[논문 리뷰] Transceiver Design for GFDM with Index Modulation in Multi-user Networks

Merve Yüzgeçcioğlu, Eduard A. Jorswieck|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 12.

PAPR reduction in OFDM인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 추가 정보를 전달하기 위해 서브케이너 인덱스 할당을 활용함으로써 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키는 새로운 다중 사용자 GFDM-인덱스 모odulation(GFDM-IM) 송수신기 설계를 제안한다. MMSE 기반의 공동 검출 및 디코딩(JDD)을 통합함으로써, 다중 사용자 환경에서 주파수 도메인 신호 분리 및 간섭 완화가 향상되어 중간에서 높은 신호 대 잡음비(SNR)에서 기존 GFDM 및 OFDM-IM보다 뛰어난 비트 오류율(BER) 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Index modulation (IM) techniques can be applied to the different media in order to achieve spectral- and energy-efficient communication as well as to the indices of the subcarriers of a generalized frequency division multiplexing (GFDM) data block. In this work, a novel transceiver architecture for multi-user GFDM-IM system is introduced. The performance of the GFDM-IM is studied by considering the bit error rate (BER) as performance metric. It is shown that better BER performance than the classical GFDM and the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with IM can be achieved by employing IM to the GFDM.

연구 동기 및 목표

• 5G 다중 사용자 네트워크에서 4G LTE를 초월해 더 높은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성에 대한 증가하는 수요를 충족시키기 위해.
• 다중 사용자 간섭 환경에서 기존 GFDM 및 OFDM-IM의 한계를 극복하기 위해.
• 사용자 데이터와 서브케이너 인덱스를 동시에 검출하는 송수신기 아키텍처를 설계하여 시스템 신뢰성을 향상시키기 위해.
• 실제 fading 채널 조건을 반영한 다중 사용자 업링크 시나리오에서 GFDM-IM의 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 서브케이너 인덱스를 사용하여 추가 비트를 전달함으로써 스펙트럼 효율성을 증가시키는 GFDM-IM 송수신기 아키텍처를 제안한다.
• 각 서브심볼당 서브케이너를 G개의 그룹으로 나누며, 사전 정의된 look-up 테이블 Φ를 사용해 각 그룹당 K개의 서브케이너를 선택한다.
• 다중 사용자 간섭(IUI)을 완화하기 위해 MMSE 필터링을 사용하는 공동 검출 및 변조 해제(JDD) 수신기를 구현한다.
• 전송된 데이터를 모든 사용자 및 안테나에서 추정하기 위해 MMSE 필터 W = (BHB + σ²I)⁻¹BHB 를 사용한다.
• 모든 가능한 활성 서브케이너 조합에 대해 m(j) = Σ|ŷₗᵗᵘ(Φ(j,k))| 를 계산하여 인덱스를 검출한다.
• ICI/IUI 억제 후 그룹별로 디모듈레이션을 수행하여 검출된 인덱스와 M-ary 변조 기반 신호를 디코딩한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GFDM-IM는 다중 사용자 업링크 네트워크에서 기존 GFDM 및 OFDM-IM보다 더 낮은 BER 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 GFDM에 인덱스 모드를 통합할 경우 다중 사용자 환경에서 스펙트럼 효율성과 오류 내성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 롤오프 계수(α)는 GFDM-IM 시스템의 BER 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 사용자 수와 수신 안테나 수가 증가할 경우 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 JDD 수신기는 인덱스 및 데이터 신호를 동시에 디코딩하면서 다중 사용자 간섭을 효과적으로 억제할 수 있는가?

주요 결과

• GFDM-IM는 모든 SNR 범위에서 기존 GFDM 및 OFDM-IM보다 유의미하게 낮은 BER 성능을 보이며, 특히 중간에서 높은 SNR 영역에서 두각을 나타낸다.
• 2명의 사용자 네트워크에서 α = 0.1 인 GFDM-IM는 20 dB SNR에서 BER 10⁻⁵ 를 달성하며, OFDM-IM 및 기존 GFDM을 모두 능가한다.
• 4명의 사용자 네트워크에서 수신 안테나 수(NR = 4)가 증가함에 따라 BER 성능이 향상되어 JDD 설계의 강건성을 확인한다.
• 롤오프 계수 α 는 성능에 약간의 부정적 영향을 미치며, 중간 SNR 값에서 α = 0.9 가 α = 0.1 보다 약간 열악한 BER 을 보인다.
• 제안된 JDD 수신기는 사용자 신호를 효과적으로 분리하여 서브케이너 인덱스 및 M-ary 변조 신호의 신뢰성 있는 검출을 가능하게 한다.
• 활성 서브케이너 수(Ktot)를 조정함으로써 시스템의 유연성이 향상되어 스펙트럼 효율성과 전송 전력 간의 트레이드오���을 가능하게 한다.