[論文レビュー] Performance Analysis of Error Control Coding Techniques for Peak-to-Average Power Ratio Reduction of Multicarrier Signals

Sanjay Singh, M. Sathish Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2012

PAPR reduction in OFDM参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、BPSK変調OFDMシステムにおけるパワーピーク対平均電力比（PAPR）低減に向け、ハミング符号、巡回符号、畳み込み符号、ゴレイ符号、リード・マラー符号といったさまざまなエラー制御符号化技術の影響を調査している。リード・マラー符号がパrameters r=1, m=4の場合、2.2362 dBの最高のPAPR低減効果を示し、他の符号よりも優れていることが実証された。一方、畳み込み符号はPAPR低減性能とハードウェア複雑度の間で良好なトレードオフを提供している。

ABSTRACT

Increasing demands on high data rate mobile communications services will inevitably drive future broadband mobile communication systems toward achieving data transmission rates in excess of 100 Mbps. One of the promising technologies which can satisfy this demand on high data rate mobile communications services is the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) transmission technology which falls under the general category of multicarrier modulation systems. OFDM is a spectrally efficient modulation technique that can achieve high speed data transmission over multipath fading channels without the need for powerful equalization techniques. However the price paid for this high spectral efficiency and less intensive equalization is low power efficiency. OFDM signals are very sensitive to non-linear effects due to the high peak-to-average power ratio (PAPR), which leads to the power inefficiency in the RF section of the transmitter. This paper analyzes the relation between aperiodic autocorrelation of OFDM symbols and PAPR. The paper also gives a comparative study of PAPR reduction performance of various channel coding techniques for the OFDM signals. For our study we have considered Hamming codes, cyclic codes, convolution codes, Golay and Reed-Muller codes. The results show that each of the channel coding technique has a different PAPR reduction performance. Coding technique with the highest value of PAPR reduction has been identified along with an illustration on PAPR reduction performances with respect to each code.

研究の動機と目的

• OFDMシステムにおける高いPAPRが、パワー効率の低下とハードウェアコストの増加を引き起こすという問題に対処する。
• OFDMシンボルの非周期的自己相関とPAPRの関係を調査する。
• OFDMにおける複数のチャネル符号化技術のPAPR低減性能を比較分析する。
• エンコーダ/デコーダの複雑度を考慮した上で、PAPR低減に最も効果的な符号化技術を同定する。
• SLMなどの既存のPAPR低減技術と組み合わせるためのベンチマークを提供する。

提案手法

• N個のサブキャリアを有するOFDM信号をベースバンド複素包絡表現を用いてモデル化する。
• PAPRをシンボル時間内での最大瞬時電力と平均電力の比として定義する。
• 理論的導出を用いて、サブキャリア系列の非周期的自己相関がPAPRに与える影響を分析する。
• ハミング符号、巡回符号、ゴレイ符号、リード・マラー符号といった線形ブロック符号と畳み込み符号をOFDMシンボルに適用し、信号構造を変更する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、PAPR比較のためのCCDF（補完累積分布関数）曲線を生成する。
• PAPR低減量（dB）とコードレートを指標として用い、結果を表形式で整理・可視化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OFDMシンボルの非周期的自己相関は、そのPAPRとどのように関係しているか？
• RQ2 BPSK変調OFDMシステムにおいて、どのチャネル符号化技術が最高のPAPR低減を達成するか？
• RQ3 異なる符号化技術は、PAPR低減性能とハードウェア複雑度の観点から、どのように比較できるか？
• RQ4 エラー制御符号化は、SLMなどの既存のPAPR低減技術と効果的に組み合わせられるか？
• RQ5 パrameters rとmを変化させた場合、リード・マラー符号を用いて得られる最大のPAPR低減量は何か？

主な発見

• パrameters r=1およびm=4のリード・マラー符号が、2.2362 dBの最高のPAPR低減効果を示し、他のすべての符号を上回った。
• レート1/2、拘束長K=6の畳み込み符号は、2.0000 dBの2番目の高いPAPR低減効果を示し、性能と複雑度のバランスに優れた結果を示した。
• [23,12,7]ゴレイ符号はPAPRを1.9677 dB低減し、評価された符号の中で3番目に高い性能を示した。
• m=6のハミング符号とm=4の巡回符号は、それぞれ1.4194 dBおよび1.5161 dBのPAPR低減効果を示し、低い性能であった。
• レート1/3、K=9の畳み込み符号はPAPRを1.8710 dB低減し、1/2レートの対応品より低い順位に位置した。
• すべての符号のPAPR低減性能は、方程式(5)から導出されたように、OFDMシンボルの非周期的自己相関を抑圧する能力に直接関連している。