[논문 리뷰] Multi-Numerology Multiplexing and Inter-Numerology Interference Analysis for 5G

Abuu B. Kihero, Muhammad Sohaib J. Solaija외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 29.

PAPR reduction in OFDM인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 다중 숫자 체계 OFDM 시스템에서 공존하는 여러 하위대역 간격을 가진 5G 다중 숫자 체계 OFDM 시스템에서의 상호 숫자 체계 간섭(INI)을 조사한다. 분석적 유도와 몽테카를로 시뮬레이션을 통해, 하위대역 간격 비율, 전력 오프셋, 기호 정렬 방식(공통 및 개별 순환 접두사)과 같은 핵심 요소들이 INI에 미치는 영향을 규명하고, 스펙트럼 비효율적인 방법에 의존하지 않고도 간섭을 최소화할 수 있는 스케줄링 및 설계 전략을 제안한다.

ABSTRACT

Fifth generation (5G) radio access technology (RAT) is expected to flexibly serve multiple services with extremely diverse requirements. One of the steps taken toward fulfilling this vision of the 5G-RAT is an introduction of the multi-numerology concept, where multiple frame structures with different subcarrier spacings coexist in one frequency band. Though efficient in providing the required flexibility, this approach introduces a new kind of interference into the system known as inter numerology interference (INI). This study is geared toward analyzing the INI problem considering a cyclic prefix orthogonal frequency domain multiplexing (CP-OFDM) system and exposing the factors contributing to it through mathematical analyses. In-depth discussion of various critical issues concerning multi-numerology system such as frequency domain multiplexing and time domain symbol alignment for mixed numerologies is presented. Based on the findings of the conducted analyses, the paper highlights some approaches for minimizing INI in the system. The developed mathematical analysis is finally verified by Monte-Carlo simulations.

연구 동기 및 목표

• 공존하는 하위대역 간격을 가진 5G 다중 숫자 체계 OFDM 시스템에서 상호 숫자 체계 간섭(INI)의 영향을 분석하는 것.
• INI 수준에 영향을 주는 주요 시스템 파라미터, 즉 하위대역 간격 비율과 전력 오프셋을 규명하는 것.
• 공통 순환 접두사 대비 개별 순환 접두사를 사용하는 시간 도메인 기반 기호 정렬 기법이 INI 완화에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 가드 밴드나 윈도잉과 같은 스펙트럼 비효율적인 방법에 의존하지 않고도 INI를 최소화할 수 있는 실용적인 설계 및 스케줄링 지침을 제안하는 것.
• 다양한 숫자 체계 구성과 정렬 방식에서 몽테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과의 타당성과 실용성을 검증하는 것.

제안 방법

• 순환 접두사가 있는 OFDM 시스템에서 INI 전력에 대한 수학적 표현을 주파수 도메인 Multiplexing 및 시간 도메인 신호 모델링을 통해 유도한다.
• 유한 기하 급수와 오일러 공식을 적용하여 하위대역 매핑 및 순환 접두사 정렬과 관련된 복잡한 합산을 단순화한다.
• 채널 인파уль스 응답(CIR)과 하위대역 간격 오프셋을 사용하여 간섭 전력 스펙트럼 밀도를 모델링한다.
• INI 분석에서 핵심 변수로 하위대역 간격 오프셋(SSO)과 전력 오프셋($P_{off}$)의 개념을 도입한다.
• 시스템 성능에 미치는 간섭 영향을 정량화하기 위해 신호 대 간섭비(SIR) 및 SINR 지표를 사용한다.
• 다양한 숫자 체계 구성과 정렬 방식에서 분석 결과를 몽테카를로 시뮬레이션을 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 숫자 체계 OFDM 시스템에서 상호 숫자 체계 간섭(INI)을 유발하는 주요 요인는 무엇인가?
• RQ2 공존하는 숫자 체계 간 하위대역 간격 비율은 INI 수준에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 인접한 숫자 체계 간 전력 오프셋은 INI 전력 수준에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 공통 순환 접두사 대비 개별 순환 접두사를 사용하는 시간 도메인 기반 기호 정렬 전략의 차이는 INI에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 스케줄링을 통해 숫자 체계를 지능적으로 배치하면 가드 밴드나 스펙트럼 비효율적인 방법 없이도 INI를 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 인접한 숫자 체계 간 하위대역 간격 비율이 INI 전력에 영향을 주는 주요 요소이며, 비율이 클수록 간섭이 증가한다.
• 분석 및 시뮬레이션 결과에 따르면, 공존하는 숫자 체계 간 전력 오프셋($P_{off}$)을 최소화하면 INI가 크게 감소한다.
• 공통 순환 접두사를 사용하는 것보다 각 숫자 체계에 대해 개별 순환 접두사를 사용하면 하위대역 할당의 직교성을 유지함으로써 INI가 감소한다.
• 가장 작은 하위대역 간격 비율을 가진 숫자 체계를 서로 인접하게 배치하는 지능적인 숫자 체계 스케줄링 전략은 INI 억제에 효과적이다.
• 제안된 분석 모델은 몽테카를로 시뮬레이션을 통해 다양한 시스템 구성에서 정확하게 INI 수준을 예측함을 입증하였다.
• 가장 효율적인 스케줄링 및 정렬 기법을 사용한 스펙트럼 효율적인 기법은 전통적인 가드 밴드 또는 윈도잉 기법보다 INI 억제 성능에서 뛰어나다.