[论文解读] Frequency-Domain Time-Reversal Precoding in Wideband MISO OFDM Communication Systems

Trung-Hien Nguyen, Jean‐François Determe+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2019

Microwave Imaging and Scattering Analysis参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出在具有可变速率回退因子（BOF）的宽带MISO OFDM系统中采用频域时反（FD/TR）预编码，实现增强的时空聚焦。通过推导均方误差（MSE）的闭式近似，表明提高BOF和发射天线数量可显著提升目标位置的信噪比（SNR）增益，同时抑制非目标位置的功率。

ABSTRACT

Time reversal (TR) recently emerged as an interesting communication technology capable of providing a good spatio-temporal signal focusing effect. New generations of large-bandwidth devices with reduced cost leverage the use of TR wideband communication systems. While TR is usually implemented in the time domain, the same benefit can be obtained in an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system by precoding the information in the frequency domain. Besides using multiple antennas, the focusing effect of TR also comes from the use of a high rate back-off factor (BOF), which is the signal up-sampling (or down-sampling) rate in the original time-domain TR precoding. However, a frequency-domain TR precoding in the literature has only considered BOF of one, which does not fully exploit the focusing property of TR. In this paper, we discuss how to properly implement different BOFs using frequency-domain TR precoding in the OFDM system. Moreover, we demonstrate that increasing the BOF and/or the number of transmit antennas significantly improves the focusing gain at the intended position. In contrast, the unintended positions receive less useful power. Furthermore, closed-form approximations of the mean-square-errors (MSEs) of equalized received signals at either intended or unintended positions are derived, expressing the focusing gain as a function of the BOF and the number of antennas. Numerical simulations with multi-path channels are carried out to validate the MSE expressions.

研究动机与目标

• 解决以往OFDM系统中FD/TR预编码方法缺乏BOF灵活性的问题。
• 通过引入可变BOF，实现频域处理中时反聚焦增益的充分挖掘。
• 分析BOF与发射天线数量对MISO OFDM系统中聚焦性能的影响。
• 推导目标位置与非目标位置的均方误差（MSE）闭式近似，以量化聚焦增益。
• 通过瑞利衰落多径信道中的数值仿真验证理论MSE表达式的准确性。

提出的方法

• 为具有任意速率回退因子（BOF）的MISO OFDM系统制定频域时反预编码方案。
• 利用逆傅里叶变换与时反原理，建模频域等效信道响应。
• 基于零均值复高斯随机变量乘积之和的概率密度函数（PDF），推导目标位置与非目标位置的归一化均方误差（NMSE）闭式近似。
• 利用第二类修正贝塞尔函数与渐近近似，简化MSE表达式中的积分。
• 应用不完全伽马函数，对MSE推导中有限与无限区间的积分进行近似。
• 通过真实多径衰落信道中的数值仿真验证理论MSE表达式的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在MISO OFDM系统中，针对可变速率回退因子（BOF）实现频域时反预编码的正确设计？
• RQ2 提高BOF与发射天线数量对FD/TR-OFDM系统中聚焦增益有何影响？
• RQ3 均衡信号在目标位置与非目标位置的均方误差（MSE）如何随BOF与天线数量变化？
• RQ4 能否在频域TR预编码下，为目标与非目标位置的MSE推导出闭式近似？
• RQ5 理论MSE表达式在真实多径环境下的仿真结果中表现如何？

主要发现

• 提高速率回退因子（BOF）可显著提升频域时反预编码的聚焦增益，降低目标接收机位置的MSE。
• 目标位置的MSE随BOF提高与发射天线数量增加而减小，证实了信号聚焦性能的增强。
• 非目标位置的MSE随BOF提高而增大，表明干扰减少，空间选择性提高。
• 基于具有任意方差的复高斯随机变量乘积之和的PDF，推导出目标与非目标位置NMSE的闭式近似。
• 数值仿真结果验证了理论MSE表达式在不同BOF值与天线配置下的准确性。
• 渐近分析表明，目标位置的MSE随BOF与发射天线数量增加而衰减，而非目标位置的MSE则随之增长，验证了聚焦效应。