[논문 리뷰] Overlap Frequency Domain Equalization for Faster-than-Nyquist Signaling

Hiroyuki Fukumoto, Kazunori Hayashi|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 02.

PAPR reduction in OFDMEngineering참고 문헌 12인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 가청대역을 초월하는 전송(FTNS)에서 가청구간 없이 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성하기 위해 오버랩 주파수 도메인 등화(FDE)를 제안한다. MMSE 기반의 등화 계수를 사용하여 수신 필터에서 발생하는 색보유 노이즈를 고려한다. 루트 레이즈드 코스인(RC) 필터를 사용할 경우 0.5의 롤오프 계수를 가질 때, 뉴이퀀트 레이트보다 30% 높은 전송 속도를 달성하면서 BER 성능에 영향을 주지 않는다.

ABSTRACT

This letter proposes the Faster-than-Nyquist signaling (FTNS) using overlap frequency domain equalization (FDE), which compensates the inter-symbol interference (ISI) due to band limiting filters of the FTNS at the transmitter and the receiver as well as the frequency selective fading channel. Since overlap FDE does not require any guard interval (GI) at the transmitter such as cyclic prefix (CP), higher spectral efficiency can be achieved compared to FTNS scheme using the conventional FDE. In the proposed method, the equalizer weight is derived based on minimum mean square error (MMSE) criterion taking the colored noise due to the receiving filter into consideration. Moreover, we also give an approximated FDE weight in order to reduce the computational complexity. The performance of the proposed scheme is demonstrated via computer simulations.

연구 동기 및 목표

• 기존의 FDE 기반 FTNS 수신기에서 가청구간(예: 순환 프리픽스)으로 인한 스펙트럼 효율 손실을 해소하기 위해.
• FTNS 시스템에서 대역 제한 전송/수신 필터와 주파수 선택적 fading 채널로 인한 심호 간섭(ISI)을 완화하기 위해.
• 이전 연구에서 자주 忽略되는 수신 필터로 인한 색보유 노이즈를 FDE 설계에 명시적으로 고려하기 위해.
• 성능 유지를 유지하면서도 계산 복잡도를 감소시키기 위해 근사화된 일타입(MMSE) 계수를 사용하기 위해.
• 특히 고속 전송에서 오버랩 FDE가 기존의 CP를 갖는 FDE보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 전송기에서 가청구간이 필요 없도록 오버랩 FDE를 적용하여 스펙트럼 효율을 향상시킨다.
• 수신 필터에서 발생하는 색보유 노이즈를 명시적으로 고려한 MMSE 등화 계수를 유도하여 강인성을 향상시킨다.
• 성능 유지와 함께 계산 복잡도를 감소시키기 위해 근사화된 일타입 FDE 계수를 도입한다.
• 구현 복잡도를 관리하기 위해 DFT 크기를 512로 설정하고 펄스 응답을 ν=10로 잘라내는 블록 처리 방식을 사용한다.
• 고속 심호 전송에서 뉴이퀀트 기준을 충족시키기 위해 전송 및 수신 필터로 롤오프 계수 0.5를 가진 루트 레이즈드 코스인(RC) 필터를 적용한다.
• 블록 단위 처리를 기반으로 한 주파수 도메인 등화를 적용하며, 가장자리 왜곡을 줄이기 위해 겹치는 심호를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오버랩 FDE는 FTNS에서 가청구간이 필요 없이 BER 성능을 유지하거나 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 수신 필터에서 발생하는 색보유 노이즈는 FTNS의 FDE 성능에 어떤 영향을 미치며, 이를 효과적으로 모델링하고 보완할 수 있는가?
• RQ3 오버랩 FDE는 FTNS 시스템에서 기존의 순환 프리픽스를 갖는 FDE보다 얼마나 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 저복잡도 근사화된 MMSE FDE 계수는 전체 MMSE 해와 유사한 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 오버랩 FDE와 적절한 필터링을 사용할 경우, BER 성능에 영향을 주지 않으면서 전송 속도를 뉴이퀀트 레이트를 얼마나 초월할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 오버랩 FDE 기법은 가청구간을 제거함으로써 기존의 CP를 갖는 FDE보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• MMSE 등화 계수에 색보유 노이즈를 명시적으로 고려함으로써, 특히 고속 전송에서 노이즈를 忽略한 경우에 비해 BER 성능이 크게 향상된다.
• 근사화된 일타입 FDE 계수를 통해 전체 MMSE 계수와 유사한 성능를 달성함으로써, 계산 복잡도 감소에 효과적임을 입증한다.
• 루트 레이즈드 코스인 필터를 사용할 경우 롤오프 계수 0.5를 가질 때, 뉴이퀀트 레이트보다 30% 높은 전송 속도를 달성하면서 BER 성능에 영향을 주지 않는다.
• AWGN 및 레이일레이 페이딩 채널 모두에서, 동일한 유효 데이터 레이트에서 제안된 기법이 기존의 CP를 갖는 FDE보다 우수한 성능을 보인다.
• RMSE 분석 결과, FDE 출력의 소수 부분(블록 가장자리)만을 기각하면 되며, 이는 오버랩 FDE의 계산 오버헤드가 제한적임을 확인한다.