[논문 리뷰] Filtered-OFDM - Enabler for Flexible Waveform in The 5th Generation Cellular Networks

Xi Zhang, Ming Jia외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 29.

PAPR reduction in OFDM인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 5G 네트워크를 위한 유연한 웨이브폼 에이블러로 필터드-OFDM(f-OFDM)을 제안하며, 서브밴드 기반의 자원 할당을 가능하게 하고, 최적화된 넘버롤로지와 필터링을 통해 대역 외부 방출과 간격을 감소시킵니다. 시뮬레이션 결과, 다양한 서비스 유형과 채널 조건에 맞게 웨이브폼을 적응시킴으로써 기존 OFDM 대비 최대 46%의 Throughput 향상을 보였습니다.

ABSTRACT

The underlying waveform has always been a shaping factor for each generation of the cellular networks, such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) for the 4th generation cellular networks (4G). To meet the diversified and pronounced expectations upon the upcoming 5G cellular networks, here we present an enabler for flexible waveform configuration, named as filtered-OFDM (f-OFDM). With the conventional OFDM, a unified numerology is applied across the bandwidth provided, balancing among the channel characteristics and the service requirements, and the spectrum efficiency is limited by the compromise we made. In contrast, with f-OFDM, the assigned bandwidth is split up into several subbands, and different types of services are accommodated in different subbands with the most suitable waveform and numerology, leading to an improved spectrum utilization. After outlining the general framework of f-OFDM, several important design aspects are also discussed, including filter design and guard tone arrangement. In addition, an extensive comparison among the existing 5G waveform candidates is also included to illustrate the advantages of f-OFDM. Our simulations indicate that, in a specific scenario with four distinct types of services, f-OFDM provides up to 46% of throughput gains over the conventional OFDM scheme.

연구 동기 및 목표

• 고정된 넘버롤로지, 높은 대역 외부 방출(OOBE), 엄격한 동기화 요구 사항 등의 문제로 인해 기존 OFDM의 한계를 해결합니다.
• 초고신뢰성 저지연 통신(URLLC), 대량의 머신 타입 통신(mMTC), 향상된 모바일 브로드밴드(eMBB)와 같은 다양한 5G 서비스를 지원하기 위해 유연한 웨이브폼 구성 기능을 제공합니다.
• 서브밴드 필터링과 간격 톤 최적화를 통해 간격 사용을 최소화하고 서브밴드 간 간섭을 줄입니다.
• 저연산 복잡도와 4G LTE와의 후행 호환성을 유지하면서도 전체 스펙트럼 효율성을 향상시킵니다.

제안 방법

• 할당된 대역폭을 다수의 서브밴드로 분할하고, 각 서브밴드를 서비스 및 채널 특성에 따라 최적화된 OFDM 파arameter(서브캐리어 간격, 순환 전치기 길이, TTI)로 독립적으로 설정합니다.
• 서브밴드 간 간섭을 억제하고 OOBE를 감소시키기 위해 각 서브밴드에 루트-레즈드 코즈인(RRC) 필터를 적용하여 이질적 전송을 가능하게 합니다.
• 서브밴드 간 간섭을 억제하기 위해 간격 톤을 도입하며, 스펙트럼 낭비를 최소화하도록 설계를 최적화합니다.
• 서브밴드 내에서 시간 도메인 정규직교성을 해체함으로써 OOBE를 감소시키고 성능 저하를 최소화함으로써 동기화 요구 조건을 완화합니다.
• 각 서브밴드별 독립적인 웨이브폼 처리를 지원하기 위해 다중 서브밴드 트랜시iever 아키텍처(그림 1)를 사용합니다.
• 실제 채널 모델(EPA, ETU, EVA, 수정된 EVA)과 MCS 적응 기반의 4G LTE 기반 시뮬레이션 설정을 사용하여 성능을 평가합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 f-OFDM는 간격 사용을 최소화하면서도 기존 OFDM 대비 대역 외부 방출(OOBE)을 현저히 줄일 수 있는가?
• RQ2 서브밴드 전용 넘버롤로지와 웨이브폼 적응을 통해 f-OFDM가 스펙트럼 효율을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 서브밴드 간 간섭과 이질적 전송 조건 하에서 f-OFDM는 어떤 성능을 보이는가?
• RQ4 이질적인 서비스 환경에서 f-OFDM는 기존 OFDM 대비 어떤 정도의 Throughput 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ5 f-OFDM는 기존 OFDM 시스템과의 공존을 어떻게 지원하고 4G LTE에서의 부드러운 진화를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 스펙트럼 마스크 측정 결과(그림 8)에 따르면, 심지어 1-MHz 간격 간격이 존재하는 상황에서도 f-OFDM는 기존 OFDM 대비 OOBE를 현저히 감소시킵니다.
• 서브밴드 간 간격 톤이 단 두 개뿐이어도, 10 dB의 전력 불균형 조건에서도 f-OFDM는 간섭이 없는 단일 OFDM 시스템과 유사한 BLER 성능을 유지합니다(그림 10).
• 보행자, 도심, 고속도로, V2V 등 네 가지 서비스 유형이 혼합된 이질적 환경에서 f-OFDM는 기존 OFDM 대비 최대 46% 높은 총 Throughput를 달성합니다.
• Throughput 향상 요인은 간격 사용 감소와 서브밴드 별 최적화된 넘버롤로지(예: 낮은 지연 스프레드에 적합한 짧은 CP, 높은 이동성에 적합한 넓은 서브캐리어 간격)의 조합에서 기인합니다.
• f-OFDM는 서브밴드 간 이질적 전송을 지원하여 전역적인 시간-주파수 동기화 요구 조건을 완화합니다.
• f-OFDM는 저연산 복잡도를 유지하면서도 4G LTE와의 후행 호환성을 확보하여, 5G 무선 인터페이스 진화의 유망한 후보로 부상합니다.