[論文レビュー] Orthogonal Chirp Division Multiplexing

Xing Ouyang, Jian Zhao|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2016

Radar Systems and Signal ProcessingEngineering参考文献 49被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、同じ帯域内で直交する線形チープ波形を多重化する新しい多載波伝送方式、直交チープ多重多路通信（OCDM）を提案する。信号処理にはフレネル変換を活用し、多径フェージング環境下でのOFDMより優れた性能を示す。これは、多径ダイバーシティを活用し、シングルタップ線形イコライザによる効率的なイコライジングを可能にする。無線環境におけるシミュレーションにより検証された。

ABSTRACT

Chirp waveform plays a significant role in radar and communication systems for its ability of pulse compression and spread spectrum. This paper presents a principle of orthogonally multiplexing a bank of linear chirp waveforms within the same bandwidth. The amplitude and phase of the chirps are modulated for information communication. As Fourier trans-form is the basis for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), Fresnel transform underlies the proposed orthogonal chirp division multiplexing (OCDM). Digital implementa-tion of the OCDM system using discrete Fresnel transform is proposed. Based on the con-volution theorem of the Fresnel transform, the transmission of the OCDM signal is analyzed under the linear time-invariant or quasi-static channel with additive noise, which can gener-alize typical linear transmission channels. Based on the eigen-decomposition of Fresnel transform, efficient digital signal processing algorithm is proposed for compensating chan-nel dispersion by linear single- tap equalizers. The implementation details of the OCDM system is discussed with emphasis on its compatibility to the OFDM system. Finally, simula-tion are provided to validate the feasibility of the proposed OCDM under wireless channels. It is shown that the OCDM system is able to utilize the multipath diversity and outperforms the OFDM system under the multipath fading channels.

研究の動機と目的

• 無線チャネルにおけるスペクトル効率の向上と耐障害性の向上を目的とした、チープ波形を用いた新しい直交多載波変調方式の開発。
• OFDMがフーリエ変換に依存するのと同様に、フレネル変換に基づくOCDMの理論的基盤の確立。
• 実用的なシステム設計を可能にするために、離散フレネル変換を用いたOCDMのデジタル実装の実現。
• 加法性ノイズを伴う線形時不変または準静的チャネル上でのOCDMの性能分析。
• 既存のOFDMシステムとの相互運用性の確立と、多径フェージング環境下での性能向上の実証。

提案手法

• OCDMシステムは、共有帯域内で、変調された振幅と位相を有する直交する線形チープ波形を用いてデータ伝送を行う。
• 信号処理はフレネル変換に基づく。これは、OFDMで用いられるフーリエ変換に代わるものであり、チープの直交多重化を可能にする。
• デジタル実装は離散フレネル変換を用いて達成され、効率的な計算と信号処理を可能にする。
• 線形時不変または準静的チャネルに加えられた加法性ノイズをモデル化するため、フレネル変換の畳み込み定理が適用される。
• フレネル変換の固有値分解を用いて、チャネル分散を補償する効率的なシングルタップ線形イコライザの設計が行われる。
• システム設計はOFDMとの相互運用性に重点を置き、既存の通信インfraストラクチャへの統合および移行の可能性を高める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フレネル変換を用いることで、共有帯域内で直交する線形チープ波形の多重化が可能か？
• RQ2 OCDMは、従来のOFDMと比較して、多径フェージング環境下でどのように性能を発揮するか？
• RQ3 フレネル変換に基づく信号処理は、シングルタップフィルタによる効率的なイコライジングを可能にするか？
• RQ4 現実の無線チャネル条件下でのOCDMの実現可能性と性能はいかがなものか？
• RQ5 OCDMは、多径ダイバーシティをどの程度活用してシステムの信頼性を向上させられるか？

主な発見

• フレネル変換を用いることで、OCDMはチープ波形の直交多重化を成功裏に実現し、効率的な多載波伝送を可能にする。
• 多径フェージング環境下では、ビット誤り率（BER）性能においてOFDMを上回ることを示した。特に、遅延-Dopplerス预が大きい環境で顕著な優位性を示した。
• フレネル変換の固有値分解から導かれるシングルタップ線形イコライザは、低い計算複雑性でチャネル分散を効果的に補償する。
• シミュレーション結果から、OCDMが多径ダイバーシティを活用でき、スペクトル効率とリンク信頼性の向上に寄与することが確認された。
• 離散フレネル変換を用いたデジタル実装は実現可能であり、既存のOFDMシステムアーキテクチャと互換性がある。
• 特に準静的および周波数選択的フェージングチャネル下では、OCDMはOFDMよりもフェージング耐性に優れている。