[논문 리뷰] An Efficient QAM Detector via Nonlinear Post-distortion based on FDE Bank under PA Impairments

Murat Babek Salman, Gökhan M. Güvensen|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 29.

Advanced Power Amplifier Design참고 문헌 42인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 전력 증폭기(PA) 비선형성으로 인해 영향을 받는 단일대역 주파수 도메인 등화(FDE) 시스템을 위한 새로운 이단계 수신기 구조를 제안한다. 비선형 후방 왜곡을 위해 가우시안 프로세스 회귀(GPR)와 신경망(NN)을 도입하여 비선형 인근심호간섭(ISI)을 억제하고, 분수시간 지연 FDE 백업을 통해 채널 다양성을 활용한다. 시뮬레이션 결과, 제안된 방법은 특히 깊은 fading과 고차원 QAM(예: 1024-QAM) 조건에서 기존 최고 수준의 기술들보다 비트 오류율(BER)과 도달 가능한 신호 대역폭에서 뚜렷한 성능 향상을 보였다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a novel receiver structure for single-carrier transmission with frequency domain equalization (FDE) that is exposed to power amplifier (PA) nonlinearities. A two-stage approach is adopted, in which linear communication channel is equalized at the first stage, and it is followed by a post-distortion where nonlinear distortion is reduced. In literature, nonlinear processing techniques are proposed, which performs memoryless compensation of nonlinear distortion together with FDE. However, in this study, we show that even if a memoryless nonlinearity exists, the received signal is impaired by nonlinear inter-symbol-interference. Therefore, we propose a class of symbol rate post-distortion techniques, which use neighboring received symbols to suppress the nonlinear interference. Two different post-distortion techniques, Gaussian process regression (GPR) and neural network (NN) based post-distorters, are considered. Also, a decision metric, combining outputs of fractional delayed bank of FDE's after post-distortion, is proposed to overcome performance degradation of FDE for frequency selective channels under nonlinear distortion. Performances of the proposed techniques are compared with that of the state-of-the-art techniques in terms of bit error rate and achievable information rate metrics via simulations. Simulation results demonstrate that GPR and NN based post-distortion methods together with bank of FDE outperform state-of-the-art techniques.

연구 동기 및 목표

• 메모리 없는 PA 비선형성 조건에서도 비선형 ISI가 발생함에 따라 성능 저하를 해결하고자 한다.
• 주로 주파수 선택성 채널에 의해 유도되는 비선형 ISI를 고려하지 못하는 기존 메모리 없는 비선형 등화기의 한계를 극복하고자 한다.
• 선형 등화와 비선형 후방 왜곡을 분리하여 계산 복잡도를 줄이는 실용적이고 저복잡도의 수신기 아키텍처를 개발하고자 한다.
• 분수시간 지연 샘플을 활용한 FDE 백업을 통해 주파수 선택성 fading 채널에서의 FDE 성능 향상을 도모하고자 한다.
• 기계학습 기반 후방 왜곡(GPR 및 NN)이 고차원 QAM 조건에서 비선형 ISI 억제 및 스펙트럼 효율 향상에 얼마나 효과적인지 입증하고자 한다.

제안 방법

• 이중단계 수신기 구조를 제안한다: 첫 번째 단계에서는 표준 FDE를 통해 선형 무선 채널을 등화하여 복잡도를 감소시킨다.
• 두 번째 단계에서는 GPR 또는 NN 기반의 비선형 후방 왜곡기(비선형 후방 왜곡)를 통해 이웃하는 심호를 이용해 비선형 ISI를 억제하며, 왜곡을 순서 의존 함수로 간주한다.
• 수신 신호를 다수의 타이밍 오프셋에서 샘플링하여 주파수 선택성 fading 다양성을 활용하는 분수시간 지연(FD) FDE 백업을 도입한다.
• 다양한 FD-FDE 출력에서의 심호 추정치를 융합하여 탐지 신뢰도를 향상시키는 决정 기준(DA-SSD)을 개발한다.
• 선형 및 비선형 성분을 효율적으로 처리하기 위해 메모리 없는 비선형성과 선형 채널을 차례로 적용하는 해머스타인 유사 모델을 사용한다.
• 가능한 정보율을 평가하기 위해 오차가 발생하는 디코딩 용량(GMI 기반)을 활용하여 시스템 성능의 하한을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 선택성 fading 조건에서 PA 비선형성 존재 시 FDE 성능에 어떤 영향을 미치며, 특히 비선형 ISI와 왜곡 증폭 현상은 어떻게 나타나는가?
• RQ2 왜곡이 순서 의존적이고 메모리가 있는 조건에서 기계학습 기반 후방 왜곡(GPR 및 NN)이 비선형 ISI 억제에 얼마나 효과적인가?
• RQ3 분수시간 지연 FDE 백업을 통해 다양성을 활용할 경우, 비선형 주파수 선택성 채널에서 BER과 스펙트럼 효율성이 어떻게 향상되는가?
• RQ4 제안된 FDE 백업 기반의 결정 기준(DA-SSD)은 기존 검출기 대비 성능과 깊은 펄스 조건에 대한 강건성 면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 고차원 QAM 및 현실적인 PA 모델 조건에서 제안된 수신기 아키텍처가 기존 최고 수준의 메모리 없는 비선형 등화기보다 얼마나 뛰어난가?

주요 결과

• 메모리 없는 PA 비선형성 조건에서도 나이퀴스트-1 기준을 위반함에 따라 비선형 ISI가 발생하며, 이는 왜곡이 심호 순서에 따라 달라지게 하여 성능 저하를 초래한다.
• 제안된 GPR 및 NN 기반 후방 왜곡 기법은 볼테라 급수 기반 및 메모리 없는 검출기 대비 BER을 크게 감소시키며, 특히 고신호대역비(SNR) 및 깊은 펄스 조건에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• DA-SSD 결정 기준을 갖춘 FDE 백업은 거의 선형 시스템 성능을 달성하며, 1024-QAM의 BER 곡선이 이상적인 시스템과 매우 유사하게 따라간다. 반면 메모리 없는 검출기는 오류 평준선을 보인다.
• GaN PA 모델에서 출력 전력이 −4 dBm일 경우, 제안된 NN/GPR와 DA-SSD 검출기를 사용하면 35 dB SNR에서 BER이 10⁻⁵ 이하로 떨어지며, 모든 기준 방법들을 능가한다.
• 제안된 아키텍처에서 메모리를 생략할 경우 성능가 기존 메모리 없는 최고 수준의 검출기 성능으로 수렴함을 확인하여, 메모리 인식 설계의 중요성을 입증한다.
• GMI 기반 용량 분석을 통해 제안된 방법은 기존 기술들보다 더 높은 도달 가능한 정보율을 확보하며, 특히 깊은 펄스 조건과 고 PAPR 조건에서 뚜렷한 성능 향상을 보였다.