[論文レビュー] A Joint Code-Frequency Index Modulation for Low-complexity, High Spectral and Energy Efficiency Communications

Minh Au, Georges Kaddoum+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、OFDMベースのシステムにおける低コストで高スペクトル効率・高エネルギー効率を実現するため、共同符号周波数インデックス変調（CFIM）方式を提案する。スプライシングコードとサブキャリアインデックスを同時に使用してデータを伝送することで、CFIMは高スペクトル効率を達成し、ピーク対平均電力比（PAPR）を低減するとともに、二乗則エネルギー検出を用いた低コスト検出を可能にし、従来のOFDMおよび既存のインデックス変調方式よりもビット誤り率（BER）性能およびエネルギー効率において優れる。特にIoTアプリケーションにおいて顕著な優位性を示す。

ABSTRACT

A relatively simple low complexity multiuser communication system based on simultaneous code and frequency index modulation (CFIM) is proposed in this paper. The proposed architecture reduces the emitted energy at the transmitter as well as the peak-to-average-power ratio (PAPR) of orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)- based schemes functions without relegating data rate. In the scheme we introduce here, we implement a joint code- frequency- index modulation (CFIM) in order to enhance spectral and energy efficiencies. After introducing and analysing the structure with respect to latter metrics, we derive closed-form expressions of the bit error rate (BER) performance over Rayleigh fading channels and we validate the outcome by simulation results. Simulation are used verify the analyses and show that, in terms of BER, the proposed CFIM outperforms the existing index modulation (IM) based systems such as spatial modulation (SM), OFDM-IM and OFDM schemes significantly. To better exhibit the particularities of the proposed scheme, PAPR, complexity, spectral efficiency (SE) and energy efficiency (EE) are thoroughly examined. Results indicate a high SE while ensuring an elevated reliability compared to the aforementioned systems. In addition, the concept is extended to synchronous multiuser communication networks, where full functionality is obtained. With the characteristics demonstrated in this work, the proposed system would constitute an exceptional nominee for Internet of Things (IoT) applications where low-complexity, low-power consumption and high data rate are paramount.

研究の動機と目的

• 次世代無線システム、特にIoTおよびセンサーネットワークにおける低コストで高スペクトル効率・高エネルギー効率のニーズに対応する。
• 空間変調（SM）、OFDM-IM、FIMなどの既存インデックス変調方式の限界を克服するため、符号と周波数インデックスを組み合わせ、帯域幅や送信電力を増加させることなくスペクトル効率を向上させる。
• OFDMシステムに特有の高いPAPRを低減する。これは、エネルギー制限のあるIoTデバイスにとって極めて重要である。
• 同期状態におけるマルチユーザー通信をスケーラブルに実現するため、直交スプライシングコードを用いてマルチユーザー干渉（MUI）を低減する。
• 閉形式のBER式を導出し、シミュレーションによる検証を通じて、既存のIMベースのシステムに対する優位性を示す。

提案手法

• 各OFDMブロックでN個のサブキャリアとNc個のスプライシングコードのうち1つずつを選択し、共同符号周波数インデックス変調（CFIM）方式を提案する。
• データを3つの部分に変調する：M値変調記号（データ用）、サブキャリアインデックス（周波数インデックス用）、スプライシングコードインデックス（符号インデックス用）。各ブロックで1つのサブキャリアのみが活性化される。
• 選択されたコードを用いてM値変調記号をスプライシングし、活性化されたサブキャリアを介して送信する。OFDM構造を維持する。
• 受信側では、FFTを実行し、推定されたコードを用いて信号をデスプライシングし、二乗則エネルギー検出（SLED）を適用して符号インデックスおよび周波数インデックスを推定する。
• レイリー fadingチャネル上での閉形式BER式を導出し、モンテカルロシミュレーションにより検証する。
• 複雑さ、スペクトル効率（SE）、エネルギー効率（EE）、PAPRを分析し、さまざまな構成におけるシステム性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共同符号および周波数インデックス変調は、低コストを維持しつつ、OFDMシステムにおけるスペクトル効率およびエネルギー効率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 レイリー fadingチャネル上でのBER性能において、提案されたCFIM方式は従来のOFDMおよび既存のインデックス変調技術（例：SM、OFDM-IM、FIM）と比較してどのように優れているか？
• RQ3 CFIMは、従来のOFDMおよびOFDM-IMと比較して、ピーク対平均電力比（PAPR）をどの程度低減するか？
• RQ4 同期マルチユーザーOFDMシステムにおけるCFIM方式のスケーラビリティはどの程度か？また、ユーザー数とスペクトル効率の間にはどのようなトレードオフがあるか？
• RQ5 直交スプライシングコード（例：ウォルシュ・ハダマール）は、マルチユーザー干渉低減にどのような影響を及ぼすか？また、非同期伝送では性能はどのように劣化するか？

主な発見

• 提案されたCFIM方式は、OFDM、SM、OFDM-IM、FIMと比較して、特にレイリー fadingチャネルにおいて顕著に低いビット誤り率（BER）を達成する。
• CFIMは、従来のOFDMおよびOFDM-IMと比較してPAPRを顕著に低減する。これは、低消費電力のIoTデバイスにとって極めて適している。
• スペクトル効率はスプライシングコード数（Nc）に比例して増加する。N=4サブキャリア、M=2変調の条件下では、Ncが大きい場合、CFIMは従来のOFDMよりも高いSEを達成する。
• マルチユーザー同期システムでは、直交スプライシングコード（例：ウォルシュ・ハダマール）を用いることで、1ユーザーあたりのBER性能が単一ユーザー性能と同等に保たれ、信頼性の高い通信が可能になる。
• ユーザー数が64×64のウォルシュ・ハダマール行列を用いて32を超えると、従来のOFDMがCFIMよりもスペクトル効率が高くなる。これは、CFIMのスケーラビリティに実用的な上限があることを示している。
• ゴールドコードを用いて非同期マルチユーザー状況に拡張可能であるが、ドップラー効果の影響により性能劣化が生じる可能性がある。