[논문 리뷰] Frequency-Domain Time-Reversal Precoding in Wideband MISO OFDM Communication Systems

Trung-Hien Nguyen, Jean‐François Determe외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 24.

Microwave Imaging and Scattering Analysis참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 가변적인 비율 백오프 인자(BOF)를 가진 광대역 MISO OFDM 시스템에서 주파수 도메인 시간 반전(FD/TR) 예비처리를 제안하여 개선된 공간-시간 집중을 가능하게 한다. 폐쇄형 평균 제곱 오차(MSE) 근사식을 유도함으로써, BOF와 송신 안테나 수를 증가시킬수록 목적지 위치에서 신호 대 잡음비(SNR) 이득이 향상되고, 의도하지 않은 위치에서는 전력이 억제됨을 보여준다.

ABSTRACT

Time reversal (TR) recently emerged as an interesting communication technology capable of providing a good spatio-temporal signal focusing effect. New generations of large-bandwidth devices with reduced cost leverage the use of TR wideband communication systems. While TR is usually implemented in the time domain, the same benefit can be obtained in an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system by precoding the information in the frequency domain. Besides using multiple antennas, the focusing effect of TR also comes from the use of a high rate back-off factor (BOF), which is the signal up-sampling (or down-sampling) rate in the original time-domain TR precoding. However, a frequency-domain TR precoding in the literature has only considered BOF of one, which does not fully exploit the focusing property of TR. In this paper, we discuss how to properly implement different BOFs using frequency-domain TR precoding in the OFDM system. Moreover, we demonstrate that increasing the BOF and/or the number of transmit antennas significantly improves the focusing gain at the intended position. In contrast, the unintended positions receive less useful power. Furthermore, closed-form approximations of the mean-square-errors (MSEs) of equalized received signals at either intended or unintended positions are derived, expressing the focusing gain as a function of the BOF and the number of antennas. Numerical simulations with multi-path channels are carried out to validate the MSE expressions.

연구 동기 및 목표

• OFDM 시스템에 대한 이전 FD/TR 예비처리 방법에서 BOF 유연성의 부족을 해결한다.
• 가변적인 BOF를 도입함으로써 주파수 도메인 처리에서 시간 반전의 집중 이득을 최대한 활용할 수 있도록 한다.
• MISO OFDM 시스템에서 BOF와 송신 안테나 수가 집중 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• 집중 이득을 정량화하기 위해 목적지 및 의도하지 않은 위치에서의 평균 제곱 오차(MSE)에 대한 폐쇄형 근사식을 유도한다.
• 다중 경로 채널에서 수치적 시뮬레이션을 통해 이론적 MSE 식을 검증한다.

제안 방법

• 임의의 비율 백오프 인자(BOF)를 가진 MISO OFDM 시스템에 대한 주파수 도메인 시간 반전 예비처리 방식을 수립한다.
• 역 푸리에 변환과 시간 반전 원리를 사용하여 주파수 도메인에서의 등效 채널 응답을 모델링한다.
• 영향을 받는 위치와 의도하지 않은 위치에서의 정규화된 평균 제곱 오차(NMSE)에 대한 폐쇄형 근사식을 유도한다. 이때, 평균이 0인 복소수 가우시안 랜덤 변수의 곱의 합에 대한 확률 밀도 함수(PDF)를 사용한다.
• 적분 표현식의 간소화를 위해 제2종 수정 Bessel 함수와 점근 근사식을 활용한다.
• MSE 유도 과정에서 유한 및 무한 구간에 대한 적분을 근사하기 위해 정규화된 감마 함수를 적용한다.
• 실제 다중 경로 fading 채널에서 이론적 MSE 식을 수치적 시뮬레이션을 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MISO OFDM 시스템에서 가변 비율 백오프 인자(BOF)를 가진 주파수 도메인 시간 반전 예비처리는 어떻게 적절히 구현될 수 있는가?
• RQ2 BOF와 송신 안테나 수를 증가시킬 경우 FD/TR-OFDM 시스템에서 집중 이득에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 목적지 및 의도하지 않은 위치에서 등화된 신호의 평균 제곱 오차(MSE)는 BOF와 안테나 수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 주파수 도메인 TR 예비처리 하에서 목적지 및 의도하지 않은 위치에서의 MSE에 대한 폐쇄형 근사식을 도출할 수 있는가?
• RQ5 이론적 MSE 식은 실제 다중 경로 환경에서 시뮬레이션 결과와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 비율 백오프 인자(BOF)를 증가시키면 주파수 도메인 시간 반전 예비처리에서 집중 이득이 크게 향상되어 목적지 수신기 위치에서의 MSE가 감소한다.
• 목적지 위치에서의 MSE는 BOF와 더 많은 송신 안테나 수가 증가할수록 감소하며, 이는 신호 집중이 향상됨을 확인한다.
• 의도하지 않은 위치에서의 MSE는 BOF가 증가함에 따라 증가하여 간섭 감소와 함께 공간 선택성이 향상됨을 나타낸다.
• 임의의 분산을 가진 복소수 가우시안 랜덤 변수의 곱의 합에 대한 PDF를 사용하여 목적지 및 의도하지 않은 위치에서의 NMSE에 대한 폐쇄형 근사식이 유도되었다.
• 수치적 시뮬레이션을 통해 다양한 BOF 값과 안테나 구성에서 이론적 MSE 식의 정확성이 확인되었다.
• 점근 분석 결과, 목적지 위치에서의 MSE는 BOF와 송신 안테나 수가 증가함에 따라 감소하고, 의도하지 않은 위치에서의 MSE는 증가함을 확인하여 집중 효과가 검증되었다.