[論文レビュー] Intersymbol and Intercarrier Interference in OFDM Systems: Unified Formulation and Analysis

Fernando Cruz–Roldán, Wallace A. Martins+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2020

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 30被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、従来のCP-OFDMおよび6つの窓関数を用いた変種（WOLA-OFDM、CPW-OFDMなど）を含む7つのOFDMシステムを、送信機および受信機の窓関数、循環的プリフィックス/サフィックス、およびチャネル畳み込みを制限なしにモデル化できる6つのパラメータを用いて、統一的な数学的定式化を提示する。主な貢献は、符号間干渉（ISI）および子搬送波干渉（ICI）のパワーとSINRを正確に計算できる新しい等価チャネル行列の導出であり、その結果、SER性能は類似しているものの、データレートにおいては受信機のみに窓関数を適用するシステムが他を上回ることを明らかにした。

ABSTRACT

A new unified formulation for seven different orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) systems is presented. The proposed formulation relies on six parameters and encompasses conventional OFDM systems, with windowing in the transmitter and/or in the receiver, and also with a cyclic prefix (CP) or both a CP and cyclic suffix (CS). A new equivalent channel matrix that is useful for calculating both the received signal and the intersymbol and intercarrier interference power is defined and characterized. Unlike previous works, this new channel matrix formulates the channel convolution with no restrictions on the length of the channel impulse response. Moreover, it includes the overlap-and-add procedure performed in the transmitter of windowed OFDM systems. Furthermore, new theoretical expressions for the intersymbol and intercarrier interference and also for the signal-to-interference-plus-noise ratio are derived.

研究の動機と目的

• 従来のCP-OFDMおよびWOLA-OFDM、CPW-OFDMを含む7つのOFDMシステム（CP-OFDMおよび6つの窓関数付き変種）を、一つの数学的枠組みで統一的に分析すること。
• OFDM信号送受信のモデル化において、チャネルインパulse応答長に制限を設けないこと。
• 窓関数付きOFDMシステムにおけるオーバーラップアンドアド処理を、直接的にチャネルモデルに統合すること。
• 符号間干渉（ISI）、2種類の子搬送波干渉（ICI）および信号対干渉加法ノイズ比（SINR）の閉形式式を導出すること。
• 現実的なチャネル条件下でのSERおよび実現可能なデータレートという観点から、異なるOFDMシステムの性能を評価・比較すること。

提案手法

• 送信機窓関数（オーバーラップアンドアドを含む）、チャネル畳み込み、受信処理を含むOFDM伝送チェーン全体をモデル化する新しい等価チャネル行列を提案する。
• CP、CS、および送信機・受信機の両方で窓関数を適用する7つのOFDMシステムの記述を統一するための6つの設計パラメータ（β, δ, ρ, γ, κ, μ）を用いる。
• ISIパワーおよび2種類のICI（I型およびII型）の解析的表現を導出し、周波数領域における総干渉パワーおよびSINRを算出する。
• 時間領域での窓関数処理および循環的プリフィックス/サフィックス操作を、信号の延長および重複を考慮した1つの行列形式に統合する。
• SERギャップモデルを用いてSINRおよび実現可能なデータレートを計算するための定式化を適用し、データレートはシャノン式を用いて算出する。
• 実際のチャネル（PED200、VEH200）を用いたコンピュータシミュレーションによりモデルを検証し、7つのOFDMシステムすべてにおけるSERおよびデータレートを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 7つの異なるOFDMシステム（CP-OFDMおよびさまざまな窓関数付き変種を含む）を記述できる統一的数学的枠組みはどのように構築できるか？
• RQ2 送信機側窓関数と受信機側窓関数の違いが、符号間干渉および子搬送波干渉パワーに与える影響は何か？
• RQ3 循環的プリフィックスと循環的サフィックスの両方を含めることで、干渉およびデータレート性能にどのような影響が生じるか？
• RQ4 循環的プリフィックス長と、それによる干渉パワーおよび実現可能なデータレートの関係は何か？
• RQ5 同じSER性能およびSNR条件下で、どのOFDMシステム構成が最高のデータレートを達成するか？

主な発見

• すべてのOFDMシステムは、異なるチャネルにおいてほぼ同一のSER性能を示し、システム間で誤り率に顕著なダイバーシティ利点がないことが示された。
• 受信機にのみ窓関数を適用するシステム（例：wrx-OFDM、CPwrx-OFDM）が、送信機側または両側に窓関数を適用するシステムよりも高いデータレートを達成した。
• 循環的プリフィックスとサフィックスの両方を含むシステム（例：CPW-OFDM）は、低干渉パワーを示すが、冗長なサンプルによるオーバーヘッドのため、データレートが低下する傾向にあった。
• CP-OFDMは、高SNR（40 dB）および短いCP長の条件下を除き、常に他のシステムを上回るデータレート性能を示した。
• 送信機側に窓関数を適用するシステムでは、受信機のみに窓関数を適用するシステムに比べ、ISIおよびICIの干渉パワーが高かった。
• 提案された統一的定式化により、チャネル長に制限がなく、7つのすべてのOFDMシステムにおける干渉およびSINRの正確かつ効率的な解析が可能となった。