[論文レビュー] GFDM Transceiver using Precoded Data and Low-complexity Multiplication in Time Domain

Ivan Gaspar, Maximilian Matthé+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2015

PAPR reduction in OFDM参考文献 3被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、周波数ドメインのDFT/IDFTを用いた行列演算としてGFDM変復調を再定式化することにより、時間ドメインでの循環畳み込みと線前処理を用いて実装複雑度を低減する低複雑度GFDMトランシieverを提案する。これにより、要素ごとの乗算と積算を用いた効率的な計算が可能となり、複雑度を顕著に低減しつつ、5Gシステムにおけるスペクトル効率と耐環境性の向上を実現する柔軟な線前処理をサポートする。

ABSTRACT

Future wireless communication systems are demanding a more flexible physical layer. GFDM is a block filtered multicarrier modulation scheme proposed to add multiple degrees of freedom and cover other waveforms in a single framework. In this paper, GFDM modulation and demodulation will be presented as a frequency-domain circular convolution, allowing for a reduction of the implementation complexity when MF, ZF and MMSE filters are employed in the inner and outer receiver operation. Also, precoding is introduced to further increase GFDM flexibility, addressing a wider set of applications.

研究の動機と目的

• GFDMトランシieverの実装複雑度を5G物理層応用において低減すること。
• 時間および周波数ドメインにおける線前処理の導入により、柔軟な波形設計を可能にすること。
• DFT/IDFTを用いた行列ベクトル演算としてGFDM変復調を再定式化すること。
• 周波数ドメインにおける循環畳み込みを活用して、低複雑度の検出および均衡を実現すること。
• 一般化線前処理により、周波数選択性および時間選択性 fading リンクにおけるスペクトル効率と耐環境性を向上させること。

提案手法

• ポアソン和公式を用いてGFDMを周波数ドメインにおける循環畳み込みとして再定式化し、時間ドメイン処理を効率化する。
• 変復調をM×K点DFT/IDFT演算として表現し、DFTを一種の線前処理とみなす。
• 時間ドメイン用T_c（周波数）および周波数ドメイン用T_r（時間）の行列を用いた一般化線前処理フレームワークを導入し、任意の信号ドメイン変換を可能にする。
• Kronecker積を用いて、全線前処理操作をベクトル化されたデータブロック上の線形変換として表現する。
• 時間ドメインにおける要素ごとの乗算とM重の積算を用いて、複雑な畳み込み演算を置き換える。
• 一致フィルタ（MF）、ゼロフォーシング（ZF）、最小分散乗法（MMSE）均衡の低複雑度実装を導出するために本手法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GFDMの変調プロセスをDFTに基づく線前処理操作として再解釈することで、GFDMの実装複雑度を低減できるか？
• RQ2 周波数ドメイン処理による時間ドメインにおける循環畳み込みの使用が、GFDMトランシieverにおける計算複雑度をどの程度低減するか？
• RQ3 時間および周波数ドメインにおける一般化線前処理は、フェージングチャネルにおけるスペクトル効率と耐環境性をどの程度向上できるか？
• RQ4 従来のGFDM実装およびOFDMと比較して、提案手法の複雑度の向上はどの程度か？
• RQ5 提案フレームワークは、OFDMおよびSC-FDMAを特別なケースとして含む柔軟な波形設計をサポートできるか？

主な発見

• 提案手法は、[1]における最新のGFDMトランシieverを下回るGFDM実装複雑度を実現し、特にチャネルフィルタがスパースな場合に顕著である。
• DFTを線前処理操作として用いることで、FT、TT、FF、TFモードを含む柔軟な信号ドメイン変換が可能となり、それぞれが特徴的なスペクトルおよびダイバーシティ特性を有する。
• 周波数ドメインでの線前処理（FFモード）はOFDMに類似したスペクトルを示すが、時間ドメインでの線前処理（TFモード）は時間ダイバーシティを実現し、PAPRを低減する。
• 複素乗算回数が顕著に削減される：例えば、TTモードではデータ以外に追加の乗算が不要であり、FFモードではMK log₂(K) + KM log₂(M)回の乗算が追加される。
• 要素ごとの乗算と積算を用いた低複雑度均衡が可能となり、パイプライン型内受信機設計や将来の非線形検出を可能にする。
• T_cおよびT_r行列による任意の線前処理が可能であり、Kronecker積の定式化により、時間および周波数リソース間の完全な信号結合が実現される。