[論文レビュー] New Reconfigurable L-Band Digital Aeronautical Communication System

Niharika Agrawal|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、再構成可能な線形位相マルチバンドFIRフィルタを用いて、186 kHz ～ 732 kHz の可変帯域幅をサポートする再構成可能フィルタドOFDM（Ref-OFDM）に基づくLバンドデジタル航空通信システム（LDACS）を提案する。従来のOFDMに比べ、スペクトル効率が向上し、不要帯域放射も低減され、DME信号との効率的な共存とスケーラブルなマルチユーザー・マルチバンド伝送を実現する。

ABSTRACT

To meet an ever-increasing demand of the spectrum for communication between aircraft and ground terminals, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) based L-band (960-1164MHz) Digital Aeronautical Communication System (LDACS) has been recently proposed as an alternative to existing narrowband systems. However, OFDM based LDACS needs additional control signaling for time and frequency alignment and the use of cyclic prefix and high out-of-band emission limits the spectrum utilization efficiency to less than 50%. In this paper, a new waveform has been proposed which offers better spectrum utilization than OFDM without compromising on computational complexity and interference to legacy users in L-band. It also allows transceivers to dynamically adapt the transmission bandwidth to meet the desired quality of service. Since the proposed waveform employs a reconfigurable multiband linear phase filter, it is referred to as reconfigurable filtered OFDM (Ref-OFDM). Simulation results and extensive analysis show that the proposed Ref-OFDM offers around 40 dB better out-of-band emission than OFDM which in turn leads to significant increase in the transmission bandwidth for a given BER and interference constraints. The computational complexity of Ref-OFDM is slightly higher than that of OFDM but it is significantly less than other waveforms making Ref-OFDM an attractive waveform for next generation air-to-ground communications. An end to end hardware prototyping of LDACS-DME coexistence is also presented in this report.

研究の動機と目的

• 高周波数成分の放射が著しく高いことによる、従来のOFDMベースのLDACSにおけるスペクトル利用の制限（固定498 kHz）を是正する。
• 現在のLDACSにおける柔軟性に欠ける帯域割り当てを克服し、動的で即時の帯域幅適応を可能にする。
• 係数再プログラミングを必要とせず、可変帯域幅をサポートする再構成可能線形位相マルチバンドFIRフィルタの設計。
• Lバンド（960–1164 MHz）における既存DME信号との効率的共存を実現するため、スペクトル形状の改善による実装。
• 面積、消費電力、遅延制約を満たすSoC実装を対象としたハードウェア・ソフトウェア協調設計フレームワークの開発。

提案手法

• 固定498 kHzに限定される従来のLDACSとは異なり、186 kHz ～ 732 kHzの帯域幅をサポートする一般化されたフレーム構造を提案。
• 送信・受信チェーンの両方に同一の再構成可能線形位相マルチバンドFIRフィルタを用いた再構成可能フィルタドOFDM（Ref-OFDM）変調器を実装。
• フィルタタップの切り替えによって帯域幅を動的に調整する設計により、係数再プログラミングを回避し、リアルタイムでの適応が可能となる。
• Zynqシステムオンチップ（SoC）上でハードウェア・ソフトウェア協調設計を実施。信号処理をARMプロセッサに、ベースバンド処理をFPGAにオフロード。
• 実環境のチャネル条件を再現するため、OFDM変調器をAD9361 RFフロントエンドと統合し、空中線を介したリアルタイム検証を実施。
• MATLABシミュレーションとハードウェアプロトタイピングにより、誤りビット率（BER）、スペクトルマスク適合性、リソース／電力効率を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LDACSは、186–732 kHzの範囲で柔軟かつ可変帯域幅を実現しつつ、スペクトル効率とDME共存性を維持できるか？
• RQ2 再構成可能FIRフィルタは、不要帯域放射を最小限に抑え、マルチバンド伝送を実現する上でどの程度の性能を示すか？
• RQ3 従来のOFDMと比較して、Ref-OFDM変調器は誤りビット率（BER）、スペクトルマスク適合性、ハードウェア複雑性の面でどのように差がつくか？
• RQ4 Zynq SoC上での最適なハードウェア・ソフトウェア分割は、面積、消費電力、遅延制約を満たすためにどのようになるか？
• RQ5 提案されたRef-OFDMシステムは、非同期マルチユーザーおよびマルチバンド伝送を効果的にサポートできるか？

主な発見

• 提案されたRef-OFDMベースのLDACSは、従来のOFDMの固定498 kHz制限を克服し、186 kHz ～ 732 kHzの広範な可変帯域幅をサポートする。
• 再構成可能FIRフィルタは、フィルタ係数の変更なしに帯域幅の動的適応を可能とし、実装の複雑さを低減する。
• シミュレーション結果から、不要帯域放射（OOB）性能が向上し、DME共存要件を満たすことが確認された。
• 線形位相FIRフィルタによる急峻なスペクトルロールオフにより、既存DMEユーザーへの干渉が低減された。
• Zynq SoC上でのハードウェアプロトタイピングにより、リソース使用量の妥当性と動的電力スケーリングの可能性が示され、AD9361 RFフロントエンドとの統合も可能である。
• 変調器設計は、1つの再構成可能フィルタを用いてマルチユーザーおよびマルチバンド伝送を実現でき、スケーラブルかつ効率的なスペクトル利用が可能となる。