[論文レビュー] Filtered-OFDM - Enabler for Flexible Waveform in The 5th Generation Cellular Networks

Xi Zhang, Ming Jia+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2015

PAPR reduction in OFDM被引用数 23

ひとこと要約

本稿では、5Gネットワークにおける柔軟な波形エンablerとしてフィルタード-OFDM（f-OFDM）を提案し、周波数帯域全体のリソース割り当てをサブバンドベースで最適化した数値的特性とフィルタリングを用いて、不要帯域放射（OOBE）とガードバンドを低減することを可能にした。シミュレーションの結果、さまざまなサービスタイプやチャネル状態に波形を適合させることで、従来のOFDMに比べ最大46％のスループット向上が達成された。

ABSTRACT

The underlying waveform has always been a shaping factor for each generation of the cellular networks, such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) for the 4th generation cellular networks (4G). To meet the diversified and pronounced expectations upon the upcoming 5G cellular networks, here we present an enabler for flexible waveform configuration, named as filtered-OFDM (f-OFDM). With the conventional OFDM, a unified numerology is applied across the bandwidth provided, balancing among the channel characteristics and the service requirements, and the spectrum efficiency is limited by the compromise we made. In contrast, with f-OFDM, the assigned bandwidth is split up into several subbands, and different types of services are accommodated in different subbands with the most suitable waveform and numerology, leading to an improved spectrum utilization. After outlining the general framework of f-OFDM, several important design aspects are also discussed, including filter design and guard tone arrangement. In addition, an extensive comparison among the existing 5G waveform candidates is also included to illustrate the advantages of f-OFDM. Our simulations indicate that, in a specific scenario with four distinct types of services, f-OFDM provides up to 46% of throughput gains over the conventional OFDM scheme.

研究の動機と目的

• 従来のOFDMが示す5Gネットワークにおける制限要因、すなわち硬直的な数値的特性（numerology）、高い不要帯域放射（OOBE）、厳密な同期要件を解消すること。
• 超信頼性低遅延通信（URLLC）、マス・マシンタイプ通信（mMTC）、強化されたモバイルブロードバンド（eMBB）など、多様な5Gサービスをサポートするための柔軟な波形設定を可能にすること。
• サブバンドフィルタリングとガードトーン最適化により、ガードバンド使用量とサブバンド間干渉を最小限に抑えること。
• 計算量の低さと4G LTEとの後方互換性を維持しつつ、全体的なスペクトラム効率を向上させること。

提案手法

• 割り当てられた帯域幅を複数のサブバンドに分割し、各サブバンドを個別に最適化されたOFDMパrameter（サブキャリア間隔、サイクリックプロキシ長、TTI）で設定し、サービスおよびチャネル特性に応じて調整する。
• 各サブバンドにルート・レイズド・コサイン（RRC）フィルタを適用してサブバンド間干渉とOOBEを抑制し、サブバンド間で非同期伝送を可能にする。
• サブバンド間の干渉を抑えるためにガードトーンを導入し、スペクトルの無駄を最小限に抑えるように設計を最適化する。
• サブバンド内での時間領域直交性を破ることでOOBEを低減し、性能劣化は最小限に抑えつつ、同期要件を緩和する。
• 各サブバンドごとに独立した波形処理が可能なマルチサブバンド変復調器構造（図1）を採用する。
• 4G LTEベースのシミュレーション環境を用い、現実的なチャネルモデル（EPA、ETU、EVA、改変EVA）とMCS適応を用いて性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 f-OFDMは、ガードバンド使用量を最小限に抑えつつ、従来のOFDMに比べて不要帯域放射（OOBE）を顕著に低減できるか？
• RQ2 サブバンド固有の数値的特性と波形適応を可能にすることで、f-OFDMはどれほどスペクトル効率を向上させられるか？
• RQ3 f-OFDMはサブバンド間干渉および非同期伝送条件下でどの程度の性能を示すか？
• RQ4 多様なサービス環境下で、f-OFDMは従来のOFDMに比べてどの程度のスループット向上を達成できるか？
• RQ5 f-OFDMはレガシーなOFDMシステムとどのように共存できるか、また4G LTEからのスムーズな進化をどのように実現できるか？

主な発見

• スペクトルマスク測定結果（図8）から、1-MHzのガードバンドを含んでも、f-OFDMは従来のOFDMに比べてOOBEを顕著に低減していることが示された。
• サブバンド間で2つのガードトーンのみを用いても、10 dBの電力不均衡下でも、干渉がない単一のOFDMシステムと同等のBLER性能を維持している（図10）。
• 歩行者、都市部、高速道路、V2Vの4種類のサービスタイプを含む多様な環境下で、f-OFDMは従来のOFDMに比べ最大46％の総スループット向上を達成した。
• スループット向上の要因は、ガードバンド使用量の低減と、遅延スプレッドに応じた短いCPや、高い移動度に適した広帯域サブキャリア間隔といったサブバンドごとの最適化された数値的特性の両方に起因する。
• f-OFDMはサブバンド間での非同期伝送を可能にし、グローバルな時間周波数同期の必要性を緩和する。
• f-OFDMは低計算量を維持し、4G LTEとの後方互換性を確保しており、5G空中インターフェースの進化に向けた有望な候補である。