[論文レビュー] Frequency-Domain Time-Reversal Precoding in Wideband MISO OFDM Communication Systems

Trung-Hien Nguyen, Jean‐François Determe+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2019

Microwave Imaging and Scattering Analysis参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、変動するレートバックオフ係数（BOF）を有する広帯域MISO OFDMシステムにおける周波数領域時間反転（FD/TR）プレフィンギングを提案し、空間的・時間的集中を向上させる。閉形式のMSE近似を導出することで、BOFと送信アンテナ数を増加させることで、意図した位置における信号対雑音比（SNR）の向上が図られるとともに、不必要な位置における電力の低減が実現されることを示している。

ABSTRACT

Time reversal (TR) recently emerged as an interesting communication technology capable of providing a good spatio-temporal signal focusing effect. New generations of large-bandwidth devices with reduced cost leverage the use of TR wideband communication systems. While TR is usually implemented in the time domain, the same benefit can be obtained in an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system by precoding the information in the frequency domain. Besides using multiple antennas, the focusing effect of TR also comes from the use of a high rate back-off factor (BOF), which is the signal up-sampling (or down-sampling) rate in the original time-domain TR precoding. However, a frequency-domain TR precoding in the literature has only considered BOF of one, which does not fully exploit the focusing property of TR. In this paper, we discuss how to properly implement different BOFs using frequency-domain TR precoding in the OFDM system. Moreover, we demonstrate that increasing the BOF and/or the number of transmit antennas significantly improves the focusing gain at the intended position. In contrast, the unintended positions receive less useful power. Furthermore, closed-form approximations of the mean-square-errors (MSEs) of equalized received signals at either intended or unintended positions are derived, expressing the focusing gain as a function of the BOF and the number of antennas. Numerical simulations with multi-path channels are carried out to validate the MSE expressions.

研究の動機と目的

• OFDMシステムにおける従来のFD/TRプレフィンギング手法に見られるBOFの柔軟性の欠如を解決すること。
• 可変BOFを導入することで、周波数領域処理における時間反転の集中利得を最大限に活用すること。
• MISO OFDMシステムにおけるBOFおよび送信アンテナ数が集中性能に与える影響を分析すること。
• 集中利得を定量化するために、意図した位置および不必要な位置における平均二乗誤差（MSE）の閉形式近似を導出すること。
• マルチパスチャネル上での数値シミュレーションを通じて、理論的MSE式の妥当性を検証すること。

提案手法

• 任意のレートバックオフ係数（BOF）を有するMISO OFDMシステムにおける周波数領域時間反転プレフィンギング方式を定式化する。
• 逆フーリエ変換と時間反転の原理を用いて、周波数領域における等価チャネル応答をモデル化する。
• 平均二乗誤差（MSE）の式における積分を簡略化するため、任意の分散を持つゼロ平均複素ガウス確率変数の積の和の確率密度関数（PDF）を用いて、意図した位置および不必要な位置における正規化平均二乗誤差（NMSE）の閉形式近似を導出する。
• 積分の簡略化に際し、第二種変形ベッセル関数と漸近近似を用いる。
• MSE導出における有限および無限区間の積分を不完全ガンマ関数を用いて近似する。
• 実際のマルチパス fading チャネル上での数値シミュレーションを通じて、理論的MSE式の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MISO OFDMシステムにおける可変レートバックオフ係数（BOF）を有する周波数領域時間反転プレフィンギングを、どのように適切に実装できるか。
• RQ2 BOFと送信アンテナ数を増加させることで、FD/TR-OFDMシステムにおける集中利得にどのような影響を与えるか。
• RQ3 意図した位置および不必要な位置における等化信号の平均二乗誤差（MSE）は、BOFとアンテナ数にどのように依存するか。
• RQ4 周波数領域TRプレフィンギング下で、意図した位置および不必要な位置におけるMSEに対して、閉形式近似を導出可能か。
• RQ5 理論的MSE式は、実際のマルチパス環境下でのシミュレーション結果とどのように一致するか。

主な発見

• レートバックオフ係数（BOF）を増加させることで、周波数領域時間反転プレフィンギングにおける集中利得が顕著に向上し、意図した受信機位置におけるMSEが低減することが確認された。
• 意図した位置におけるMSEは、BOFと送信アンテナ数が増加するにつれて減少し、信号の集中が強化されることを裏付けた。
• 不必要な位置におけるMSEはBOFが高くなるにつれて増加し、干渉が低減され、空間的選択性が向上していることが示された。
• 任意の分散を持つ複素ガウス確率変数の積の和の確率密度関数（PDF）を用いて、意図した位置および不必要な位置におけるNMSEの閉形式近似が導出された。
• 数値シミュレーションにより、さまざまなBOF値およびアンテナ構成下で理論的MSE式の正確性が確認された。
• 漸近解析により、意図した位置におけるMSEはBOFと送信アンテナ数の増加に伴い減少する一方、不必要な位置におけるMSEは増加することが示され、集中効果の妥当性が裏付けられた。