[論文レビュー] Pulse Shaped OFDM for 5G Systems

Zhao Zhao, Malte Schellmann+4 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

PAPR reduction in OFDM参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、スペクトル効率を向上させるとともに、周波数ドメインの局在性を高め、周波数帯域外漏れを低減するための、5Gシステムに適した柔軟な波形としてパルス形状OFDMを提案している。形状化されたパルスフィルタを用いることで、複雑性の著しい増加を伴わずにスペクトルの包含性を向上させることができる。本稿では、パルス形状化が周波数領域の局在性および時間・周波数歪みに対する耐性を向上させることを示しており、これにより効率的なスケジューリング共有が可能になり、CP-OFDMと比較して1–2%の追加処理オーバーヘッドで多様な5Gサービスを効果的にサポートできることが明らかになった。

ABSTRACT

OFDM-based waveforms with filtering or windowing functionalities are considered key enablers for a flexible air-interface design for multi-service support in future 5G systems. One candidate from this category of waveforms is pulse shaped OFDM, which follows the idea of subcarrier filtering and aims at fully maintaining the advantages of standard OFDM systems while addressing their drawbacks. In this paper, we elaborate on several pulse shaping design methods, and show how pulse shapes can be exploited as an additional degree of freedom to provide better frequency localization and more efficient spectrum utilization under a pre-defined spectrum mask. The performance analysis and evaluation results show that, for a practical mobile communication systems, the application of pulse shaping is a simple and effective means to achieve a lower out-of-band leakage for OFDM systems at virtually no costs. In fact, the complexity increase amounts to 1-2% compared to CP-OFDM only. In addition, the system's robustness against both time and frequency distortions is shown to be substantially improved by a proper pulse shape design. By allowing for the flexible configuration of physical layer parameters per sub-band according to the diverse requirements of future 5G services, pulse shaped OFDM systems can efficiently facilitate asynchronous transmissions and fragmented spectrum access, rendering it beneficial for various mobile-broadband and Internet-of-Things applications.

研究の動機と目的

• 従来のCP-OFDMが示す周波数帯域外漏れの高さとスペクトル包含性の低さといった制限を是正すること。
• 周波数局在性とスペクトル効率の向上を図るため、パルス形状化を追加の自由度として活用すること。
• 周波数帯域外放射、時間および周波数歪みに対する耐性、システム複雑性という観点から、性能向上の程度を評価すること。
• 5Gにおける非同期伝送および断片化されたスケジューリングアクセスにおいて、パルス形状OFDMの実現可能性と利点を示すこと。
• パルス形状化が、周波数帯域外漏れの低減と高いスペクトル・システム性能の向上を図りながら、最小限のオーバーヘッド（1–2%）で実装可能であることを示すこと。

提案手法

• 本稿では、パルス形状化を施した一般的なOFDMシステムをモデル化し、送信信号が時間および周波数シフトされたプロトタイプパルス形状 $ g(t) $ を用いて形成される。これによりサブキャリアフィルタリングが可能となる。
• 受信側では、受信パルス $ \gamma(t) $ を用いてマッチドフィルタリングまたはアンマッチドフィルタリングを実施し、SNR最適化や干渉抑制の両方を可能にする。
• フィルタバンクフレームワークを用いてシステムを分析し、パルス形状を設計することで、望ましいスペクトル的および時間的特性を達成する。
• 本稿では、矩形波、ローディング・コサイン、その他の窓関数を用いたパルス形状法を評価し、スペクトル包含性と周波数帯域外漏れのバランスを最適化する。
• EVMおよびSINR指標を用いて、ドッパー拡散、キャリア周波数オフセット、位相ノイズを含む実際の5G環境下での性能を評価する。
• 計算複雑性の分析により実装への影響を評価し、標準CP-OFDMと比較して1–2%の増加に留まることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルス形状化は、複雑性の著しい増加を伴わず、OFDMシステムにおける周波数帯域外漏れを顕著に低減できるか？
• RQ2 パルス形状化は、ドッパー拡散や位相ノイズといった時間領域および周波数領域の歪みに対する耐性をどのように向上させるか？
• RQ3 パルス形状化は、5Gシステムにおける柔軟で非同期的かつ断片化されたスケジューリングアクセスをどの程度可能にするか？
• RQ4 パルス形状OFDMにおいて、スペクトル包含性、信号整合性、処理オーバーヘッドの間のトレードオフはどのようなものか？
• RQ5 パフォーマンスと柔軟性という観点から、CP-OFDM、ZP-OFDM、DFTs-OFDMといった既存の波形と比較して、パルス形状OFDMはどのような差異を示すか？

主な発見

• パルス形状化により周波数帯域外漏れが顕著に低減され、定められたスペクトルマスク下でも良好なスペクトル共存性が実現され、性能劣化は最小限に抑えられる。
• 適切なパルス形状設計により、ドッパー拡散や位相ノイズといった時間および周波数歪みに対するシステムの耐性が向上する。
• 標準CP-OFDMと比較して複雑性の増加は1–2%にとどまり、5Gシステムにおいて実用的かつ実現可能なソリューションである。
• パルス形状OFDMはサブバンドごとに柔軟に設定可能であり、eMBB、MCC、mMTCといった多様な5Gサービスの効率的サポートが可能となる。
• 波形は非同期伝送および断片化されたスケジューリングアクセスを可能にし、将来の無線ネットワークにおけるシステムの柔軟性を高める。
• EVMおよびSINR指標を用いた性能の定量的評価により、256QAMのEVM要件（3.5%）は最小SINR 29.12 dBに相当し、適切なパルス形状化によりこれを満たすことが確認された。