[논문 리뷰] MU-UFMC System Performance Analysis and Optimal Filter Length and Zero Padding Length Design

Lei Zhang, Ayesha Ijaz외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 30.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 12인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 UFMC 시스템을 위한 간섭 없는 일타프 이퀄라이제이션 모델을 제안하고, 서브밴드 필터링이 SNR, 용량, BER에 미치는 영향을 분석한다. CFO, TO, 가드 인터벌, 필터 테일 커팅을 고려한 분석적 시스템 모델을 수립하고, 강인한 이퀄라이제이션 알고리즘을 도입하며, 시스템 용량을 극대화하기 위한 필터 길이 및 가드 인터벌 길이의 최적화 기준을 수립한다. 수치 결과는 정확성과 성능 향상을 확인한다.

ABSTRACT

Universal filtered multi-carrier (UFMC) systems offer a flexibility of filtering arbitrary number of subcarriers to suppress out of band (OoB) emission, while keeping the orthogonality between subbands and subcarriers within one subband. However, subband filtering may affect system performance and capacity in a number of ways. In this paper, we first propose the conditions for interference-free one-tap equalization and corresponding signal model in the frequency domain for multi-user (MU) UFMC system. Based on this ideal interference-free case, impact of subband filtering on the system performance is analyzed in terms of average signal-to-noise ratio (SNR) per subband, capacity per subcarrier and bit error rate (BER) and compared with the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. This is followed by filter length selection strategies to provide guidelines for system design. Next, by taking carrier frequency offset (CFO), timing offset (TO), insufficient guard interval between symbols and filter tail cutting (TC) into consideration, an analytical system model is established. New channel equalization algorithms are proposed by considering the errors and imperfections based on the derived signal models. In addition, a set of optimization criteria in terms of filter length and guard interval/filter TC length subject to various constraints is formulated to maximize the system capacity. Numerical results show that the analytical and corresponding optimal approaches match the simulation results, and the proposed equalization algorithms can significantly improve the BER performance.

연구 동기 및 목표

• 다중 사용자 UFMC 시스템에서 간섭 없는 일타프 이퀄라이제이션을 위한 조건을 수립하고, 이에 해당하는 주파수 도메인 신호 모델을 유도한다.
• 서브밴드 필터링이 평균 SNR(서브밴드당), 서브캐리어당 스펙트럼 효율성, 비트 오류율(BER)과 같은 주요 성능 지표에 미치는 영향을 분석한다.
• 실용적 UFMC 시스템 설계를 안내하는 필터 길이 선택 전략을 개발한다.
• Carrier Frequency Offset(CFO), Timing Offset(TO), 부족한 가드 인터벌, 필터 테일 커팅과 같은 시스템 손상 요소를 모델링한다.
• 실용적 제약 조건 하에서 시스템 용량을 극대화하기 위한 필터 길이 및 가드 인터벌(또는 필터 테일 커팅 길이)의 최적화 기준을 수립한다.

제안 방법

• 이deal 간섭 없는 일타프 이퀄라이제이션 조건 하에서 MU-UFMC의 주파수 도메인 신호 모델을 유도한다.
• 서브밴드 필터링으로 인한 성능 저하를 평균 SNR(서브밴드당), 서브캐리어당 스펙트럼 효율성, BER 측정을 통해 분석하고, OFDM와 비교한다.
• CFO, TO, 가드 인터벌 제약 조건, 필터 테일 커팅 영향을 포함한 분석적 시스템 모델을 구성한다.
• 분석적 신호 모델에서 유도된 오차 및 불완전성 요소를 고려한 새로운 채널 이퀄라이제이션 알고리즘을 제안한다.
• 시스템 용량을 극대화하기 위해 필터 길이와 가드 인터벌/필터 테일 커팅 길이를 동시에 최적화하는 최적화 프레임워크를 개발한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 분석 모델 및 최적화 결과의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 사용자 UFMC 시스템에서 간섭 없는 일타프 이퀄라이제이션을 가능하게 하는 조건은 무엇인가?
• RQ2 서브밴드 필터링은 MU-UFMC에서 서브밴드당 평균 SNR, 스펙트럼 효율성, BER에 어떤 영향을 미치며, OFDM과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 실용적 손상 요소 하에서 시스템 용량을 극대화하기 위한 최적의 필터 길이와 가드 인터벌/필터 테일 커팅 길이 조합은 무엇인가?
• RQ4 CFO, TO, 부족한 가드 인터벌, 필터 테일 커파링은 MU-UFMC 성능을 어떻게 저하시키며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ5 제안된 이퀄라이제이션 알고리즘이 실제 시스템 불완전성 조건 하에서 BER 성능을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 일타프 이퀄라이제이션을 적용한 MU-UFMC에 대한 분석 모델은 이상적 조건 하에서 시스템 행동을 정확하게 예측한다.
• 서브밴드 필터링은 OFDM 대비 SNR, 용량, BER에서 성능 저하를 유발하며, 이는 정량적으로 분석되었다.
• 제안된 이퀄라이제이션 알고리즘은 CFO, TO, 필터 테일 커팅 영향을 보완함으로써 BER 성능을 크게 향상시킨다.
• 최적화 프레임워크에서 유도된 최적의 필터 길이 및 가드 인터벌(또는 필터 테일 커팅 길이) 설정은 시뮬레이션 결과와 밀도 높은 일치를 보인다.
• 분석 및 최적화 접근 방식은 수치적으로 검증되었으며, 시뮬레이션 결과와 강한 일치를 보였다.
• 지연 스프레드 및 스펙트럼 마스크 요구사항과 같은 실용적 제약 조건 하에서, 필터 길이와 가드 인터벌을 함께 최적화할 때 시스템 용량이 극대화된다.