[论文解读] Coexistence in 5G: Analysis of Cross-Interference between OFDM/OQAM and Legacy Users

Quentin Bodinier, Faouzi Bader+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2016

PAPR reduction in OFDM参考文献 17被引用 16

一句话总结

本文为5G共存场景下OFDM/OQAM与CP-OFDM用户之间的交叉干扰提供了精确的闭式表达式，表明OFDM/OQAM对传统CP-OFDM用户的干扰抑制效果仅略有改善——这与基于功率谱密度（PSD）模型的普遍假设相矛盾。关键发现是，PSD模型未能捕捉到CP-OFDM接收机矩形接收窗引起的解调后干扰，从而削弱了其在波形比较中的可靠性。

ABSTRACT

To optimize the use of the spectrum, it is expected that the next generation of wireless networks (5G) will enable coexistence of newly introduced services with legacy cellular networks. These new services, like Device-To-Device (D2D) communication, should require limited synchronization with the legacy cell to limit the amount of signaling overhead in the network. However, it is known that Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing (CP-OFDM) used in Long Term Evolution-Advanced (LTE-A) is not fit for asynchronous environments. This has motivated the search for a new waveform, able to enhance coexistence with CP-OFDM. Namely, it has been widely suggested that new devices could use OFDM/Offset-Quadrature Amplitude Modulation (OFDM/OQAM) to reduce the interference they inject to legacy cellular users. However, values of interference are usually measured at the input antenna of the receiver, based on the PSD of the interfering signal. We showed in previous works that this measurement is not representative of the actual interference that is seen after the demodulation operations. Building on this finding, we provide in this paper the first exact closed forms of cross-interference between OFDM/OQAM and CP-OFDM users. Our results prove that using OFDM/OQAM only marginally reduces interference to legacy users, in contradiction with many results in the literature.

研究动机与目标

• 解决5G共存场景下OFDM/OQAM与CP-OFDM系统之间解调后交叉干扰缺乏严格数学分析的问题。
• 挑战广泛使用的基于PSD的干扰估计模型，该模型假设低带外辐射直接意味着干扰减少。
• 量化接收机在解调后实际看到的干扰，而非依赖解调前的频谱功率密度。
• 评估OFDM/OQAM是否如先前文献所声称的那样真正减少了对传统CP-OFDM用户的干扰。
• 为多波形5G网络中的干扰建模与标准化实践提供重新思考的基础。

提出的方法

• 基于信号模型和接收机操作，推导了从OFDM/OQAM到CP-OFDM以及反之的交叉干扰的精确闭式表达式。
• 在OFDM/OQAM中使用PHYDYAS原型滤波器，以确保高谱包容性和低带外辐射。
• 将CP-OFDM接收机的矩形接收窗纳入干扰模型，该因素对解调后干扰具有关键影响。
• 建立干扰功率作为频率偏移和符号定时偏移的函数的数学模型。
• 通过数值仿真验证分析结果，采用真实参数：M=512个子载波，T_CP = T/8，单位能量符号，δ_f = 0。
• 将分析结果与基于PSD的模型及仿真数据进行比较，以评估模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于PSD模型的假设，即OFDM/OQAM相比CP-OFDM显著降低了对传统CP-OFDM用户的干扰，这一假设是否成立？
• RQ2 为何仿真结果未能证实PSD模型所预测的增益？
• RQ3 CP-OFDM接收机的矩形接收窗如何影响解调后实际看到的干扰功率？
• RQ4 OFDM/OQAM的PSD特性在共存场景中在多大程度上转化为实际的干扰降低？
• RQ5 基于PSD的模型能否可靠地用于评估使用不同波形的系统之间的共存性能？

主要发现

• PSD模型对CP-OFDM到OFDM/OQAM的干扰提供了良好近似，但对OFDM/OQAM到CP-OFDM的干扰则完全失效。
• 由于CP-OFDM接收机的矩形接收窗截断了OFDM/OQAM符号，导致实际在CP-OFDM接收机上看到的干扰远高于PSD模型的预测值。
• 当次用户使用OFDM/OQAM时，最大交叉干扰仅比双系统均使用CP-OFDM时高出约3 dB，表明性能增益微乎其微。
• 推导出的干扰闭式表达式与仿真结果完全吻合，验证了分析模型的正确性。
• 硬件损伤和功率放大器非线性预计将进一步降低OFDM/OQAM在实际部署中的潜在优势。
• 本研究结论认为，仅靠改进波形无法实现共存增益；传统CP-OFDM接收机也必须重新设计，以处理异步、非正交信号。