[논문 리뷰] Inter-Numerology Interference Pre-Equalization for 5G Mixed-Numerology Communications

Bugra Cevikgibi, Ali Murat Demirtaş외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 23.

PAPR reduction in OFDM인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 5G 혼합 숫자 체계 OFDM 시스템에서 상호 숫자 체계 간 간섭(INI)을 완전히 제거하기 위해 송신기 측에서 사전 등화 기법을 제안한다. INI는 수학적으로 전송 기호의 가중 선형 조합으로 모델링되며, INI 생성 행렬의 역행렬을 사전 등화기로 적용한다. 이 방법은 가드 밴드 없이 이론적 최소 비트 오류율을 달성하여 스펙트럼 효율성 향상을 유지하면서 성능 한계를 유지한다.

ABSTRACT

This article proposes a pre-equalization method to remove inter-numerology interference (INI) that occurs in multi-numerology OFDM frame structures of fifth-generation New Radio (5G-NR) and beyond on the transmitter side. In the literature, guard bands, filters and interference cancellation methods are used to reduce the INI. In this work, we mathematically model how the INI is generated and how it can be removed completely for multi-numerology systems on the transmitter side.

연구 동기 및 목표

• 서브캐리어 간격이 다른 서브캐리어 할당이 겹치면서 발생하는 5G NR 다중 숫자 체계 OFDM 시스템 내 상호 숫자 체계 간섭(INI)을 해결하기 위해.
• 스펙트럼 효율성을 떨어뜨리는 가드 밴드에 의존하지 않고 송신기 측에서 INI를 제거하기 위해.
• DFT/IDFT 행렬을 사용하여 INI를 전송 기호의 선형 변환으로 모델링하기 위해.
• INI 간섭을 사전에 제거하기 위해 INI 가중치 행렬의 역행렬을 사전 등화기로 유도하고 적용하기 위해.
• 이론적 최소 비트 오류율을 도달할 수 있음을 레이일라이 페이딩 채널에서 입증하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 다중화된 숫자 체계에 대해 이산 푸리에 변환(DFT) 및 역이산 푸리에 변환(IDFT) 행렬을 사용하여 INI 생성을 수학적으로 모델링하기 위해.
• 전송 기호가 인접한 숫자 체계에 미치는 간섭 기여도를 나타내는 INI 가중치 행렬 W^INI를 선형 변환으로 정의하기 위해.
• W^INI 행렬의 역행렬을 도출하여 송신기에서 간섭을 사전에 제거하는 사전 등화기로 활용하기 위해.
• 원본 기호 벡터 X에 사전 등화기 행렬 (W^INI)^{-1}을 적용하여 사전 등화된 기호 X^b를 생성하기 위해.
• 모odulation 유형과 무관하게 고정된 사전 등화기 행렬을 사용하며, 한 번 계산된 후에는 어떤 조건에도 적용 가능하게 하기 위해.
• 64-QAM 및 256-QAM을 사용한 레이일라이 페이딩 채널에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 방법을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5G 혼합 숫자 체계 OFDM 시스템에서 상호 숫자 체계 간섭(INI)은 전송 기호 및 시스템 파rameter의 함수로 어떻게 수학적으로 모델링될 수 있는가?
• RQ2 가드 밴드나 수신기 측 처리 없이 송신기 측에서 INI를 완전히 제거할 수 있는가?
• RQ3 INI 생성 행렬 W^INI의 구조는 어떠한가? 그리고 그 역행렬은 어떻게 사전 등화기로 사용되어 간섭을 제거하는가?
• RQ4 기존의 가드 밴드 또는 필터링 기법과 비교했을 때, 이 사전 등화 기법을 통해 얻을 수 있는 스펙트럼 효율성 및 비트 오류율(BER) 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 사전 등화 기법은 신호의 피크 대 평균 전력 비율(PAPR)을 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 INI 사전 등화 기법은 레이일라이 페이딩 채널에서 이론적 최소 비트 오류율(BER)을 달성하여 완벽한 간섭 제거를 의미한다.
• 사전 등화 후 전송 기호의 오차 벡터 크기(EVM)는 0 dB로 측정되어 신호 상에서 INI가 완전히 제거되었음을 확인한다.
• 이 방법은 가드 밴드 없이 64-QAM 및 256-QAM 변조 모두에서 이론적 BER 한계를 달성하며, 전체 스펙트럼 효율성을 유지한다.
• 사전 등화기 행렬 (W^INI)^{-1}은 고정되어 있으며 변조 유형과 무관하므로, 시스템 구성이 한 번 결정되면 한 번의 계산으로 충분하다.
• 사전 등화 후 피크 대 평균 전력 비율(PAPR)은 거의 변화하지 않아, 심각한 왜곡이나 전력 효율 손실이 발생하지 않음을 나타낸다.
• 이 기법은 다른 숫자 체계 조합(예: μ=0,2 또는 μ=1,2)에도 일반화 가능하며, 임의의 P 및 K 서브캐리어 할당에 적용 가능하다.