[論文レビュー] WaveComBox: a Matlab Toolbox for Communications using New Waveforms

François Rottenberg, Mathieu Van Eeckhaute+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2018

PAPR reduction in OFDM参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

WaveComBox は、FBMC-OQAM や UFMC、WOFDM などの高度な通信波形の実装およびシミュレーションを簡素化する、オープンソースで使いやすい MATLAB ツールボックスです。モジュラーで抽象化されたアーキテクチャと組み込みの信号処理ブロックを備えており、正確なチャネルモデルを用いた SISO や MIMO の物理層チェーンのシミュレーションを容易にし、新波形の研究および実験的検証への導入の障壁を著しく低減します。

ABSTRACT

Future generations of communications systems will target a very wide range of applications. Each application comes with its own set of requirements in terms of data rate, latency, user density, reliability... Accommodating this large variety of specifications implies the need for a novel physical layer technology. In this regard, the most popular modulation nowadays, namely, the orthogonal frequency division multiplexing modulation, is characterized by a poor time-frequency localization, implying strong limitations. In the light of these limitations, communications using new waveforms, relying on more sophisticated signal processing techniques and providing improved time-frequency localization, have attracted a lot of attention for the last decade. At the same time, the higher complexity of these new waveforms, not only in terms of implementation but also conceptually, creates an entrance barrier that slows down their adoption by industries, standardization bodies and more generally in the telecommunication community. The WaveComBox toolbox, freely available at www.wavecombox.com, is a user-friendly, open-source and well documented piece of software aiming at considerably lowering the entrance barrier of recently proposed waveforms. This article first describes the general abstract structure of the toolbox. Secondly, examples are given to illustrate how to use the toolbox and to show some more advanced functionalities.

研究の動機と目的

• 次世代通信システムにおける新波形の実装の複雑さと概念的障壁に対処する。
• 従来の OFDM を超える高度な波形の研究および採用を加速する、使いやすくオープンソースの MATLAB ツールボックスを提供する。
• 変調、チャネルモデリング、同期、イコライジングを含む、物理層チェーンのエンドツーエンドのシミュレーションをサポートする。
• さまざまな無線および光ファイバー環境における、多様な波形の柔軟な実験を可能にする。
• 十分にドキュメント化された例とコミュニティフォーラムを介した協働・貢献を支援することで、教育的および研究的利用を促進する。

提案手法

• 通信チェーンを送信機、チャネル、受信機のコンponents に分割する抽象的でモジュラーなアーキテクチャを実装する。
• FBMC-OQAM、UFMC、WOFDM、CP-OFDM の波形固有の信号処理ブロック（変調器、復調器、フィルターバンクなど）を統合する。
• SISO および MIMO の構成をサポートし、チャネル推定、イコライジング、同期を含む適応信号処理を実装する。
• 無線フェージング、AWGN、光ファイバー系における色散、位相ノイズを再現する現実的なチャネルモデルを組み込む。
• 記号回復に用いる数学的式として、復調式 $ z_{m_0,l_0} = \sum_n r[n] g^*_{m_0,l_0}[n] $ と実部決定ルール $ \hat{d}_{m_0,l_0} = \Re(z_{m_0,l_0}) $ を使用する。
• 光システムにおける色散補償に適した高度なイコライジング技術（シングルタップ、マルチタップ、並列、時域イコライザ）を実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FBMC-OQAM や UFMC などの新波形の複雑さをどのように低減すれば、研究および産業分野での採用を加速できるか？
• RQ2 光ファイバー FBMC-OQAM システムにおける色散補償に、さまざまなイコライジング技術（例：シングルタップ、マルチタップ、並列）が果たす性能はいかほどか？
• RQ3 周波数選択的フェージングおよび位相ノイズ下でのスペクトル効率と耐性の観点から、さまざまな波形設計（例：FBMC-OQAM、WOFDM、UFMC）はどのように比較されるか？
• RQ4 統合的で抽象化された MATLAB ツールボックスは、多様な通信シナリオにおける物理層チェーンのシミュレーションをどの程度簡素化できるか？
• RQ5 このツールボックスは、光通信および無線 MIMO システムにおける教育的チュートリアルおよび高度な実験的検証を効果的に支援できるか？

主な発見

• WaveComBox は、SISO および MIMO 構成を完全にサポートする FBMC-OQAM、UFMC、WOFDM システムのエンドツーエンドのシミュレーションを可能にしている。
• ツールボックスは、シングルタップ、マルチタップ、周波数拡散構造を含む複数のイコライジング技術を用いて、光ファイバー系における色散補償を効果的に実装している。
• MIMO FBMC-OQAM の例における性能比較では、理論的な瞬時および漸近的スペクトル効率がシミュレーション結果とよく一致している。
• [21] に基づくトラッキングアルゴリズムによる位相ノイズ補償は、光システムにおける記号回転を効果的に低減し、判断の正確性を向上させた。
• パイロット信号に基づく同期およびチャネル推定ブロックの導入により、光および無線システムにおける信頼性の高いフレーム検出および CFO 推定が可能になった。
• ツールボックスのモジュラー設計により、容易な拡張およびカスタマイズが可能であり、BasicSISO.m や OpticalFiberChain.m といった例は、研究および実験のための即時利用可能なテンプレートとして機能している。