[論文レビュー] Coexistence in 5G: Analysis of Cross-Interference between OFDM/OQAM and Legacy Users

Quentin Bodinier, Faouzi Bader+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2016

PAPR reduction in OFDM参考文献 17被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、5G共存シナリオにおけるOFDM/OQAMとCP-OFDMユーザー間のクロス干渉について、正確な閉形式式を提供する。その結果、PSDに基づくモデルに裏付けられる広く一般的な仮定とは対照的に、OFDM/OQAMはレガシーCP-OFDMユーザーに対する干渉低減効果が僅かであることが示された。主な発見は、PSDベースのモデルが、CP-OFDM受信機の矩形受信ウィンドウに起因するデモジュレーション後干渉を捉えていないため、波形比較にあたって信頼性に欠けることである。

ABSTRACT

To optimize the use of the spectrum, it is expected that the next generation of wireless networks (5G) will enable coexistence of newly introduced services with legacy cellular networks. These new services, like Device-To-Device (D2D) communication, should require limited synchronization with the legacy cell to limit the amount of signaling overhead in the network. However, it is known that Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing (CP-OFDM) used in Long Term Evolution-Advanced (LTE-A) is not fit for asynchronous environments. This has motivated the search for a new waveform, able to enhance coexistence with CP-OFDM. Namely, it has been widely suggested that new devices could use OFDM/Offset-Quadrature Amplitude Modulation (OFDM/OQAM) to reduce the interference they inject to legacy cellular users. However, values of interference are usually measured at the input antenna of the receiver, based on the PSD of the interfering signal. We showed in previous works that this measurement is not representative of the actual interference that is seen after the demodulation operations. Building on this finding, we provide in this paper the first exact closed forms of cross-interference between OFDM/OQAM and CP-OFDM users. Our results prove that using OFDM/OQAM only marginally reduces interference to legacy users, in contradiction with many results in the literature.

研究の動機と目的

• 5G共存シナリオにおけるOFDM/OQAMとCP-OFDMシステム間のデモジュレーション後クロス干渉について、きめ細やかな数学的分析が不足しているという問題に取り組む。
• 低周波外漏れが直接的に干渉低減をもたらすと仮定する、広く用いられているPSDベースのモデルの干渉推定手法を疑問視する。
• デモジュレーション後の受信機で実際に観測される干渉を、事前デモジュレーションのスペクトルパワー密度に依存せずに定量化する。
• OFDM/OQAMが、先行研究で主張されているように、実際にレガシーCP-OFDMユーザーに対する干渉を低減しているかどうかを評価する。
• マルチウェーブフォーム5Gネットワークにおける干渉モデリングと標準化慣行の見直しの基盤を提供する。

提案手法

• 信号モデルと受信機動作に基づき、OFDM/OQAMからCP-OFDM、およびその逆方向へのクロス干渉の正確な閉形式式を導出する。
• OFDM/OQAMにおける高いスペクトル効率と低い周波外漏れを実現するため、PHYDYASプロトタイプフィルタを採用する。
• CP-OFDM受信機の矩形受信ウィンドウを干渉モデルに組み込み、デモジュレーション後干渉に顕著な影響を与える要因とする。
• 周波数オフセットとシンボルタイミングずれを関数として干渉電力の数学的モデルを構築する。
• M=512サブキャリア、T_CP = T/8、ユニットエネルギーシンボル、δ_f = 0という現実的なパラメータを用いた数値シミュレーションにより、解析結果を検証する。
• 解析結果をPSDベースのモデルおよびシミュレーションデータと比較し、モデルの正確性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSDベースのモデルが示唆するように、OFDM/OQAMはCP-OFDMに比べてレガシーCP-OFDMユーザーに対する干渉を顕著に低減するのか？
• RQ2 なぜシミュレーション結果は、PSDベースの干渉モデルが予測する期待される利点を確認できないのか？
• RQ3 CP-OFDM受信機の矩形受信ウィンドウは、デモジュレーション後に観測される実際の干渉電力にどのように影響するのか？
• RQ4 OFDM/OQAMのPSD特性が、共存シナリオにおける実際の干渉低減にどの程度反映されるのか？
• RQ5 異なるウェーブフォームを用いるシステム間の共存性能を評価するにあたり、PSDベースのモデルは信頼性を持って使用できるのか？

主な発見

• PSDベースのモデルは、CP-OFDMからOFDM/OQAMへの干渉については良好な近似を与えるが、OFDM/OQAMからCP-OFDMへの干渉については完全に失敗する。
• OFDM/OQAMシンボルがCP-OFDM受信機の矩形受信ウィンドウによって切り捨てられるため、CP-OFDM受信機で実際に観測される干渉は、PSDモデルが予測する値よりも顕著に高い。
• 副次的システムがOFDM/OQAMを使用する場合の最大クロス干渉は、両システムがCP-OFDMを使用する場合と比べてわずかに3 dB程度高いにとどまり、性能向上は最小限である。
• 導出された干渉の閉形式式は、シミュレーション結果と完全に一致しており、解析モデルの妥当性が裏付けられた。
• ハードウェア制限およびパワー増幅器の非線形性は、実環境でのOFDM/OQAMの潜在的利点をさらに低下させることが予想される。
• 本研究の結論として、共存利点は波形の改善のみで達成できるものではなく、レガシーCP-OFDM受信機も非同期的かつ非直交信号に対応できるように再設計される必要がある。