[論文レビュー] MU-UFMC System Performance Analysis and Optimal Filter Length and Zero Padding Length Design

Lei Zhang, Ayesha Ijaz+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2016

PAPR reduction in OFDM参考文献 12被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、マルチユーザUFMCシステムにおける干渉なしワンタップ均衡化モデルを提案し、サブバンドフィルタリングがSNR、容量、BERに与える影響を分析する。CFO、TO、ガードインターバル、フィルタータイルカットを含む解析的システムモデルを確立し、頑健な均衡化アルゴリズムを導入し、システム容量を最大化するためのフィルタ長およびガードインターバル長の最適化基準を定式化した。数値結果により、モデルの正確性と性能向上が確認された。

ABSTRACT

Universal filtered multi-carrier (UFMC) systems offer a flexibility of filtering arbitrary number of subcarriers to suppress out of band (OoB) emission, while keeping the orthogonality between subbands and subcarriers within one subband. However, subband filtering may affect system performance and capacity in a number of ways. In this paper, we first propose the conditions for interference-free one-tap equalization and corresponding signal model in the frequency domain for multi-user (MU) UFMC system. Based on this ideal interference-free case, impact of subband filtering on the system performance is analyzed in terms of average signal-to-noise ratio (SNR) per subband, capacity per subcarrier and bit error rate (BER) and compared with the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. This is followed by filter length selection strategies to provide guidelines for system design. Next, by taking carrier frequency offset (CFO), timing offset (TO), insufficient guard interval between symbols and filter tail cutting (TC) into consideration, an analytical system model is established. New channel equalization algorithms are proposed by considering the errors and imperfections based on the derived signal models. In addition, a set of optimization criteria in terms of filter length and guard interval/filter TC length subject to various constraints is formulated to maximize the system capacity. Numerical results show that the analytical and corresponding optimal approaches match the simulation results, and the proposed equalization algorithms can significantly improve the BER performance.

研究の動機と目的

• マルチユーザUFMCシステムにおける干渉なしワンタップ均衡化を実現するための条件を確立し、それに応じた周波数ドメイン信号モデルを導出すること。
• サブバンドフィルタリングが平均SNR（サブバンドご）、周波数効率（サブキャリアご）、およびビット誤り率（BER）といった主要な性能指標に与える影響を分析すること。
• 実用的UFMCシステム設計を支援するためのフィルタ長選択戦略を構築すること。
• キャリア周波数オフセット（CFO）、タイミングオフセット（TO）、不十分なガードインターバル、フィルタータイルカットといったシステム劣化要因をモデル化すること。
• 実用的制約下でシステム容量を最大化するためのフィルタ長およびガードインターバル（またはフィルタータイルカット長）の最適化基準を定式化すること。

提案手法

• 理想状態における干渉なしワンタップ均衡化条件下でのMU-UFMCの周波数ドメイン信号モデルを導出する。
• サブバンドフィルタリングによる性能劣化を、サブバンドご平均SNR、サブキャリアご周波数効率、BERの評価を通じて分析し、OFDMと比較する。
• CFO、TO、ガードインターバル制限、フィルタータイルカット効果を組み込んだ解析的システムモデルを構築する。
• 解析的信号モデルから導出された誤差および不完全性を考慮した新たなチャネル均衡化アルゴリズムを提案する。
• システム容量を最大化するための最適なフィルタ長およびガードインターバル／フィルタータイルカット長を同時に決定する最適化フレームワークを開発する。
• 数値シミュレーションを通じて解析モデルおよび最適化結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチユーザUFMCシステムで干渉なしワンタップ均衡化を実現するための条件は何か？
• RQ2 サブバンドフィルタリングは、OFDMと比較してMU-UFMCの平均SNR（サブバンドご）、周波数効率、BERにどのように影響を与えるか？
• RQ3 実用的制約下でシステム容量を最大化する最適なフィルタ長およびガードインターバル／フィルタータイルカット長の設定は何か？
• RQ4 CFO、TO、不十分なガードインターバル、フィルタータイルカットはMU-UFMCの性能をどのように劣化させるか。また、それらをどのように緩和できるか？
• RQ5 提案された均衡化アルゴリズムは、現実的なシステム不具合下でどれほどBER性能を向上させるか？

主な発見

• ワンタップ均衡化を伴うMU-UFMCの解析的モデルは、理想状態下でのシステム動作を正確に予測できる。
• サブバンドフィルタリングは、OFDMと比較してSNR、容量、BERに劣化をもたらすが、その影響は定量的に分析された。
• 提案された均衡化アルゴリズムは、CFO、TO、フィルタータイルカットの影響を補償することで、BER性能を顕著に向上させる。
• 最適化フレームワークから導出された最適なフィルタ長およびガードインターバル（またはフィルタータイルカット長）の設定は、シミュレーション結果とよく一致する。
• 解析的および最適化アプローチは数値的に妥当性が確認され、シミュレーション結果と強い一致を示した。
• 遅延スプレッドやスペクトルマスク要件といった実用的制約下で、フィルタ長とガードインターバルを共同最適化することでシステム容量が最大になる。