[論文レビュー] Multi-Numerology Multiplexing and Inter-Numerology Interference Analysis for 5G

Abuu B. Kihero, Muhammad Sohaib J. Solaija+1 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2019

PAPR reduction in OFDM被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、複数のサブキャリアスケーリングが共存する5Gマルチ・ヌメロロジーOFDMシステムにおけるインターヌメロロジー干渉（INI）を調査する。解析的導出とモンテカルロシミュレーションを用いて、サブキャリアスケーリング比、パワー・オフセット、シンボル同期（共通CP対個別CP）といった要因がINIに与える影響を特定し、スペクトル非効率な手法に依存せずに干渉を最小化するスケジューリングおよび設計戦略を提案する。

ABSTRACT

Fifth generation (5G) radio access technology (RAT) is expected to flexibly serve multiple services with extremely diverse requirements. One of the steps taken toward fulfilling this vision of the 5G-RAT is an introduction of the multi-numerology concept, where multiple frame structures with different subcarrier spacings coexist in one frequency band. Though efficient in providing the required flexibility, this approach introduces a new kind of interference into the system known as inter numerology interference (INI). This study is geared toward analyzing the INI problem considering a cyclic prefix orthogonal frequency domain multiplexing (CP-OFDM) system and exposing the factors contributing to it through mathematical analyses. In-depth discussion of various critical issues concerning multi-numerology system such as frequency domain multiplexing and time domain symbol alignment for mixed numerologies is presented. Based on the findings of the conducted analyses, the paper highlights some approaches for minimizing INI in the system. The developed mathematical analysis is finally verified by Monte-Carlo simulations.

研究の動機と目的

• 共存するサブキャリアスケーリングを有する5Gマルチ・ヌメロロジーOFDMシステムにおけるインターヌメロロジー干渉（INI）の影響を分析すること。
• INIのレベルに影響を与える重要なシステムパラメータ、特にサブキャリアスケーリング比とパワー・オフセットを同定すること。
• 時間領域におけるシンボル同期技術—共通CP対個別CP—がINI低減に与える影響を評価すること。
• ガードバンドや窓関数のようなスペクトル非効率な手法に依存せずに、INIを最小化する実用的な設計およびスケジューリングガイドラインを提案すること。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析的結果を検証し、実用的妥当性と正確性を保証すること。

提案手法

• 周波数領域多重と時間領域信号モデリングを用いて、CP-OFDMシステムにおけるINIパワーの数学的表現を導出する。
• 有限幾何級数とオイラーの公式を適用し、サブキャリアマッピングおよびサイクリック・プロフェット同期に関与する複雑な総和を簡略化する。
• チャネルインパulse応答（CIR）とサブキャリアスケーリングオフセットを用いて、干渉パワー周波数スペクトル密度をモデル化する。
• INI分析における主要変数として、サブキャリアスケーリングオフセット（SSO）とパワー・オフセット（$P_{off}$）の概念を導入する。
• 干渉のシステム性能への影響を定量化するために、信号対干渉比（SIR）とSINR指標を用いる。
• さまざまなヌメロロジー構成と同期方式において、解析的結果をモンテカルロシミュレーションで検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチ・ヌメロロジーOFDMシステムにおけるインターヌメロロジー干渉（INI）を引き起こす主な要因は何ですか？
• RQ2 共存するヌメロロジー間のサブキャリアスケーリング比は、INIのレベルにどのように影響しますか？
• RQ3 隣接するヌメロロジー間のパワー・オフセットは、INIパワーにどのような影響を与えますか？
• RQ4 共通CP対個別CPという異なる時間領域シンボル同期戦略は、INIにどのように影響しますか？
• RQ5 適切なヌメロロジーのスケジューリングにより、ガードバンドやスペクトル非効率な手法を用いずにINIを低減できるでしょうか？

主な発見

• 隣接するヌメロロジー間のサブキャリアスケーリング比が、INIパワーに主たる要因として影響を与え、比が大きいほど干渉が増加する。
• 共存するヌメロロジー間のパワー・オフセット（$P_{off}$）を最小限に抑えることで、解析的およびシミュレーション結果ともにINIが顕著に低減される。
• 各ヌメロロジーに個別CPを適用する方法を共通CPに代えて採用することで、サブキャリア割り当てにおける直交性が保たれ、INIが低減される。
• 最小のサブキャリアスケーリング比を有するヌメロロジーを隣接させてスケジューリングすることで、INIを効果的に抑制できる。
• 提案された解析的モデルは、多様なシステム構成においてモンテカルロシミュレーションによる検証を通じて、INIレベルを正確に予測できる。
• 最適化されたスケジューリングおよび同期手法といったスペクトル効率の高い技術は、従来のガードバンドや窓関数手法に比べ、INI低減において優れた性能を示す。