[논문 리뷰] GFDM Transceiver using Precoded Data and Low-complexity Multiplication in Time Domain

Ivan Gaspar, Maximilian Matthé외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 10.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 3인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 구현 복잡도를 감소시키기 위해 시간 도메인 원형 컨볼루션과 프리코딩을 사용한 저복잡도 GFDM 송수신기 구조를 제안한다. DFT/IDFT를 포함한 행렬 연산으로 GFDM 변조 및 복조를 재구성함으로써, 요소별 곱셈과 누적 연산을 통해 효율적인 계산이 가능해져, 복잡도를 크게 감소시키면서도 5G 시스템에서 더 높은 스펙트럼 효율성과 강인성을 확보할 수 있다.

ABSTRACT

Future wireless communication systems are demanding a more flexible physical layer. GFDM is a block filtered multicarrier modulation scheme proposed to add multiple degrees of freedom and cover other waveforms in a single framework. In this paper, GFDM modulation and demodulation will be presented as a frequency-domain circular convolution, allowing for a reduction of the implementation complexity when MF, ZF and MMSE filters are employed in the inner and outer receiver operation. Also, precoding is introduced to further increase GFDM flexibility, addressing a wider set of applications.

연구 동기 및 목표

• 5G 물리계층 응용을 위한 GFDM 송수신기의 구현 복잡도를 감소시키기 위해.
• 시간 및 주파수 도메인에서의 프리코딩을 도입하여 유연한 웨이브폼 설계를 가능하게 하기 위해.
• DFT/IDFT를 활용한 행렬-벡터 연산으로 GFDM 변조 및 복조를 효율적인 연산으로 재구성하기 위해.
• 주파수 도메인에서의 원형 컨볼루션을 활용하여 저복잡도 검출 및 일치 보정을 지원하기 위해.
• 일반화된 프리코딩을 통해 주파수 선택성 및 시간 선택성 fading 채널에서의 스펙트럼 효율성과 강인성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 포아송 합성 공식을 활용해 GFDM을 주파수 도메인 원형 컨볼루션으로 재구성함으로써, 시간 도메인 처리를 효율적으로 가능하게 한다.
• DFT/IDFT 연산을 M×K포인트로 표현하여 변조 및 복조를 구현하며, DFT를 프리코딩의 한 형태로 간주한다.
• T_c (주파수) 및 T_r (시간) 행렬을 통한 일반화된 프리코딩 프레임워크를 도입하여 임의의 신호 도메인 변환을 가능하게 한다.
• 크로네cker 곱을 사용하여 전체 프리코딩 연산을 벡터화된 데이터 블록에 대한 선형 변환으로 표현한다.
• 복잡한 컨볼루션 연산을 대체하기 위해 시간 도메인에서 요소별 곱셈과 M배 누적 연산을 활용한다.
• 매칭 필터 (MF), 제로 포지션 (ZF), 최소 평균 제곱 오차 (MMSE) 일치 보정을 위한 저복잡도 구현을 유도하기 위해 이 방법을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GFDM의 변조 과정을 DFT 기반 프리코딩 연산으로 재해석함으로써 복잡도를 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 주파수 도메인 처리를 통한 시간 도메인 원형 컨볼루션 사용이 GFDM 송수신기의 계산 복잡도를 얼마나 감소시키는가?
• RQ3 시간 및 주파수 도메인에서의 일반화된 프리코딩이 fading 채널에서 스펙트럼 효율성과 강인성을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 기존 GFDM 및 OFDM 구현 방식에 비해 제안된 방법의 복잡도 향상 정도는 어떠한가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 OFDM 및 SC-FDMA를 특수 케이스로 포함하는 유연한 웨이브폼 설계를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 [1]에서 제시된 최첨단 GFDM 송수신기보다 GFDM의 구현 복잡도를 낮춘다. 특히 채널 필터가 희박한 경우에 두드러진다.
• DFT를 프리코딩 연산으로 사용함으로써 FT, TT, FF, TF 모드를 포함한 다양한 유연한 신호 도메인 변환이 가능해지며, 각 모드는 고유한 스펙트럼 및 다양성 특성을 가진다.
• 주파수 도메인 프리코딩 (FF 모드)는 OFDM와 유사한 스펙트럼을 생성하지만, 시간 도메인 프리코딩 (TF 모드)는 시간 다양성을 제공하고 PAPR를 감소시킨다.
• 복소수 곱셈 횟수는 크게 감소한다: 예를 들어 TT 모드는 데이터 외에 추가 곱셈이 전혀 필요로 하지 않으며, FF 모드는 MK log₂(K) + KM log₂(M)회의 추가 곱셈을 수반한다.
• 요소별 곱셈과 누적 연산을 활용한 저복잡도 일치 보정을 지원함으로써, 파이pline 내부 수신기 설계와 향후 비선형 검출을 가능하게 한다.
• T_c 및 T_r 행렬을 통한 임의의 프리코딩이 가능하며, 크로네cker 곱 표현을 통해 시간 및 주파수 자원 간 전체 신호 결합을 구현할 수 있다.