[논문 리뷰] Intersymbol and Intercarrier Interference in OFDM Systems: Unified Formulation and Analysis

Fernando Cruz–Roldán, Wallace A. Martins외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 08.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 30인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 전송기 및 수신기 윈도잉, 순환 프리픽스/서플리먼트, 채널 컨볼루션을 제한 없이 모델링할 수 있는 6개의 매개변수를 사용하여, 전통적인 CP-OFDM와 6개의 윈도잉 변종을 포함한 7개의 OFDM 시스템에 대한 통합 수학적 공식을 제시한다. 주요 기여는 정확한 인터심볼 간섭(ISI) 및 인터캐리어 간섭(ICI) 전력과 SINR 계산이 가능한 새로운 등가 채널 행렬을 제안한 것이다. 이는 수신기 전용 윈도잉 시스템이 SER 성능과 유사하나 데이터 전송률에서 다른 시스템을 능가함을 드러낸다.

ABSTRACT

A new unified formulation for seven different orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) systems is presented. The proposed formulation relies on six parameters and encompasses conventional OFDM systems, with windowing in the transmitter and/or in the receiver, and also with a cyclic prefix (CP) or both a CP and cyclic suffix (CS). A new equivalent channel matrix that is useful for calculating both the received signal and the intersymbol and intercarrier interference power is defined and characterized. Unlike previous works, this new channel matrix formulates the channel convolution with no restrictions on the length of the channel impulse response. Moreover, it includes the overlap-and-add procedure performed in the transmitter of windowed OFDM systems. Furthermore, new theoretical expressions for the intersymbol and intercarrier interference and also for the signal-to-interference-plus-noise ratio are derived.

연구 동기 및 목표

• 기본 CP-OFDM와 WOLA-OFDM, CPW-OFDM 등 6개의 윈도잉 변종을 포함한 7개의 OFDM 시스템을 하나의 수학적 프레임워크로 통합 분석하기.
• OFDM 신호 전송 및 수신 모델링 시 채널 인과응답 길이에 제한이 없도록 하기.
• 윈도잉 OFDM 시스템에서의 오버랩 앤 어드 프로세스를 채널 모델에 직접 통합하기.
• 인터심볼 간섭(ISI), 두 가지 유형의 인터캐리어 간섭(ICI), 신호 대 간섭 + 노이즈 비율(SINR)에 대한 폐쇄형 표현식 유도하기.
• 실제 채널 조건 하에서 SER 및 실현 가능한 데이터 전송률 측면에서 다양한 OFDM 시스템의 성능 평가 및 비교하기.

제안 방법

• 전체 OFDM 전송 체인을 모델링하는 새로운 등가 채널 행렬을 제안: 전송기 윈도잉(오버랩 앤 어드 포함), 채널 컨볼루션, 수신 처리를 포함.
• CP, CS 및 전송기, 수신기 또는 양쪽 모두에 윈도잉이 적용된 7개의 OFDM 시스템을 통합 기술하기 위해 6개의 설계 매개변수(β, δ, ρ, γ, κ, μ)를 사용.
• 주파수 도메인에서 ISI 전력과 두 가지 유형의 ICI(제1형 및 제2형), 총 간섭 전력 및 SINR에 대한 분석적 표현식 유도.
• 시간 도메인 윈도잉 및 순환 프리픽스/서플리먼트 연산을 신호 연장과 오버랩을 고려한 단일 행렬 공식화로 통합.
• SER 갭 모델을 활용하여 SINR 및 실현 가능한 데이터 전송률을 계산하고, 데이터 전송률은 샤논 공식을 통해 산출.
• 실제 채널(PED200, VEH200)을 사용한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 모델을 검증하고, 모든 7개의 OFDM 시스템 간의 SER 및 데이터 전송률 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하나의 통합 수학적 프레임워크로 전통적인 CP-OFDM와 다양한 윈도잉 변종을 포함한 7개의 다른 OFDM 시스템을 기술할 수 있는가?
• RQ2 전송기 측 윈도잉과 수신기 측 윈도잉이 인터심볼 간섭 및 인터캐리어 간섭 전력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 동시에 순환 프리픽스와 순환 서플리먼트를 포함할 경우 간섭 및 데이터 전송률 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 순환 프리픽스 길이와 결과 간섭 전력 및 실현 가능한 데이터 전송률 간의 관계는 무엇인가?
• RQ5 동일한 SER 성능과 SNR 조건 하에서 어떤 OFDM 시스템 구성이 가장 높은 데이터 전송률을 달성하는가?

주요 결과

• 모든 OFDM 시스템은 다양한 채널에서 거의 동일한 SER 성능를 보이며, 이는 서로 다른 시스템 간에 오차율에서 유의미한 다이버시티 이득이 없음을 시사한다.
• 수신기에서만 윈도잉이 적용된 시스템들(e.g., wrx-OFDM, CPwrx-OFDM)이 수신기 및 전송기 양쪽 또는 전송기에서만 윈도잉이 적용된 시스템보다 높은 데이터 전송률을 달성한다.
• 동시에 순환 프리픽스와 순환 서플리먼트를 포함한 시스템(e.g., CPW-OFDM)은 낮은 간섭 전력 수준을 보이지만, 중복 샘플의 오버헤드로 인해 데이터 전송률이 감소한다.
• CP-OFDM는 항상 다른 시스템보다 높은 데이터 전송률을 보이며, 고 SNR(40 dB) 및 짧은 CP 길이 조건에서는 wrx-OFDM가 약간의 이점이 있다.
• 전송기 측 윈도잉이 적용된 시스템의 간섭 전력(ISI 및 ICI)은 수신기 측에서만 윈도잉이 적용된 시스템보다 높다.
• 제안된 통합 공식화는 채널 길이 제약 없이 모든 7개의 OFDM 시스템에서 간섭 및 SINR의 정확하고 효율적인 분석을 가능하게 한다.