[논문 리뷰] An Enabling Waveform for 5G - QAM-FBMC: Initial Analysis

Yinan Qi, Mohammed Al-Imari|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 08.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 3인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 다중 프로토타입 필터를 사용하여 필터 백분류 다중대역(Filtered-Bank Multicarrier, FBMC) 시스템에서 효율적인 QAM 전송을 가능하게 하는 새로운 5G 웨이브폼인 QAM-FBMC를 제안한다. 위상 노이즈와 채널 추정 오차 하에서도 뛰어난 성능을 보이며, 순환 접두사의 스펙트럼 효율 손실 없이 CP-OFDM와 동일한 BER 성능을 달성한다. 또한 낮은 밖으로 빠지는 방출(OOB)과 중간 수준의 복잡도를 갖는다.

ABSTRACT

In this paper, we identified the challenges and requirements for the waveform design of the fifth generation mobile communication networks (5G) and compared Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) based waveforms with Filter Bank Multicarrier (FBMC) based ones. Recently it has been shown that Quadrature-Amplitude Modulation (QAM) transmission and reception can be enabled in FBMC by using multiple prototype filters, resulting in a new waveform: QAM-FBMC. Here, the transceiver architecture and signal model of QAM-FBMC are presented and channel estimation error and RF impairment, e.g., phase noise, are modeled. In addition, initial evaluation is made in terms of out-of-band (OOB) emission and complexity. The simulation results show that QAM-FBCM can achieve the same BER performance as cyclic-prefix (CP) OFDM without spectrum efficiency reduction due to the adding of CP. Different equalization schemes are evaluated and the effect of channel estimation error is investigated. Moreover, effects of the phase noise are evaluated and QAM-FBMC is shown to be robust to the phase noise.

연구 동기 및 목표

• 5G 네트워크에서 CP-OFDM의 스펙트럼 효율성 및 밖으로 빠지는 방출(OOB) 한계를 해결하기 위해.
• 다중 프로토타입 필터를 사용하여 FBMC 시스템에서 QAM 변조를 가능하게 하여 QAM-FBMC를 구현하기 위해.
• 위상 노이즈 및 채널 추정 오차와 같은 현실적인 손상 조건 하에서 QAM-FBMC의 성능을 평가하기 위해.
• BER, 스펙트럼 효율성, 복잡도 측면에서 QAM-FBMC와 CP-OFDM를 비교하기 위해.
• QAM-FBMC가 라디오 주파수 손상에 대한 내성과 5G 용도에 적합한지를 평가하기 위해.

제안 방법

• FBMC에서 QAM 신호 전송을 지원하기 위해 다중 프로토타입 필터를 사용한 QAM-FBMC 송수신기 아키텍처 설계.
• QAM-FBMC 신호 모델에 위상 노이즈 및 채널 추정 오차를 포함한 RF 손상 모델링.
• QAM-FBMC에서 부호 간 간섭을 완화하기 위해 다양한 등화 기법 구현.
• 서브대역을 형상화하고 밖으로 빠지는 방출을 감소시키기 위해 코사인 롤오프 프로토타입 필터를 사용한 필터 백분 구조.
• 가우시안 백색 잡음(AWGN) 및 레이일레이 페이딩 채널 하에서의 시뮬레이션 기반 성능 평가.
• 동일한 변조 방식과 스펙트럼 마스크를 사용하여 QAM-FBMC와 CP-OFDM를 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QAM-FBMC는 순환 접두사의 스펙트럼 효율 손실 없이 CP-OFDM와 동일한 BER 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 QAM-FBMC는 위상 노이즈 및 채널 추정 오차 하에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 QAM-FBMC의 밖으로 빠지는 방출 수준은 CP-OFDM와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 특히 등화 및 필터링 단계에서 QAM-FBMC의 복잡도는 CP-OFDM와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 다중 프로토타입 필터는 스펙트럼의 집중을 유지하면서도 FBMC에서 QAM 전송을 효과적으로 가능하게 하는가?

주요 결과

• QAM-FBMC는 순환 접두사가 필요 없이 동일 조건에서 CP-OFDM와 동일한 비트 오류율(BER) 성능을 달성한다.
• QAM-FBMC는 CP-OFDM보다 유의미하게 낮은 밖으로 빠지는 방출(OOB)을 보이며, 스펙트럼 효율성이 향상된다.
• QAM-FBMC는 위상 노이즈에 대해 강건하며, 높은 위상 노이즈 수준에서도 안정된 성능을 유지한다.
• 채널 추정 오차는 성능을 저하시키지만, 중간 정도의 추정 정확도로도 QAM-FBMC는 실용 가능하다.
• QAM-FBMC의 등화 기법은 부호 간 간섭을 효과적으로 억제하며, 성능은 필터 설계 및 채널 조건에 따라 달라진다.
• QAM-FBMC의 복잡도는 중간 수준이며, CP 오버헤드가 없어 필터링 및 등화 비용이 균형을 이룬다.