[논문 리뷰] Near Capacity Signaling over Fading Channels using Coherent Turbo Coded OFDM and Massive MIMO

K. Vasudevan|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 28.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 40인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 다수의 수신 안테나를 갖는 매크로 MIMO와 함께 터보-coded OFDM를 사용하여 fading 채널에 대한 near-capacity 신호 전송 방식을 제안한다. 이 방식은 128개의 수신 안테나와 2개의 송신 안테나를 사용할 때 평균 비트당 SNR가 1.25 dB일 때 bit error rate (BER)가 $2 \times 10^{-5}$에 도달하며, 각 송신 안테나에 서로 다른 캐리어 주파수를 할당하여 주파수 다양성을 활용함으로써 BER 향하 없이 스펙트럼 효율성을 높일 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The minimum average signal-to-noise ratio (SNR) per bit required for error-free transmission over a fading channel is derived, and is shown to be equal to that of the additive white Gaussian noise (AWGN) channel, which is $-1.6$ dB. Discrete-time algorithms are presented for timing and carrier synchronization, as well as channel estimation, for turbo coded multiple input multiple output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) systems. Simulation results show that it is possible to achieve a bit error rate of $10^{-5}$ at an average SNR per bit of 5.5 dB, using two transmit and two receive antennas. We then propose a near-capacity signaling method in which each transmit antenna uses a different carrier frequency. Using the near-capacity approach, we show that it is possible to achieve a BER of $2 imes 10^{-5}$ at an average SNR per bit of just 2.5 dB, with one receive antenna for each transmit antenna. When the number of receive antennas for each transmit antenna is increased to 128, then a BER of $2 imes 10^{-5}$ is attained at an average SNR per bit of 1.25 dB. In all cases, the number of transmit antennas is two and the spectral efficiency is 1 bit/transmission or 1 bit/sec/Hz. In other words, each transmit antenna sends 0.5 bit/transmission. It is possible to obtain higher spectral efficiency by increasing the number of transmit antennas, with no loss in BER performance, as long as each transmit antenna uses a different carrier frequency. The transmitted signal spectrum for the near-capacity approach can be restricted by pulse-shaping. In all the simulations, a four-state turbo code is used. The corresponding turbo decoder uses eight iterations. The algorithms can be implemented on programmable hardware and there is a large scope for parallel processing.

연구 동기 및 목표

• 주파수 선택성 Rayleigh fading 채널에서 터보-coded MIMO-OFDM 시스템에 대한 이산 시간 알고리즘을 개발한다.
• 오차 없는 전송을 위한 최소 평균 비트당 SNR를 유도하며, 이 값이 -1.6 dB인 AWGN 한계와 일치함을 보인다.
• 각 송신 안테나가 서로 다른 캐리어 주파수를 사용하는 새로운 신호 방식을 통해 near-capacity 성능을 입증한다.
• 각 송신 안테나에 고유한 캐리어 주파수를 할당하여 BER 향하 없이 고스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 펄스 성형을 통해 스펙트럼을 제한하고, 병렬 처리 기능을 갖춘 프로그래머블 하드웨어를 지원한다.

제안 방법

• 터보-coded MIMO-OFDM 시스템에서 타이밍 및 캐리어 동기화, 채널 추정을 위한 이산 시간 알고리즘을 제안한다.
• 주파수 선택성 fading 채널을 평탄한 fading 서브채널로 변환하기 위해 정규 직교 주파수 분할 다중접속(OFDM)을 사용한다.
• 신뢰성 있는 통신을 위해 디코더에서 8회의 반복을 수행하는 4상태 터보 코드를 적용한다.
• 각 송신 안테나가 서로 다른 캐리어 주파수에서 전송되는 near-capacity 신호 방식을 도입하여 주파수 다양성을 활용한다.
• 전송 신호 스펙트럼을 제한하고 업링크 환경에서 간섭을 줄이기 위해 펄스 성형을 적용한다.
• 채널 용량 식을 유도하고 공식 $ C = \log_2(1 + C \cdot \text{SNR}_{\text{av},b}) $ 를 사용하여 평균 비트당 SNR와 연결하며, $ C \to 0 $ 일 때 최소 $ \text{SNR}_{\text{av},b} \to \ln(2) \approx -1.6 $ dB 가 된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 선택성 Rayleigh fading MIMO 채널에서 오차 없는 전송을 위한 최소 평균 비트당 SNR는 얼마인가?
• RQ2 터보-coded MIMO-OFDM 시스템에 대해 near-capacity 성능을 달성할 수 있는 일관된 검출 알고리즘을 설계할 수 있는가?
• RQ3 각 송신 안테나에 서로 다른 캐리어 주파수를 할당할 경우 스펙트럼 효율성과 BER 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 매우 많은 수의 수신 안테나를 사용하고 주파수 다양성 전송을 적용할 경우, 낮은 비트당 SNR에서 달성 가능한 BER은 얼마인가?
• RQ5 고스펙트럼 효율성을 유지하면서도 펄스 성형을 통해 전송 신호 스펙트럼을 효과적으로 제한할 수 있는가?

주요 결과

• 오차 없는 전송을 위한 최소 평균 비트당 SNR는 $-1.6$ dB이며, 이는 AWGN 채널의 한계와 일치한다.
• $2 \times 2$ MIMO-OFDM 시스템에서 평균 비트당 SNR가 5.5 dB일 때 BER은 $10^{-5}$에 도달한다.
• 2개의 송신 안테나와 각 송신 안테나당 1개의 수신 안테나를 사용할 경우, 제안된 near-capacity 방법은 평균 비트당 SNR가 2.5 dB일 때 BER을 $2 \times 10^{-5}$로 달성한다.
• 각 송신 안테나당 수신 안테나 수를 128개로 증가시킬 경우, 평균 비트당 SNR가 1.25 dB일 때 BER은 $2 \times 10^{-5}$에 도달한다.
• 각 송신 안테나가 서로 다른 캐리어 주파수에서 전송하도록 함으로써 더 많은 송신 안테나를 추가함으로써 스펙트럼 효율성을 높일 수 있으며, 이는 BER 성능 저하 없이 가능하다.
• 시스템은 고스펙트럼 효율성을 지원하며, 병렬 처리 능력이 뛰어난 프로그래머블 하드웨어에서의 구현에 적합하다.