[论文解读] Intersymbol and Intercarrier Interference in OFDM Systems: Unified Formulation and Analysis

Fernando Cruz–Roldán, Wallace A. Martins+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2020

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 30被引用 8

一句话总结

本文提出了一种统一的数学公式，用于七种OFDM系统——传统CP-OFDM及六种加窗变体——通过六个参数对发射机与接收机加窗、循环前缀/后缀以及信道卷积进行建模，且不限制信道长度。主要贡献在于提出一种新型等效信道矩阵，可精确计算符号间串扰（ISI）与载波间串扰（ICI）功率及SINR，结果表明尽管SER性能相近，仅在接收机端加窗的系统在数据速率方面优于其他系统。

ABSTRACT

A new unified formulation for seven different orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) systems is presented. The proposed formulation relies on six parameters and encompasses conventional OFDM systems, with windowing in the transmitter and/or in the receiver, and also with a cyclic prefix (CP) or both a CP and cyclic suffix (CS). A new equivalent channel matrix that is useful for calculating both the received signal and the intersymbol and intercarrier interference power is defined and characterized. Unlike previous works, this new channel matrix formulates the channel convolution with no restrictions on the length of the channel impulse response. Moreover, it includes the overlap-and-add procedure performed in the transmitter of windowed OFDM systems. Furthermore, new theoretical expressions for the intersymbol and intercarrier interference and also for the signal-to-interference-plus-noise ratio are derived.

研究动机与目标

• 在单一数学框架下统一分析七种OFDM系统，包括传统CP-OFDM及六种加窗变体（如WOLA-OFDM、CPW-OFDM）。
• 在建模OFDM信号传输与接收时，消除对信道冲激响应长度的限制。
• 将加窗OFDM系统中的重叠-相加过程直接整合到信道模型中。
• 推导符号间串扰（ISI）、两类载波间串扰（ICI）以及信噪比加干扰比（SINR）的闭式表达式。
• 在真实信道条件下，评估并比较不同OFDM系统在SER与可实现数据速率方面的性能。

提出的方法

• 提出一种新型等效信道矩阵，用于建模完整的OFDM传输链：包括发射端加窗（含重叠-相加）、信道卷积及接收端处理。
• 使用六个设计参数（β, δ, ρ, γ, κ, μ）统一描述七种OFDM系统，包括发射端、接收端或两者均采用CP、CS及加窗。
• 推导出频域中ISI功率与两类ICI（I型与II型）的解析表达式，以及总干扰功率与SINR。
• 将时域加窗与循环前缀/后缀操作整合为单一矩阵公式，以考虑信号扩展与重叠效应。
• 应用该公式通过SER间隙模型计算SINR与可实现数据速率，数据速率采用香农公式计算。
• 通过计算机仿真验证模型，采用真实信道（PED200、VEH200），并比较所有七种OFDM系统的SER与数据速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过统一的数学框架描述七种不同的OFDM系统，包括CP-OFDM与各种加窗变体？
• RQ2 发射端加窗与接收端加窗对符号间串扰与载波间串扰功率有何影响？
• RQ3 同时包含循环前缀与循环后缀如何影响干扰与数据速率性能？
• RQ4 循环前缀长度与由此产生的干扰功率及可实现数据速率之间有何关系？
• RQ5 在相同SER性能与SNR条件下，哪种OFDM系统配置可实现最高数据速率？

主要发现

• 所有OFDM系统在不同信道下表现出几乎相同的SER性能，表明各系统间在误码率方面无显著分集增益。
• 仅在接收机端加窗的OFDM系统（如wrx-OFDM、CPwrx-OFDM）实现最高数据速率，优于仅在发射端或双端加窗的系统。
• 同时包含循环前缀与循环后缀的系统（如CPW-OFDM）虽具有较低的干扰功率，但因冗余样本带来的开销导致数据速率下降。
• CP-OFDM在数据速率方面始终优于其他系统，除非在高SNR（40 dB）与短CP长度条件下，此时wrx-OFDM表现出微弱优势。
• 与仅在接收机端加窗的系统相比，仅在发射机端加窗的系统具有更高的干扰功率（ISI与ICI）。
• 所提出的统一公式可在不限制信道长度的前提下，对所有七种OFDM系统的干扰与SINR实现精确且高效的分析。