[论文解读] MU-UFMC System Performance Analysis and Optimal Filter Length and Zero Padding Length Design

Lei Zhang, Ayesha Ijaz+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2016

PAPR reduction in OFDM参考文献 12被引用 14

一句话总结

本文为多用户UFMC系统提出了一种无干扰的单tap均衡模型，并分析了子带滤波对信噪比（SNR）、容量和误比特率（BER）的影响。该研究建立了考虑载波频率偏移（CFO）、定时偏移（TO）、保护间隔和滤波器尾部截断的解析系统模型，提出了鲁棒的均衡算法，并制定了用于最大化系统容量的滤波器和保护间隔长度的优化准则，数值结果验证了其准确性与性能增益。

ABSTRACT

Universal filtered multi-carrier (UFMC) systems offer a flexibility of filtering arbitrary number of subcarriers to suppress out of band (OoB) emission, while keeping the orthogonality between subbands and subcarriers within one subband. However, subband filtering may affect system performance and capacity in a number of ways. In this paper, we first propose the conditions for interference-free one-tap equalization and corresponding signal model in the frequency domain for multi-user (MU) UFMC system. Based on this ideal interference-free case, impact of subband filtering on the system performance is analyzed in terms of average signal-to-noise ratio (SNR) per subband, capacity per subcarrier and bit error rate (BER) and compared with the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. This is followed by filter length selection strategies to provide guidelines for system design. Next, by taking carrier frequency offset (CFO), timing offset (TO), insufficient guard interval between symbols and filter tail cutting (TC) into consideration, an analytical system model is established. New channel equalization algorithms are proposed by considering the errors and imperfections based on the derived signal models. In addition, a set of optimization criteria in terms of filter length and guard interval/filter TC length subject to various constraints is formulated to maximize the system capacity. Numerical results show that the analytical and corresponding optimal approaches match the simulation results, and the proposed equalization algorithms can significantly improve the BER performance.

研究动机与目标

• 建立多用户UFMC系统中实现无干扰单tap均衡的条件，并推导相应的频域信号模型。
• 分析子带滤波对关键性能指标的影响：每个子带的平均SNR、每子载波的频谱效率以及误比特率（BER）。
• 制定滤波器长度选择策略，以指导实际UFMC系统的设计。
• 建模包括载波频率偏移（CFO）、定时偏移（TO）、保护间隔不足以及滤波器尾部截断在内的系统损伤。
• 制定滤波器长度与保护间隔（或滤波器尾部截断长度）的优化准则，以在实际约束下最大化系统容量。

提出的方法

• 推导在理想无干扰单tap均衡条件下多用户UFMC的频域信号模型。
• 通过评估每个子带的平均SNR、每子载波的频谱效率以及BER，分析子带滤波导致的性能退化，并与OFDM进行对比。
• 构建包含CFO、TO、保护间隔限制以及滤波器尾部截断效应的解析系统模型。
• 提出新的信道均衡算法，以考虑从解析信号模型中推导出的误差与不完善性。
• 开发联合优化框架，以确定最优滤波器长度与保护间隔/滤波器尾部截断长度，以最大化系统容量。
• 通过数值仿真验证解析模型与优化结果的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多用户UFMC系统中，实现无干扰单tap均衡需要满足哪些条件？
• RQ2 与OFDM相比，子带滤波如何影响MU-UFMC系统中每个子带的平均SNR、频谱效率和BER？
• RQ3 在实际损伤条件下，能够使系统容量最大化的最优滤波器长度与保护间隔/滤波器尾部截断长度配置为何？
• RQ4 CFO、TO、保护间隔不足以及滤波器尾部截断如何导致MU-UFMC性能下降，又该如何缓解？
• RQ5 所提出的均衡算法在实际系统不完善条件下的BER性能改善程度如何？

主要发现

• 具有单tap均衡的MU-UFMC解析模型在理想条件下能准确预测系统行为。
• 与OFDM相比，子带滤波会引入SNR、容量和BER方面的性能退化，且该退化程度得到了定量分析。
• 所提出的均衡算法通过补偿CFO、TO和滤波器尾部截断效应，显著改善了BER性能。
• 通过优化框架推导出的最优滤波器长度与保护间隔（或滤波器尾部截断长度）配置与仿真结果高度吻合。
• 解析方法与优化方法通过数值验证，与仿真结果表现出良好一致性。
• 当在实际约束（如延迟扩展和频谱掩模要求）下联合优化滤波器长度与保护间隔时，系统容量达到最大。