[論文レビュー] FDM-Structured Preamble Optimization for Channel Estimation in MIMO-OQAM/FBMC Systems

Wenfeng Liu, Da Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、送信パワー制約のもとで周波数分割多重（FDM）構造を有する前付信号（preamble）最適化手法を、MIMO-OQAM/FBMCシステムに対して提案し、チャネル推定の平均二乗誤差（MSE）を最小化することを目的としている。2アンテナの場合、閉形式の最適前付信号を導出する。3アンテナ以上の場合、準正定値プログラミング（QCQP）の緩和を用いて部分最適解を求める。提案手法は、全SNR領域において従来手法より低いMSEおよびビット誤り率（BER）を達成し、前付信号のオーバーヘッドも削減する。

ABSTRACT

In this paper, we consider the problem of preamble design in multiple-input multiple-output (MIMO) systems employing offset quadrature amplitude modulation based filter bank multicarrier (OQAM/FBMC) and propose a preamble optimization method for the frequency division multiplexing (FDM)-structured preamble. Specifically, we formulate an optimization problem to determine the frequency division multiplexed preambles, where the objective is to minimize the mean square error (MSE) of the channel estimation, subject to the constraint on the transmit energy. For two transmit antennas, we find the relationship between preambles and the intrinsic interference from neighboring symbols to achieve the minimum channel estimation MSE, and derive the optimal closed-form solution. For more than two transmit antennas, the constrained preamble optimization problem is nonconvex quadratic. Therefore, we convert the original optimization problem into a quadratically constrained quadratic program (QCQP) and obtain the suboptimal solution by relaxing the nonconvex constraint. Simulation results demonstrate that, in terms of MSE and bit error rate (BER) performances, the proposed method outperforms the conventional FDM preamble design method at all signal-to-noise ratio (SNR) regimes and outperforms the interference approximation method-complex (IAM-C) preamble design method at low to medium SNR regimes with lower preamble overhead.

研究の動機と目的

• MIMO-OQAM/FBMCシステムにおける前付信号設計の課題に取り組む。ここでは、内在的干渉と多アンテナ干渉がチャネル推定性能を劣化させる。
• OQAM/FBMCの実数フィールド直交性と内在的な虚数干渉のため、従来のOFDMベースの前付信号設計手法が適用できないという制限を克服する。
• 2つ以上の送信アンテナを有するシステムにおいて、干渉近似法（IAM-C）と比較して前付信号のオーバーヘッドを低減する。
• 時間不変で周波数選択的チャネルにおいて、送信エネルギー制約を満たしつつ、FDM構造を有する前付信号を最適化し、MSEを最小化する。
• 2アンテナシステムに対して閉形式解を提供し、より大きなMIMO構成に対しては緩和されたQCQPに基づく部分最適解を提示する。

提案手法

• 全送信エネルギー制約のもとでチャネル推定のMSEを最小化する制約付き最適化問題を定式化する。
• 2送信アンテナの場合、隣接シンボルからの内在的干渉と前付信号との関係を分析することで、閉形式解を導出する。
• 3アンテナ以上の場合、非凸二次最適化問題を二次制約付き二次計画問題（QCQP）に再定式化する。
• 非凸制約を緩和し、固有値分解と変数変換を用いて部分最適解を求める。
• 変換多重器応答行列Vと結合前付信号ベクトルdを用いて、SFB出力における前付信号エネルギーを表現し、効率的な計算を可能にする。
• 行列Bのユニタリ変換と固有値分解を用い、最適前付信号ベクトルをa = B⁻¹wとして導出する。ここでwはチャネル応答から導かれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信パワー制約を満たしつつ、MIMO-OQAM/FBMCシステムにおける前付信号設計をどのように最適化すれば、チャネル推定MSEを最小化できるか？
• RQ2 内在的な虚数干渉が存在する2アンテナMIMO-OQAM/FBMCシステムにおいて、最適な前付信号構造は何か？
• RQ3 2つ以上のアンテナを有する場合、非凸な前付信号最適化問題を効果的に近似・解釈する方法は何か？
• RQ4 提案手法によるFDM構造を有する前付信号は、IAM-Cと比較してどの程度オーバーヘッドを低減しつつ、推定精度を維持または向上させるか？
• RQ5 異なるSNR領域において、提案手法がMSEおよびビット誤り率（BER）の観点でどの程度の性能向上を達成するか？

主な発見

• 2送信アンテナの場合、提案手法は隣接シンボルからの内在的干渉を明示的に考慮することで、MSEを最小化する閉形式の最適前付信号を達成する。
• 3アンテナ以上の場合、QCQP緩和手法により部分最適だが効果的な前付信号設計が得られ、計算複雑度が著しく低減される。
• シミュレーション結果から、提案手法は全SNR領域において、従来のFDM前付信号設計よりもMSEおよびBERの両面で優れた性能を示す。
• 低〜中程度のSNR領域において、提案手法はIAM-C法よりも優れたBER性能を達成し、前付信号のオーバーヘッドも低減する。
• IAM-Cと異なり、1アンテナあたり3つの前付信号列で十分であるため、スペクトル効率の損失が低減される。
• 導出された最適前付信号ベクトルa = B⁻¹wは、プロトタイプフィルタにのみ依存するため、変換多重器応答行列を効率的に事前計算可能である。