[論文レビュー] Overlap Frequency Domain Equalization for Faster-than-Nyquist Signaling

Hiroyuki Fukumoto, Kazunori Hayashi|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2015

PAPR reduction in OFDMEngineering参考文献 12被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、サイクリック・プロキシを用いない高速ネイキスト信号伝送（FTNS）のための重ね合わせ周波数領域等化（FDE）を提案する。MMSEに基づく等化器重みを用い、受信フィルタによる色付き雑音を考慮することで、スペクトル効率を向上させる。ローパassing係数0.5のルート・ローデッド・コサインフィルタを用いる場合、ネイキストレートより30%高い伝送レートを達成でき、BER性能に劣化がない。

ABSTRACT

This letter proposes the Faster-than-Nyquist signaling (FTNS) using overlap frequency domain equalization (FDE), which compensates the inter-symbol interference (ISI) due to band limiting filters of the FTNS at the transmitter and the receiver as well as the frequency selective fading channel. Since overlap FDE does not require any guard interval (GI) at the transmitter such as cyclic prefix (CP), higher spectral efficiency can be achieved compared to FTNS scheme using the conventional FDE. In the proposed method, the equalizer weight is derived based on minimum mean square error (MMSE) criterion taking the colored noise due to the receiving filter into consideration. Moreover, we also give an approximated FDE weight in order to reduce the computational complexity. The performance of the proposed scheme is demonstrated via computer simulations.

研究の動機と目的

• 従来のFDEベースのFTNS受信機における、ガードインターバル（例：サイクリック・プロキシ）によるスペクトル効率の損失を是正すること。
• FTNSシステムにおける帯域制限の送信/受信フィルタおよび周波数選択的 fading リンクに起因するシンボル間干渉（ISI）を低減すること。
• 従来の研究でしばしば無視される、受信フィルタに起因する色付き雑音をFDE設計に明示的に組み込むこと。
• 完全MMSE解に近い性能を維持しながら、計算複雑度を低減するための近似1タップMMSE重みを導入すること。
• 重ね合わせFDEが、特に高伝送レート時において、従来のCP付きFDEに比べて高いスペクトル効率を達成できることを示すこと。

提案手法

• 送信側でのガードインターバル不要化を実現するため、重ね合わせFDEを採用し、スペクトル効率を向上させる。
• 受信フィルタに起因する色付き雑音を明示的に考慮したMMSE等化器重みを導出することで、耐障害性を向上させる。
• 計算複雑度の低減を図るため、近似1タップFDE重みを導入し、性能を維持する。
• 実装複雑度の管理のため、DFTサイズ512と、脈動応答のν=10での切り捨てを用いたブロック処理方式を採用する。
• より高いシンボルレートでネイキスト基準を満たすために、送信および受信フィルタとしてローパassing係数0.5のルート・ローデッド・コサイン（RC）フィルタを適用する。
• ブロック単位での処理を用いた周波数領域等化を実施し、エッジ歪みを低減するために、重複するシンボルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重ね合わせFDEは、ガードインターバルを排除しつつ、BER性能を維持または向上させることができるか？
• RQ2 受信フィルタに起因する色付き雑音はFTNSにおけるFDE性能にどのように影響を及ぼし、効果的にモデル化・補償可能か？
• RQ3 FTNSシステムにおいて、従来のCP付きFDEに比べて、重ね合わせFDEが実現可能なスペクトル効率の向上はどの程度か？
• RQ4 低複雑度の近似MMSE FDE重みは、完全MMSE解に近い性能を達成できるか？
• RQ5 重ね合わせFDEと適切なフィルタリングを用いる場合、BER劣化を伴わずに、どの程度まで伝送レートをネイキストレートを超えて上回れるか？

主な発見

• 提案された重ね合わせFDE方式は、ガードインターバルを排除することで、従来のCP付きFDEに比べて高いスペクトル効率を達成する。
• MMSE等化器重みに色付き雑音を明示的に組み込むことで、特に高伝送レート時において、無視した場合に比べて顕著に優れたBER性能が得られる。
• 近似1タップFDE重みは、完全MMSE重みと同等の性能を達成しており、複雑度低減に有効であることが検証された。
• ルート・ローデッド・コサインフィルタを用い、ローパassing係数0.5とした場合、提案方式はネイキストレート比で30%高い伝送レートを達成でき、BER劣化なしに実現した。
• AWGNおよびレイリー fading チャネルの両方において、同じ有効データレートで、提案方式は従来のCP付きFDEを上回る性能を示した。
• RMSE解析から、FDE出力のわずかな部分（ブロック端縁付近）を破棄するだけでよく、重ね合わせFDEの計算オーバーヘッドが限定的であることが確認された。