[논문 리뷰] FDM-Structured Preamble Optimization for Channel Estimation in MIMO-OQAM/FBMC Systems

Wenfeng Liu, Da Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 11.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 23인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전송 전력 제약 조건 하에서 채널 추정 평균 제곱 오차(MSE)를 최소화하기 위해 MIMO-OQAM/FBMC 시스템에 대한 FDM-구조의 프리앰블 최적화 방법을 제안한다. 두 안테나인 경우, 닫힌 형식의 최적 프리앰블을 유도하고, 그 이상의 안테나인 경우, QCQP 근사화를 통해 부분 최적 해를 도출한다. 이는 모든 SNR 영역에서 기존 방법보다 낮은 MSE와 BER을 달성하면서도 프리앰블 오버헤드를 감소시킨다.

ABSTRACT

In this paper, we consider the problem of preamble design in multiple-input multiple-output (MIMO) systems employing offset quadrature amplitude modulation based filter bank multicarrier (OQAM/FBMC) and propose a preamble optimization method for the frequency division multiplexing (FDM)-structured preamble. Specifically, we formulate an optimization problem to determine the frequency division multiplexed preambles, where the objective is to minimize the mean square error (MSE) of the channel estimation, subject to the constraint on the transmit energy. For two transmit antennas, we find the relationship between preambles and the intrinsic interference from neighboring symbols to achieve the minimum channel estimation MSE, and derive the optimal closed-form solution. For more than two transmit antennas, the constrained preamble optimization problem is nonconvex quadratic. Therefore, we convert the original optimization problem into a quadratically constrained quadratic program (QCQP) and obtain the suboptimal solution by relaxing the nonconvex constraint. Simulation results demonstrate that, in terms of MSE and bit error rate (BER) performances, the proposed method outperforms the conventional FDM preamble design method at all signal-to-noise ratio (SNR) regimes and outperforms the interference approximation method-complex (IAM-C) preamble design method at low to medium SNR regimes with lower preamble overhead.

연구 동기 및 목표

• 내재된 간섭과 다중 안테나 간섭으로 인해 채널 추정 성능이 열화되는 MIMO-OQAM/FBMC 시스템에서 프리앰블 설계의 과제를 해결하기 위해.
• OQAM/FBMC의 실수 영역 직교성과 내재된 허수 간섭으로 인해 OFDM 기반 프리앰블 설계 방법이 적용 불가능한 기존 방법의 한계를 극복하기 위해.
• 특히 두 개 이상의 전송 안테나를 갖는 시스템에서 IAM-C보다 프리앰블 오버헤드를 감소시키기 위해.
• 시간 불변성, 주파수 선택성 채널에서 전송 에너지 제약 조건을 만족하면서도 MSE를 최소화하는 FDM-구조 프리앰블을 최적화하기 위해.
• 두 안테나 시스템에 대해 닫힌 형식의 해를 제공하고, 더 큰 MIMO 구성에 대해서는 풀이되지 않은 QCQP 기반 부분 최적 해를 제공하기 위해.

제안 방법

• 전체 전송 에너지 제약 조건 하에서 채널 추정의 MSE를 최소화하는 제약 조건이 있는 최적화 문제를 수립한다.
• 두 전송 안테나인 경우, 인접 기지의 내재 간섭과 프리앰블 간의 관계를 분석하여 닫힌 형식의 해를 도출한다.
• 두 개 이상의 안테나인 경우, 비볼록 2차 최적화 문제를 2차 제약 조건이 있는 2차 프로그래밍(QCQP) 문제로 재구성한다.
• 비볼록 제약 조건을 완화하여 고유값 분해와 변수 변환을 통해 부분 최적 해를 도출한다.
• 이중화 응답 행렬 V와 복합 프리앰블 벡터 d를 사용하여 SFB 출력에서의 프리앰블 에너지를 표현함으로써 효율적인 계산을 가능하게 한다.
• 행렬 B의 유니터리 변환과 고유값 분해를 통해 최적 프리앰블 벡터를 a = B⁻¹w로 유도하며, 여기서 w는 채널 응답으로부터 유도된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전송 전력 제약 조건을 만족하면서도 채널 추정 MSE를 최소화할 수 있도록 MIMO-OQAM/FBMC 시스템의 프리앰블 설계를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 내재된 허수 간섭이 존재하는 조건에서 두 안테나 MIMO-OQAM/FBMC 시스템에 대한 최적 프리앰블 구조는 무엇인가?
• RQ3 두 개 이상의 안테나에 대한 비볼록 프리앰블 최적화 문제는 어떻게 효과적으로 근사화하고 해결할 수 있는가?
• RQ4 제안된 FDM-구조 프리앰블은 IAM-C 대비 얼마나 낮은 오버헤드를 제공하면서도 추정 정확도를 유지하거나 향상시키는가?
• RQ5 다양한 SNR 영역에서 제안된 방법이 MSE와 비트 오류율(BER) 측면에서 어떤 성능 향상을 달성하는가?

주요 결과

• 두 전송 안테나인 경우, 제안된 방법은 이웃 기지에서 발생하는 내재 간섭을 명시적으로 고려하여 MSE를 최소화하는 닫힌 형식의 최적 프리앰블을 달성한다.
• 두 개 이상의 안테나인 경우, QCQP 근사화 접근법을 통해 부분 최적이지만 효과적인 프리앰블 설계를 도출하며, 계산 복잡도가 크게 감소한다.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 방법은 모든 SNR 영역에서 기존의 FDM 프리앰블 설계보다 MSE와 BER 측면에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 저-중간 SNR 영역에서 IAM-C 방법보다 더 낮은 프리앰블 오버헤드를 유지하면서도 BER 성능이 향상된다.
• IAM-C와 달리 선형적으로 증가하는 오버헤드와는 달리, 본 방법은 안테나당 단지 세 개의 프리앰블 컬럼만 요구하므로 스펙트럼 효율 손실을 줄인다.
• 유도된 최적 프리앰블 벡터는 a = B⁻¹w로 표현되며, 원형 필터에만 의존하므로 이중화 응답 행렬의 사전 계산이 효율적으로 가능하다.