[논문 리뷰] WaveComBox: a Matlab Toolbox for Communications using New Waveforms

François Rottenberg, Mathieu Van Eeckhaute외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 28.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 26인용 수 5

한 줄 요약

WaveComBox는 FBMC-OQAM, UFMC, WOFDM와 같은 고급 통신 웨이브폼의 구현 및 시뮬레이션을 간편하게 만드는 오픈소스이자 사용자 友好的인 MATLAB 툴박스입니다. 모듈러하고 추상화된 아키텍처를 제공하며 내장된 신호 처리 블록을 통해 연구자들이 정확한 채널 모델을 사용하여 SISO 및 MIMO 물리계층 체인을 쉽게 시뮬레이션할 수 있게 하여, 신규 웨이브폼의 연구 및 실험적 검증에 있어 도입 장벽을 크게 낮춥니다.

ABSTRACT

Future generations of communications systems will target a very wide range of applications. Each application comes with its own set of requirements in terms of data rate, latency, user density, reliability... Accommodating this large variety of specifications implies the need for a novel physical layer technology. In this regard, the most popular modulation nowadays, namely, the orthogonal frequency division multiplexing modulation, is characterized by a poor time-frequency localization, implying strong limitations. In the light of these limitations, communications using new waveforms, relying on more sophisticated signal processing techniques and providing improved time-frequency localization, have attracted a lot of attention for the last decade. At the same time, the higher complexity of these new waveforms, not only in terms of implementation but also conceptually, creates an entrance barrier that slows down their adoption by industries, standardization bodies and more generally in the telecommunication community. The WaveComBox toolbox, freely available at www.wavecombox.com, is a user-friendly, open-source and well documented piece of software aiming at considerably lowering the entrance barrier of recently proposed waveforms. This article first describes the general abstract structure of the toolbox. Secondly, examples are given to illustrate how to use the toolbox and to show some more advanced functionalities.

연구 동기 및 목표

• 다음 세대 통신 시스템에서 새로운 웨이브폼을 구현하는 데 증가하는 복잡성과 개념적 장벽을 해소하기 위해.
• 전통적인 OFDM을 초월한 고급 웨이브폼의 연구 및 도입을 가속화하기 위한 사용자 친화적이고 오픈소스인 MATLAB 툴박스를 제공하기 위해.
• 모odulation, 채널 모델링, 동기화, 등화 처리를 포함한 물리계층 체인의 종단간 시뮬레이션을 지원하기 위해.
• 다양한 무선 및 광섬유 환경에서 다양한 웨이브폼에 대한 융통성 있는 실험을 가능하게 하기 위해.
• 문서화된 예제와 커뮤니티 포럼을 통한 협업 및 기여를 통해 교육 및 연구 활용을 촉진하기 위해.

제안 방법

• 통신 체인을 송신기, 채널, 수신기 구성 요소로 나누는 추상적이고 모듈러한 아키텍처를 구현하기 위해.
• FBMC-OQAM, UFMC, WOFDM, CP-OFDM에 특화된 핵심 웨이브폼 신호 처리 블록(예: 변조기, 복조기, 필터뱅크)을 통합하기 위해.
• SISO 및 MIMO 구성 모두를 지원하며, 채널 추정, 등화, 동기화를 포함한 적응형 신호 처리를 수행하기 위해.
• 무선 fading, AWGN, 광섬유 시스템에서의 색산란 및 위상 노이즈를 고려한 현실적인 채널 모델을 통합하기 위해.
• 기호 복구를 위한 수학적 공식인 탈변조 식 $ z_{m_0,l_0} = \sum_n r[n] g^*_{m_0,l_0}[n] $ 과 실수부 결정 규칙 $ \hat{d}_{m_0,l_0} = \Re(z_{m_0,l_0}) $ 를 사용하기 위해.
• 색산란 보정을 위한 고급 등화 기법으로 단일 탭, 다중 탭, 병렬, 시간 도메인 등화기를 구현하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FBMC-OQAM 및 UFMC와 같은 새로운 웨이브폼의 복잡성은 어떻게 줄여야 하여 연구 및 산업 분야에서의 도입을 가속화할 수 있는가?
• RQ2 광섬유 시스템의 FBMC-OQAM에서 색산란을 보정하기 위해 다양한 등화 기법(예: 단일 탭, 다중 탭, 병렬 등화)의 성능은 어떠한가?
• RQ3 다양한 웨이브폼 설계(예: FBMC-OQAM, WOFDM, UFMC)는 주파수 선택성 페이딩 및 위상 노이즈 조건 하에서 스펙트럼 효율성과 내구성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 통합적이고 추상화된 MATLAB 툴박스는 다양한 통신 환경에서 완전한 물리계층 체인의 시뮬레이션을 얼마나 효과적으로 단순화할 수 있는가?
• RQ5 이 툴박스는 광섬유 및 무선 MIMO 시스템에서 교육용 튜토리얼과 고급 실험적 검증을 동시에 효과적으로 지원할 수 있는가?

주요 결과

• WaveComBox는 SISO 및 MIMO 구성 모두를 지원하며, FBMC-OQAM, UFMC, WOFDM 시스템의 종단간 시뮬레이션을 가능하게 합니다.
• 단일 탭, 다중 탭, 주파수 확산 구조를 포함한 여러 등화 기법을 활용하여 광섬유 시스템에서의 색산란 보정을 성공적으로 지원합니다.
• MIMO FBMC-OQAM 예제에서 이론적 순순간 및 점점 가까운 스펙트럼 효율이 시뮬레이션 결과와 밀도적으로 일치함을 확인했습니다.
• 문헌 [21]에 기반한 추적 알고리즘을 통한 위상 노이즈 보정은 광시스템에서의 기호 회전을 효과적으로 완화하여 결정 정확도를 향상시켰습니다.
• 프리앰블 기반 동기화 및 채널 추정 블록의 통합으로 광시스템 및 무선 시스템에서 신뢰성 있는 프레임 검출 및 CFO 추정이 가능해졌습니다.
• 툴박스의 모듈러한 설계는 쉽게 확장 및 커스터마이징이 가능하며, BasicSISO.m 및 OpticalFiberChain.m 등의 예제는 연구 및 실험에 바로 사용할 수 있는 템플릿으로 기능합니다.