[論文レビュー] Direct vs. Two-Step Approach for Unique Word Generation in UW-OFDM

Alexander Onic, Mario Huemer|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2010

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 4被引用数 32

ひとこと要約

本稿は、UW-OFDMにおける固有語（UW）を生成する二段階手法と直接手法を比較し、解析的およびシミュレーション的に、直接手法が冗長サブキャリアの重複励起により、同一のデータエネルギーであってもビット誤り率（BER）で約9 dBの性能劣化を引き起こす深刻なOFDMシンボルエネルギーの増加を示している。二段階手法は実用的実装において優れていることが示された。

ABSTRACT

Unique word OFDM is a novel technique for constructing OFDM symbols, that has many advantages over cyclic prefix OFDM. In this paper we investigate two different approaches for the generation of an OFDM symbol containing a unique word in its time domain representation. The two-step and the direct approach seem very similar at first sight, but actually produce completely different OFDM symbols. Also the overall system's bit error ratio differs significantly for the two approaches. We will prove these propositions analytically, and we will give simulation results for further illustration.

研究の動機と目的

• UW-OFDMにおける固有語（UW）生成のための二つの異なる手法のエネルギー効率およびビット誤り率（BER）性能を分析・比較すること。
• UWシーケンスの選択および生成手法がOFDMシンボルエネルギー分布およびシステム信頼性に与える影響を調査すること。
• IDFT後に時間領域でUWを追加する直接的手法が、事前に周波数領域入力を調整する二段階手法と比較して実用的かどうかを検討すること。
• 冗長サブキャリアに過剰なエネルギーが与えられる影響が、特に周波数選択フェージング環境における伝送性能に与える影響を評価すること。
• 実用的UW-OFDMシステムにおいて、直接的手法を排除し二段階手法を採用するための解析的およびシミュレーション的根拠を提供すること。

提案手法

• 二段階手法を定式化：まず、適切に設計された冗長サブキャリアを有するIDFTによりゼロ語を生成し、その後時間領域でUWを追加する。
• 行列逆算を用いて必要な冗長サブキャリアシンボル ˜xr = T˜xd を導出する。ここで T = −M⁻¹₂₂M₂₁ であり、時間領域出力がUW領域にゼロ語を持つことを保証する。
• 直接的手法を提案：時間領域のUW成分 xu を直接設定し、˜xr = M⁻¹₂₂xu − M⁻¹₂₂M₂₁˜xd を解く。これによりUWが冗長サブキャリアにのみ影響を与えるように強制する。
• 時間領域出力をパケットとUW成分に分離するため、行列分解 F⁻¹ₙBP = [M₁₁ M₁₂; M₂₁ M₂₂] を用いる。
• 直接手法における周波数領域入力ベクトル ˜x = BG˜xd + BP[0; M⁻¹₂₂]xu を導出し、UWが冗長サブキャリアにのみ影響することを示す。
• 一般化バーカー、CAZAC、および長さ16のCAZACシーケンスの3種類のUWシーケンスを用いて、両手法のシンボルエネルギー分布（データ Ed、冗長 Er、UW Eu）を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二段階手法と直接手法のUW-OFDMシンボル生成におけるOFDMシンボルエネルギー分布の違いは何か？
• RQ2 直接手法による過剰エネルギーが、二段階手法と比較してビット誤り率（BER）性能に与える影響は何か？
• RQ3 UWシーケンスの選択が、直接手法におけるエネルギー過剰およびBER劣化に与える影響は何か？
• RQ4 エネルギー非効率であるにもかかわらず、直接手法は実用的UW-OFDMシステムにおいて実用的と見なせるか？
• RQ5 周波数選択フェージング環境下でのUW-OFDMのBER性能は、CP-OFDM（IEEE 802.11a）と比較してどうなるか？

主な発見

• 直接的手法は、UWが冗長サブキャリアを励起するため、二段階手法と比較して著しく高い合計シンボルエネルギーを生成する。
• 長さ16のCAZACシーケンスでは、直接的手法のシンボルエネルギーは二段階手法の約7.97倍（≒9.01 dB）にのぼり、これによりBERに9 dBの劣化が生じる。
• 二段階手法では、使用するUWシーケンスに関係なく、シンボルエネルギーが一定を保つ。これはUWがIDFT後に追加され、入力エネルギーに影響を与えないためである。
• 直接的手法の過剰エネルギーは完全に無駄であり、冗長サブキャリアにのみ寄与し、データの信頼性やBERの向上に寄与しない。
• 周波数選択フェージング環境では、二段階手法を用いたUW-OFDMは、CP-OFDM（IEEE 802.11a）を著しく上回る性能を示す。特に深いフェージング領域で顕著である。
• 二段階手法では、異なるUWシーケンスに対するBER曲線が一致しており、この手法を用いる場合、シンボルエネルギーおよびBERがUW設計に依存しないことが確認された。