[論文レビュー] Enhanced Orthogonal Frequency-Division Multiplexing with Subcarrier Number Modulation

Shuping Dang, Guoqing Ma+2 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 47被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、瞬時のチャネル状態情報（CSI）に基づいて、チャネルゲインがより高いサブキャリアを優先的に割り当てることで、信頼性を向上させる強化されたサブキャリア番号変調を用いた直交周波数分割多重（OFDM-SNM）方式を提案する。高SNR領域においてコーディングゲインを達成し、従来のOFDM-SNMと比較してアウトージュおよびブロック誤り率（BLER）性能が顕著に向上する。これは、静止するデバイスを対象とした低複雑性のIoTアプリケーションに適している。

ABSTRACT

A novel modulation scheme termed orthogonal frequency-division multiplexing with subcarrier number modulation (OFDM-SNM) has been proposed and regarded as one of the promising candidate modulation schemes for next generation networks. Although OFDM-SNM is capable of having a higher spectral efficiency (SE) than OFDM with index modulation (OFDM-IM) and plain OFDM under certain conditions, its reliability is relatively inferior to these existing schemes, because the number of active subcarriers varies. In this regard, we propose an enhanced OFDM-SNM scheme in this paper, which utilizes the flexibility of placing subcarriers to harvest a coding gain in the high signal-to-noise ratio (SNR) region. In particular, we stipulate a methodology that optimizes the subcarrier activation pattern (SAP) by subcarrier assignment using instantaneous channel state information (CSI) and therefore the subcarriers with higher channel power gains will be granted the priority to be activated, given the number of subcarriers is fixed. We also analyze the proposed enhanced OFDM-SNM system in terms of outage and error performance. The average outage probability and block error rate (BLER) are derived and approximated in closed-form expressions, which are further verified by numerical results generated by Monte Carlo simulations. The high-reliability nature of the enhanced OFDM-SNM makes it a promising candidate for implementing in the Internet of Things (IoT) with stationary machine-type devices (MTDs), which are subject to slow fading and supported by proper power supply.

研究の動機と目的

• 変動するアクティブサブキャリア数とフェージングチャネルにおける劣悪な性能を示す従来のOFDM-SNMの信頼性制限を是正する。
• 周波数選択性と瞬時のCSIを活用して、スペクトル効率やハードウェア複雑性を増加させることなく、システムの信頼性を向上させる。
• フェージングゲインを活用し、高SNR領域でコーディングゲインを達成するため、高ゲインサブキャリアを優先するサブキャリア割り当て戦略を設計する。
• 閉形式式とモンテカルロシミュレーションを用いて、強化されたOFDM-SNMシステムのアウトージュおよび誤り性能を分析・検証する。
• 強化されたOFDM-SNMが、IoTネットワークにおける機械タイプ通信（MTC）に適した低複雑性・高信頼性変調方式として実現可能であることを確立する。

提案手法

• 瞬時のチャネルパワー利得に基づくサブキャリア活性化パターン（SAP）最適化戦略を提案し、利得がより高いサブキャリアを優先的に活性化する。
• リアルタイムのチャネル状態に応じてアクティブサブキャリアを動的に選択するCSI対応サブキャリア割り当てメカニズムを導入し、リンク信頼性を向上させる。
• レイリーフェージング下での平均アウトージュ確率およびブロック誤り率（BLER）の閉形式式を導出することで、高SNR領域における性能分析を可能にする。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析結果を検証し、従来のOFDM-SNMおよびOFDM-IMと比較して性能向上を示す。
• スペクトル効率やハードウェア複雑性を増加させることなく、周波数選択性を活用してコーディングゲインを獲得する。パワー割り当てやコードブック設計の複雑性を回避する。
• OFDM-SNMの平均伝送レートを $ \bar{p} = \log_2(N) + \frac{N+1}{2} \log_2(M) $ として定式化する。ここで $ N $ は2のべき乗と仮定し、解析の簡便化のため床関数を省略する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 瞬時のCSIに基づくサブキャリア割り当ては、遅いフェージング環境下におけるOFDM-SNMの信頼性を向上させることができるか？
• RQ2 提案されたCSIに基づくサブキャリア割り当ては、OFDM-SNMのアウトージュ確率およびブロック誤り率（BLER）にどのように影響を与えるか？
• RQ3 強化されたOFDM-SNMは、どのような条件下で通常のOFDMおよびOFDM-IMよりも高いスペクトル効率を達成するか？
• RQ4 特に高SNR領域において、本手法のスペクトル効率と信頼性のトレードオフはどのようなものか？
• RQ5 強化されたOFDM-SNMは、OFDM-IMなどの既存手法を上回る誤り性能を達成しながら、IoTアプリケーションにおける低複雑性を維持できるか？

主な発見

• 提案された強化されたOFDM-SNMは、チャネルパワー利得がより高いサブキャリアを割り当てることで、スペクトル効率を増加させることなく、高SNR領域でコーディングゲインを達成し、信頼性を向上させる。
• 平均アウトージュ確率およびBLERは閉形式で導出され、モンテカルロシミュレーションにより検証され、従来のOFDM-SNMと比較して顕著な性能向上が示された。
• $ N = 8 $ の場合、$ \bar{p} \geq p_{\text{OFDM}} $ が成立するのは $ M \leq 1.811 $ のときであり、これは $ (M,N) = (2,2) $ および $ (2,4) $ のみが通常のOFDMよりも高いレートを提供することを意味する。
• $ N = 8 $、$ T = 4 $、$ M = 4 $ の場合、$ \bar{p} \geq p_{\text{IM}} $ を満たすために必要な $ M $ は $ M \geq 128 $ である。これは、OFDM-SNMがOFDM-IMを上回るには高次変調および大きな $ N $ 必要であることを示している。
• 強化されたOFDM-SNMは、通常のOFDMよりも優れた誤り性能を達成し、OFDM-IMと同等の性能を示す一方で、空間変調方式よりも低い複雑性を維持する。
• 結果から、CSIに基づくサブキャリア割り当ては、特に安定した電源を備えた静止型機械タイプデバイス向けの遅いフェージングIoT環境で信頼性の高い通信を実現可能であることが確認された。