[論文レビュー] Detection of Nonlinearly Distorted OFDM Signals via Generalized Approximate Message Passing

Sergey Zhidkov|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2017

PAPR reduction in OFDM参考文献 8被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、クリッピングなどの強いメモリレス非線形性によって劣化するOFDMシステム向けに、一般化された近似メッセージパッシング（GAMP）に基づく受信機を提案する。この受信機は、リアルタイムで低複雑性の信号検出を可能にする。BERが$10^{-4}$から$10^{-6}$の範囲で、理想線形OFDMよりも2 dB以上のゲインを達成しており、クリッピング後のピーキネス係数がたった1.9 dBにまで低下しても同様である。

ABSTRACT

In this paper, we propose a practical receiver for multicarrier signals subjected to a strong memoryless nonlinearity. The receiver design is based on a generalized approximate message passing (GAMP) framework, and this allows real-time algorithm implementation in software or hardware with moderate complexity. We demonstrate that the proposed receiver can provide more than a 2dB gain compared with an ideal uncoded linear OFDM transmission at a BER range $10^{-4}\div10^{-6}$ in the AWGN channel, when the OFDM signal is subjected to clipping nonlinearity and the crest-factor of the clipped waveform is only 1.9dB. Simulation results also demonstrate that the proposed receiver provides significant performance gain in frequency-selective multipath channels

研究の動機と目的

• 高いピーキネス係数とそれに続くクリッピング非線形性によって引き起こされるOFDMシステムの性能劣化を解消する。
• 従来の受信機が非線形歪みをノイズとして扱うため発生するビット誤り率（BER）の劣化を是正する。
• 誤り伝播の問題を回避し、強い非線形歪みを効果的に低減できる実用的で低複雑性の受信機を開発する。
• 符号化されていないクリッピングOFDMシステムが、スペクトル効率および電力効率の面で従来の線形OFDMを上回ることを可能にする。
• パワーアンプのバックオフ制限などのハードウェア制約がある実世界のシナリオにおいて、非線形OFDMの適用範囲を拡大する。

提案手法

• 一般化された近似メッセージパッシング（GAMP）フレームワークを採用し、非線形歪みを受けた受信信号から逐次的に送信信号を推定する。
• OFDM信号を実数の逆離散フーリエ変換（IDFT）による線形変換とし、その後に閾値$T$を持つメモリレスクリッピング非線形性$f(z_n)$を適用する。
• GAMPフレームワーク内でのベイズ推論を用いて、非線形性を考慮した入力シンボルの事後平均推定値を計算する。
• チャネル状態情報（CSI）を組み込み、最大30イタレーションまで収束をモニタリングしながら反復的信号検出を実行する。
• 周波数選択的チャネルにおいて等化性能を向上させるために、事前処理ステップを導入し、準最適なチャネル等化手法を用いる。
• IDFT行列の構造と歪み成分のスパarsityを活用し、1イタレーションあたりの計算複雑度を$O(4tN\log_2 N)$に低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クリッピングなどの強いメモリレス非線形性が存在する状況において、実用的で低複雑性の受信機が、従来の線形OFDM受信機を上回ることができるか？
• RQ2 ピーキネス係数が非常に低い（例：1.9 dB）OFDMシステムにおいて、GAMPベース受信機はどの程度性能を回復できるか？
• RQ3 非線形歪みと符号間干渉（ISI）が共存する周波数選択的マルチパスフェージングチャネルでも、提案された受信機は性能向上を維持できるか？
• RQ4 非線形歪みの強さ（クリッピング閾値$T$）と受信機の収束性の間には、特に低BER領域でどのようなトレードオフが生じるか？
• RQ5 提案された受信機を搭載した符号化されていないクリッピングOFDMは、実用的状況で符号化OFDMシステムと同等の性能を達成できるか？

主な発見

• AWGNチャネルにおいて、BERが$10^{-4}$から$10^{-6}$の範囲で、理想非符号化線形OFDMよりも2 dB以上のゲインをGAMPベース受信機が達成しており、クリッピング後のピーキネス係数が1.9 dBにまで低下しても同様である。
• 4-QAM変調では、クリッピング閾値を$T=0.65$に設定した場合、$10^{-6}$ BERで2.3 dBのゲインが得られた。これは1.9 dBのピーキネス係数に対応する。
• $T=0.7$の場合、$10^{-4}$から$10^{-6}$ BERの範囲で2〜2.3 dBのゲインが得られ、強い非線形性にもかかわらず顕著な性能向上が確認された。
• 16-QAMでは、$10^{-5}$から$10^{-6}$ BERの範囲で、GAMP受信機が依然として1 dB以上の大きなゲインを示したが、$T \leq 1$では収束の問題が生じた。
• 周波数選択的マルチパスフェージングチャネルでも、提案された受信機は線形OFDMに対して3〜4 dBのゲインを達成しており、準最適なチャネル等化手法を用いても同様である。
• BERが$10^{-4}$未満の領域では、収束に必要な平均イタレーション数は通常5未満であり、高速な収束と実用的実装可能性が示された。