[論文レビュー] Inter-Numerology Interference Pre-Equalization for 5G Mixed-Numerology Communications

Bugra Cevikgibi, Ali Murat Demirtaş+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2022

PAPR reduction in OFDM被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、5Gミックス・ネリューロロジーOFDMシステムにおけるインターナンベロロジーインターーフェアランス（INI）を完全に除去する送信機側プリイコイリブレーション技術を提案する。INIを送信シンボルの重み付き線形結合として数学的にモデル化し、INI生成行列の逆行列をプリイコイリブレータとして適用することで実現する。ガードバンドを用いないにもかかわらず理論的最小ビット誤り率を達成でき、スペクトル効率の向上を実現しながら性能限界を維持する。

ABSTRACT

This article proposes a pre-equalization method to remove inter-numerology interference (INI) that occurs in multi-numerology OFDM frame structures of fifth-generation New Radio (5G-NR) and beyond on the transmitter side. In the literature, guard bands, filters and interference cancellation methods are used to reduce the INI. In this work, we mathematically model how the INI is generated and how it can be removed completely for multi-numerology systems on the transmitter side.

研究の動機と目的

• 異なるサブキャリアスパンを有するサブキャリア割り当ての重複に起因する5G NRマルチ・ネリューロロジーOFDMシステムにおけるインターナンベロロジーインターーフェアランス（INI）の問題を解決すること。
• スペクトル効率を低下させるガードバンドに依存せずに、送信機側でのINI除去を実現すること。
• DFT/IDFT行列を用いて、INIを送信シンボルの線形変換としてモデル化すること。
• INI重み行列の逆行列を導出し、これをプリイコイリブレータとして用いて送信前に干渉を事前にキャンセルすること。
• 本手法が、スペクトル効率を損なわずにRayleigh fadingチャネルにおいて理論的最小ビット誤り率を達成することを示すこと。

提案手法

• 2つの多重化されたネリューロロジーに対して、離散フーリエ変換（DFT）および逆離散フーリエ変換（IDFT）行列を用いてINI生成を数学的にモデル化する。
• 送信シンボルを隣接するネリューロロジーにおける干渉成分に写像する線形変換として、INI重み行列W^INIを定義する。
• W^INI行列の逆行列を導出し、これを送信機で干渉を事前にキャンセルするプリイコイリブレータとして用いる。
• 元のシンボルベクトルXにプリイコイリブレータ行列(W^INI)^{-1}を適用し、プリイコイリブレーテッドシンボルX^bを生成する。
• 変調方式に依存しない固定のプリイコイリブレータ行列を用い、一度計算すれば任意の変調方式に適用可能である。
• 64-QAMおよび256-QAMを用いたMonte Carloシミュレーションにより、Rayleigh fadingチャネル上での手法の有効性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5Gミックス・ネリューロロジーOFDMシステムにおけるインターナンベロロジーインターーフェアランス（INI）は、送信シンボルおよびシステムパラメータの関数としてどのように数学的にモデル化できるか？
• RQ2 ガードバンドや受信機処理に依存せずに、送信機側でのINIを完全に除去できるか？
• RQ3 INI生成行列W^INIの構造は何か？ その逆行列はどのようにしてプリイコイリブレータとして干渉をキャンセルできるか？
• RQ4 従来のガードバンドまたはフィルタリング手法と比較して、本プリイコイリブレーション手法はスペクトル効率およびビット誤り率（BER）においてどの程度の向上を達成できるか？
• RQ5 プリイコイリブレーション手法は、信号のピーク対平均電力比（PAPR）を維持するか？

主な発見

• 提案されたINIプリイコイリブレーション手法は、Rayleigh fadingチャネルにおいて理論的最小ビット誤り率に一致するBERを達成しており、完全な干渉キャンセリングを示している。
• プリイコイリブレーション後の送信シンボルのエラーベクトルマグニチュード（EVM）は0 dBに達しており、信号コンステレーション上でのINIの完全な除去を確認している。
• 本手法は64-QAMおよび256-QAM変調においてもガードバンドを一切使用せず、理論的BER限界を達成しており、スペクトル効率を完全に維持している。
• プリイコイリブレータ行列(W^INI)^{-1}は固定であり、変調方式に依存せず、システム構成毎に一度の計算で十分である。
• プリイコイリブレーション後のピーク対平均電力比（PAPR）はほとんど変化せず、著しい歪みやパワー効率の損失がないことを示している。
• 本手法は他のネリューロロジー対（例：μ=0,2 または μ=1,2）にも一般化可能であり、任意のPおよびKサブキャリア割り当てに適用可能である。