[論文レビュー] Transceiver Design for GFDM with Index Modulation in Multi-user Networks

Merve Yüzgeçcioğlu, Eduard A. Jorswieck|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2018

PAPR reduction in OFDM被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、追加の情報を伝えるためにサブキャリアインデックスの割り当てを活用することで、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させる、新しいマルチユーザGFDM-インデックスモデュレーション（GFDM-IM）受信機設計を提案する。MMSEに基づく共同検出および復調（JDD）を統合することで、特に中〜高SNR領域において、従来のGFDMおよびOFDM-IMと比較して優れたビット誤り率（BER）性能を達成する。これは、マルチユーザ環境における周波数ドメイン信号分離およびインターフェアレンス低減が向上したためである。

ABSTRACT

Index modulation (IM) techniques can be applied to the different media in order to achieve spectral- and energy-efficient communication as well as to the indices of the subcarriers of a generalized frequency division multiplexing (GFDM) data block. In this work, a novel transceiver architecture for multi-user GFDM-IM system is introduced. The performance of the GFDM-IM is studied by considering the bit error rate (BER) as performance metric. It is shown that better BER performance than the classical GFDM and the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with IM can be achieved by employing IM to the GFDM.

研究の動機と目的

• 5Gマルチユーザネットワークにおける4G LTEを超える高スペクトル効率および高エネルギー効率の需要に対応する。
• マルチユーザインターフェアランス環境における従来のGFDMおよびOFDM-IMの限界を克服する。
• ユーザーのデータとサブキャリアインデックスを同時に検出する受信機アーキテクチャを設計し、システムの信頼性を向上させる。
• 現実の fading ループチャネルを想定したマルチユーザアップリンク環境におけるGFDM-IMの性能を評価する。

提案手法

• サブキャリアインデックスを追加ビットの伝送に用いることでスペクトル効率を向上させるGFDM-IM受信機アーキテクチャを提案する。
• 各サブシンボルごとにサブキャリアをGグループに分割し、事前に定義されたルックアップテーブルΦを用いて各グループからK個のサブキャリアを選択する。
• MMSEフィルタを用いた共同検出および変調解除（JDD）受信機を採用し、ユーザ間インターフェアランス（IUI）を低減する。
• 送信データを全ユーザおよびアフタントレースで推定するためのMMSEフィルタ W = (BHB + σ²I)⁻¹BHB を使用する。
• すべての可能なアクティブサブキャリア組み合わせについて、m(j) = Σ|ŷₗᵗᵘ(Φ(j,k))| を用いてインデックスを検出するための意思決定指標を適用する。
• ICI/IUI低減後にグループ別デモジュレーションを用いて検出されたインデックスとM-ary変調シンボルを復調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GFDM-IMは、マルチユーザアップリンクネットワークにおいて、従来のGFDMおよびOFDM-IMよりも優れたBER性能を達成できるか？
• RQ2 GFDMにインデックスモデュレーションを統合することで、マルチユーザ環境におけるスペクトル効率および誤り耐性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 ロールオーファクター（α）は、GFDM-IMシステムのBER性能にどのような影響を及えるか？
• RQ4 ユーザ数および受信アンテナ数の増加がシステム性能に与える影響は何か？
• RQ5 提案されたJDD受信機は、インデックスおよびデータシンボルの復調を実行する中で、ユーザ間インターフェアランスを効果的に低減できるか？

主な発見

• GFDM-IMは、全SNR範囲において従来のGFDMおよびOFDM-IMと比較して顕著に低いBERを達成し、特に中〜高SNR領域で顕著な優位性を示す。
• 2ユーザネットワークでは、α = 0.1のGFDM-IMが20 dB SNRでBER = 10⁻⁵を達成し、OFDM-IMおよび従来のGFDMを上回る性能を示した。
• 4ユーザネットワークでは、受信アンテナ数NR = 4が増加するにつれてBER性能が向上し、JDD設計のロバスト性を確認した。
• ロールオーファクターαは性能にわずかな負の影響を及ぼすが、中SNR領域においてα = 0.9はα = 0.1に比べてやや悪いBERを示した。
• 提案されたJDD受信機は、ユーザ信号を効果的に分離し、サブキャリアインデックスおよびM-ary変調シンボルの信頼性の高い検出を可能にした。
• Ktot（アクティブサブキャリア数）を調整することで、スペクトル効率と送信電力のトレードオフを柔軟に制御でき、システムの柔軟性が向上した。