[논문 리뷰] Coexistence in 5G: Analysis of Cross-Interference between OFDM/OQAM and Legacy Users

Quentin Bodinier, Faouzi Bader외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 06.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 17인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 5G 공존 시나리오에서 OFDM/OQAM 및 CP-OFDM 사용자 간의 교차 간섭에 대한 정확한 폐쇄형 표현식을 제공하며, OFDM/OQAM가 기존 CP-OFDM 사용자에게 간섭을 크게 줄이는 데 기여하지 못함을 입증한다. 이는 PSD 기반 모델에 기반한 광범위한 가정과 정반대된다. 주요 발견은 PSD 기반 모델이 CP-OFDM 수신기의 직사각형 수신 윈도우로 인해 발생하는 디모듈레이션 후 간섭을 포착하지 못한다는 점으로, 이는 파형 비교에 있어 모델의 신뢰성을 떨어뜨린다.

ABSTRACT

To optimize the use of the spectrum, it is expected that the next generation of wireless networks (5G) will enable coexistence of newly introduced services with legacy cellular networks. These new services, like Device-To-Device (D2D) communication, should require limited synchronization with the legacy cell to limit the amount of signaling overhead in the network. However, it is known that Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing (CP-OFDM) used in Long Term Evolution-Advanced (LTE-A) is not fit for asynchronous environments. This has motivated the search for a new waveform, able to enhance coexistence with CP-OFDM. Namely, it has been widely suggested that new devices could use OFDM/Offset-Quadrature Amplitude Modulation (OFDM/OQAM) to reduce the interference they inject to legacy cellular users. However, values of interference are usually measured at the input antenna of the receiver, based on the PSD of the interfering signal. We showed in previous works that this measurement is not representative of the actual interference that is seen after the demodulation operations. Building on this finding, we provide in this paper the first exact closed forms of cross-interference between OFDM/OQAM and CP-OFDM users. Our results prove that using OFDM/OQAM only marginally reduces interference to legacy users, in contradiction with many results in the literature.

연구 동기 및 목표

• 5G 공존 시나리오에서 OFDM/OQAM 및 CP-OFDM 시스템 간 디모듈레이션 후 교차 간섭에 대한 엄밀한 수학적 분석의 부족을 해결하기 위해.
• 낮은 밖으로 방출되는 스펙트럼 성분이 간섭 감소를 직접 이끈다는 가정을 하는, 널리 사용되는 PSD 기반 모델의 간섭 추정 방식을 도전하기 위해.
• 디모듈레이션 후 수신기에서 실제로 관측되는 간섭을 정량화하기 위해, 사전 디모듈레이션 스펙트럼 전력 밀도에 의존하지 않기 위해.
• 이전 문헌에서 주장한 것처럼 OFDM/OQAM이 기존 CP-OFDM 사용자에게 실제로 간섭을 줄이는지 평가하기 위해.
• 다중 파형 5G 네트워크에서 간섭 모델링 및 표준화 관행을 재고하기 위한 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 신호 모델 및 수신기 동작에 기반하여, OFDM/OQAM에서 CP-OFDM로의 교차 간섭과 그 반대의 정확한 폐쇄형 표현식 유도.
• OFDM/OQAM에서 높은 스펙트럼 수용성과 낮은 밖으로 방출되는 스펙트럼 성분을 확보하기 위해 PHYDYAS 프로토타입 필터 사용.
• CP-OFDM 수신기의 직사각형 수신 윈도우를 간섭 모델에 통합하여, 디모듈레이션 후 간섭에 미치는 영향을 핵심적으로 고려.
• 주파수 오프셋 및 심볼 타이밍 이격에 따라 간섭 전력이 어떻게 변화하는지를 수학적으로 모델링.
• 실제 파rameter를 사용한 수치 시뮬레이션을 통한 분석 결과 검증: M=512 서브밴드, T_CP = T/8, 단위 에너지 심볼, δ_f = 0.
• 분석 결과를 PSD 기반 모델 및 시뮬레이션 데이터와 비교하여 모델 정확도 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PSD 기반 모델이 제시하는 바와 같이, OFDM/OQAM이 CP-OFDM에 비해 기존 CP-OFDM 사용자에게 간섭을 크게 줄이는가?
• RQ2 왜 시뮬레이션 결과는 PSD 기반 간섭 모델이 예측한 바와 같은 성능 향상이 나타나지 않는가?
• RQ3 CP-OFDM 수신기의 직사각형 수신 윈도우가 디모듈레이션 후 실제로 관측되는 간섭 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 OFDM/OQAM의 PSD 특성이 실제로 공존 시나리오에서 간섭 감소로 이어지는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 다른 파형을 사용하는 시스템 간 공존 성능 평가에 있어 PSD 기반 모델을 신뢰성 있게 사용할 수 있는가?

주요 결과

• PSD 기반 모델은 CP-OFDM에서 OFDM/OQAM로의 간섭에 대해 좋은 근사치를 제공하지만, OFDM/OQAM에서 CP-OFDM로의 간섭에 대해서는 완전히 실패한다.
• OFDM/OQAM 심볼이 CP-OFDM 수신기의 직사각형 수신 윈도우에 의해 잘리기 때문에, CP-OFDM 수신기에서 실제로 관측되는 간섭은 PSD 모델이 예측한 것보다 훨씬 높다.
• 보조 시스템이 OFDM/OQAM을 사용할 경우 최대 교차 간섭은 CP-OFDM를 사용할 경우와 비교해 약 3 dB 뿐 높을 뿐이며, 이는 성능 향상이 극히 미미하다는 것을 의미한다.
• 유도된 간섭 폐쇄형 표현식은 시뮬레이션 결과와 완벽하게 일치하여 분석 모델의 타당성을 검증한다.
• 하드웨어 제약 조건과 전력 증폭기의 비선형성은 실제 구현 환경에서 OFDM/OQAM의 잠재적 이점이 추가로 감소시킬 것으로 예상된다.
• 본 연구는 공존 성능 향상이 단지 향상된 파형만으로 달성될 수 없으며, 기존 CP-OFDM 수신기 또한 이종적이고 비직교적인 신호를 처리할 수 있도록 재설계되어야 한다고 결론 내린다.