を達成するか？

主な発見

• 外部コードを用いない状態で、BERが $ 10^{-6} $ のとき、提案手法のUW-OFDMはIEEE 802.11aに対して最大 0.9 dB のSNRゲインを達成する。
• コードレート $ r = 3/4 $ の場合、UW-OFDMシステムは依然として $ 10^{-6} $ BERでCP-OFDMより 0.9 dB のゲインを達成し、実用的な符号制約下でも高い耐障害性を示す。
• コードレート $ r = 1/2 $ の場合、UW-OFDMは $ 10^{-6} $ BERで 0.65 dB のSNRゲインを達成し、コードレートにかかわらず一貫した性能向上が確認される。
• ウィーナスムーズャーは、特に周波数が 15 および 46 のインデックスで、チャネル減衰が 20 dB を超える深刻なスペクトルノッチを示すサブキャリアにおけるノイズパワーを顕著に低減する。
• UWベースのシステムは、ガードインターバルがDFT区間の一部であるため、IEEE 802.11aと同等の帯域効率を維持する。
• 埋め込まれた複素RS符号構造により、効果的な消去補正が可能となり、特にLMMSEスムージングと組み合わせることで、周波数選択的フェージング環境下でのシステムの耐障害性が向上する。