[论文解读] Inter-Numerology Interference Pre-Equalization for 5G Mixed-Numerology Communications

Bugra Cevikgibi, Ali Murat Demirtaş+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2022

PAPR reduction in OFDM被引用 6

一句话总结

该论文提出一种发射端预均衡技术，通过将互数字调制干扰（INI）建模为发射符号的加权线性组合，并应用INI生成矩阵的逆作为预均衡器，从而在5G混合数字调制OFDM系统中完全消除互数字调制干扰（INI）。该方法在不使用保护带的情况下实现理论最低误比特率，提升了频谱效率，同时保持性能极限。

ABSTRACT

This article proposes a pre-equalization method to remove inter-numerology interference (INI) that occurs in multi-numerology OFDM frame structures of fifth-generation New Radio (5G-NR) and beyond on the transmitter side. In the literature, guard bands, filters and interference cancellation methods are used to reduce the INI. In this work, we mathematically model how the INI is generated and how it can be removed completely for multi-numerology systems on the transmitter side.

研究动机与目标

• 解决5G NR多数字调制OFDM系统中因不同子载波间隔的子载波分配重叠而产生的互数字调制干扰（INI）。
• 在不依赖保护带的前提下，于发射端完全消除INI，以避免频谱效率降低。
• 利用DFT/IDFT矩阵将INI建模为发射符号的线性变换。
• 推导并应用INI权重矩阵的逆作为预均衡器，以在传输前抵消干扰。
• 证明所提方法在瑞利衰落信道中无需频谱效率损失即可实现理论最低误比特率。

提出的方法

• 使用离散傅里叶变换（DFT）和逆DFT（IDFT）矩阵，对两种复用数字调制的INI生成过程进行数学建模。
• 将INI权重矩阵W^INI定义为将发射符号映射到相邻数字调制上干扰分量的线性变换。
• 推导W^INI矩阵的逆，作为发射端预均衡器以预先抵消干扰。
• 将预均衡器矩阵(W^INI)^{-1}应用于原始符号向量X，生成预均衡符号X^b。
• 采用固定不变的预均衡器矩阵，其与调制方式无关，一旦计算完成，可适用于任意调制方案。
• 通过瑞利衰落信道下的蒙特卡洛仿真验证该方法，采用64-QAM和256-QAM调制。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将5G混合数字调制OFDM系统中的互数字调制干扰（INI）数学建模为发射符号和系统参数的函数？
• RQ2 是否可以在不使用保护带或接收端处理的情况下，完全在发射端消除INI？
• RQ3 INI生成矩阵W^INI的结构是什么？其逆矩阵如何用作预均衡器以实现干扰抵消？
• RQ4 与传统的保护带或滤波方法相比，该预均衡方法在频谱效率和误比特率（BER）方面可实现哪些性能增益？
• RQ5 该预均衡技术是否保持了信号的峰均功率比（PAPR）？

主要发现

• 所提出的INI预均衡技术实现了与瑞利衰落信道理论最低误比特率完全一致的误比特率，表明实现了完美的干扰消除。
• 经预均衡后，发射符号的误差矢量幅度（EVM）为0 dB，证实了信号星座图上INI被完全消除。
• 该方法在不使用任何保护带的情况下，对64-QAM和256-QAM调制均实现了理论BER极限，保持了完整的频谱效率。
• 预均衡器矩阵(W^INI)^{-1}为固定矩阵，与调制方式无关，每种系统配置仅需计算一次。
• 预均衡后，峰均功率比（PAPR）几乎保持不变，表明无显著失真或功率效率损失。
• 该技术可推广至其他数字调制对（如μ=0,2或μ=1,2），并适用于任意P和K子载波分配。