[논문 리뷰] Pulse Shaped OFDM for 5G Systems

Zhao Zhao, Malte Schellmann외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 12.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 5G 시스템을 위한 유연한 웨이브포맷으로 펄스형 OFDM을 제안하며, 형상화된 펄스 필터를 사용하여 복잡도 증가 없이 스펙트럼 수용성과 대역외 누설을 향상시킨다. 이는 펄스 형상화가 주파수 국소화와 시간/주파수 왜곡에 대한 강건성을 향상시켜 효율적인 스펙트럼 공유와 다양한 5G 서비스 지원을 가능하게 하며, CP-OFDM 대비 1–2%의 추가 처리 오버헤드만을 수반함을 보여준다.

ABSTRACT

OFDM-based waveforms with filtering or windowing functionalities are considered key enablers for a flexible air-interface design for multi-service support in future 5G systems. One candidate from this category of waveforms is pulse shaped OFDM, which follows the idea of subcarrier filtering and aims at fully maintaining the advantages of standard OFDM systems while addressing their drawbacks. In this paper, we elaborate on several pulse shaping design methods, and show how pulse shapes can be exploited as an additional degree of freedom to provide better frequency localization and more efficient spectrum utilization under a pre-defined spectrum mask. The performance analysis and evaluation results show that, for a practical mobile communication systems, the application of pulse shaping is a simple and effective means to achieve a lower out-of-band leakage for OFDM systems at virtually no costs. In fact, the complexity increase amounts to 1-2% compared to CP-OFDM only. In addition, the system's robustness against both time and frequency distortions is shown to be substantially improved by a proper pulse shape design. By allowing for the flexible configuration of physical layer parameters per sub-band according to the diverse requirements of future 5G services, pulse shaped OFDM systems can efficiently facilitate asynchronous transmissions and fragmented spectrum access, rendering it beneficial for various mobile-broadband and Internet-of-Things applications.

연구 동기 및 목표

• 기존 CP-OFDM의 한계, 특히 높은 대역외 누설과 열악한 스펙트럼 수용성 문제를 해결하기 위해.
• 주파수 국소화와 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해 펄스 형상화를 추가적인 자유도로 탐색하기 위해.
• 대역외 방출, 시간 및 주파수 왜곡에 대한 강건성, 시스템 복잡도 측면에서 성능 향상 평가하기 위해.
• 비동기 전송과 5G에서의 분할 스펙트럼 접근을 위한 펄스형 OFDM의 실현 가능성과 이점을 입증하기 위해.
• 펄스 형상화가 최소한의 오버헤드(1–2%)로 구현 가능하면서도 스펙트럼 및 시스템 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 논문은 펄스 형상화를 적용한 일반적인 OFDM 시스템을 모델링하며, 전송 신호는 시간 및 주파수 이동된 프로토타입 펄스 형상 $ g(t) $ 를 사용하여 서브밴드 필터링을 가능하게 한다.
• 수신기에서는 일치 또는 비일치 필터링을 적용하여 수신 펄스 $ \gamma(t) $ 를 사용하며, 신호 대 잡음비(SNR) 최적화 또는 간섭 제거를 위해 최적화할 수 있다.
• 필터 백드롭 프레임워크를 사용하여 시스템을 분석하며, 펄스 형상은 원하는 스펙트럼 및 시간 도메인 특성을 달성하도록 설계된다.
• 논문은 스펙트럼 수용성과 대역외 누설 간의 균형을 고려하여 직사각형, 레이즈드 코셋, 기타 윈도우드 펄스 등을 평가하여 다양한 펄스 형상화 방법을 검토한다.
• 실제 5G 환경에서의 성능 평가를 위해 도플러 스프레드, 캐리어 주파수 오프셋, 위상 노이즈 등의 조건을 고려하여 EVM 및 SINR 지표를 사용한다.
• 구현 영향은 계산 복잡도 분석을 통해 평가되었으며, 표준 CP-OFDM 대비 1–2%의 증가만을 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄스 형상화는 복잡도를 크게 증가시키지 않으면서도 OFDM 시스템의 대역외 누설을 현저히 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 펄스 형상화는 도플러 스프레드 및 위상 노이즈와 같은 시간 및 주파수 도메인 왜곡에 대해 어떻게 강건성을 향상시키는가?
• RQ3 펄스 형상화는 5G 시스템에서 얼마나 유연하고 비동기적이며 분할된 스펙트럼 접근을 가능하게 하는가?
• RQ4 펄스형 OFDM에서 스펙트럼 수용성, 신호 무결성, 처리 오버헤드 간의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 성능 및 유연성 측면에서 기존 웨이브포맷인 CP-OFDM, ZP-OFDM, DFTs-OFDM와 비교해 펄스형 OFDM는 어떠한가?

주요 결과

• 펄스 형상화는 대역외 누설을 현저히 감소시켜, 정의된 스펙트럼 마스크 하에서 성능 저하 없이 더 나은 스펙트럼 공존을 가능하게 한다.
• 적절한 펄스 형상 설계를 통해 도플러 스프레드 및 위상 노이즈와 같은 시간 및 주파수 왜곡에 대한 강건성이 향상된다.
• 표준 CP-OFDM 대비 복잡도 증가가 오직 1–2%에 불과하여 5G 시스템에 실용적으로 적용 가능한 솔루션으로서 타당성이 있다.
• 펄스형 OFDM는 서브밴드 단위로 구성이 가능하여 eMBB, MCC, mMTC와 같은 다양한 5G 서비스에 효율적으로 대응할 수 있다.
• 비동기 전송과 분할 스펙트럼 접근을 지원하여 향후 무선 네트워크의 시스템 유연성을 향상시킨다.
• EVM 및 SINR 지표를 통해 성능 향상이 정량화되었으며, 256QAM의 EVM 요구사항(3.5%)은 최소 SINR 29.12 dB에 해당하며, 적절한 펄스 형상화로 이를 충족시킬 수 있다.