[논문 리뷰] Spline Waveforms and Interference Analysis for 5G Random Access with Short Message Support

Gerhard Wunder, Martin Kasparick외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 13.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 17인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 5G 랜덤 액세스를 위한 비직교 주파수분할 multiplexing (BFDM) 기반 스퍼링 웨이브폼을 제안하며, PRACH와 PUSCH 사이의 사용되지 않는 가드 대역에서 짧은 메시지의 신뢰성 있고 이종적인 전송을 가능하게 한다. OFDM의 직교성 대신 비직교성을 도입함으로써 PUSCH에 대한 간섭을 감소시키고, LTE 대비 최대 4개의 추가 서브케이너를 지원하여 고도의 비동기 상태에서도 성능을 크게 향상시킨다 — 특히 순환 프리픽스 길이를 초월하는 시간 오프셋이 존재할 경우에 특히 그렇다.

ABSTRACT

One of the main drivers for new waveforms in future 5G wireless communication systems is to handle efficiently the variety of traffic types and requirements. In this paper, we introduce a new random access within the standard acquisition procedures to support sporadic traffic as an enabler of the Internet of Things (IoT). The major challenge hereby is to cope with the highly asynchronous access of different devices and to allow transmission of control signaling and payload "in one shot". We address this challenge by using a waveform design approach based on bi-orthogonal frequency division multiplexing where transmit orthogonality is replaced in favor of better temporal and spectral properties. We show that this approach allows data transmission in frequencies that otherwise have to remain unused. More precisely, we utilize frequencies previously used as guard bands, located towards the standard synchronous communication pipes as well as in between the typically small amount of resources used by each IoT device. We demonstrate the superiority of this waveform approach over the conventional random access using a novel mathematical approach and numerical experiments.

연구 동기 및 목표

• 최소한의 신호 전송 오버헤드를 갖는 5G 네트워크에서 다량의 비정기적인 머신 타입 통신(MTC)을 지원하는 데 도전하는 것.
• 순환 프리픽스를 초월하는 높은 비동기 액세스 및 주파수/시간 오프셋을 처리하는 데 어려움을 겪는 OFDM의 한계를 극복하는 것.
• 단일 랜덤 액세스 버스트 내에서 제어 신호 전송과 소형 페이로드 전송을 동시에 가능하게 하여 별도의 PUSCH 스케줄링이 필요 없도록 하는 것.
• PRACH와 PUSCH 사이의 이전에 사용되지 않은 가드 대역과 서브케이너를 활용하여 PUSCH 성능이 저하되지 않도록 데이터 전송을 수행하는 것.
• 큰 시간 및 주파수 오프셋이 존재할 경우에도 PUSCH에 낮은 간섭을 유지하면서 비동기 사용자를 지원하는 웨이브폼을 설계하는 것.

제안 방법

• 상용 PRACH와 PUSCH 사이에 데이터 전송을 삽입하는 D-PRACH(데이터 PRACH) 구조를 제안한다.
• 전송 및 수신 펄스가 개별적으로가 아니라 쌍으로 직교하는 비직교 주파수분할 multiplexing(BFDM) 웨이브폼을 구현하여 시간 및 주파수 정밀도를 향상시킨다.
• 스플라인 기반 프rototype 펄스를 사용하여 전송 웨이브폼을 형상화함으로써 강력한 사이드로브 감소 및 시간/주파수 비동기 상태에 대한 내성을 확보한다.
• BFDM 심볼과 상용 OFDM 심볼을 프레임에 통합하여 스펙트럼 누출을 최소화하고 PUSCH 서브케이너에 영향을 최소화한다.
• 수학적 분석과 수치 시뮬레이션을 통해 BFDM을 기존 OFDM/SC-FDMA와 비교하며, 심볼 오류율(SER)과 간섭 수준을 집중적으로 분석한다.
• 다양한 조건에서의 성능을 평가한다: 비동기 사용자, 시간/주파수 오프셋, PUSCH에서 DFT 스프레딩 유무

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용되지 않던 가드 대역을 데이터 전송에 활용할 경우 BFDM 기반 웨이브폼이 PUSCH에 미치는 간섭을 줄일 수 있는가?
• RQ2 시간 오프셋이 순환 프리픽스 길이를 초월할 경우, 특히 그럴 때 비동기 상태에서 제안된 스퍼링 기반 웨이브폼의 성능은 어떠한가?
• RQ3 비동기 사용자에 대해 BFDM 접근 방식이 기존 OFDM 대비 심볼 오류율(SER) 측면에서 얼마나 뛰어나게 성능을 향상시키는가?
• RQ4 제안된 방식은 지속적인 연결이나 추가 제어 신호 전송 없이 한 번의 전송으로 데이터 전송을 지원할 수 있는가?
• RQ5 비동기 사용자 간의 가드 대역이 SER에 어떤 영향을 미치며, BFDM 기반 방식이 이를 제거할 수 있는가?

주요 결과

• BFDM 기반 접근 방식은 기존 OFDM 대비 사용되지 않던 가드 대역을 활용할 경우에도 PUSCH에 대한 간섭을 최대 4개 서브케이너 감소시킨다.
• 순환 프리픽스 길이를 초월하는 시간 오프셋(예: 200 μs)이 존재하는 비동기 사용자에 대해, 심볼 오류율(SER)이 OFDM 대비 거의 두 배 감소한다.
• 스플라인 기반 BFDM 방식은 4개 서브케이너 가드 대역이 있는 OFDM과 유사한 성능을 달성하여, 추가로 가드 대역 없이도 4개 서브케이너를 절약할 수 있다.
• 일정한 62.5 Hz 주파수 오프셋 조건에서도 BFDM 방식은 OFDM 대비 심각한 SER 저하를 보이지 않아 주파수 비동기 상태에 대한 뛰어난 내성을 입증한다.
• 제안된 방식은 PUSCH 성능을 악화시키지 않으며, 실제로 DFT 스프레딩을 사용하지 않을 경우 PUSCH 간섭이 약간 감소한다.
• 수치적 결과는 BFDM 기반 D-PRACH가 단일 버스트 내에서 짧은 메시지의 신뢰성 있는 전송을 지원함으로써 IoT를 위한 효율적인 다량 랜덤 액세스를 가능하게 한다.