[论文解读] Overlap Frequency Domain Equalization for Faster-than-Nyquist Signaling

Hiroyuki Fukumoto, Kazunori Hayashi|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2015

PAPR reduction in OFDMEngineering参考文献 12被引用 19

一句话总结

本文提出重叠频域均衡（FDE）用于更快奈奎斯特信号传输（FTNS），以在不使用循环前缀的情况下实现更高的频谱效率，采用基于最小均方误差（MMSE）的均衡权重，以考虑接收滤波器引起的彩色噪声。该方法在使用滚降因子为0.5的根升余弦滤波器时，可实现比奈奎斯特速率高30%的传输速率，且误码率（BER）性能无下降。

ABSTRACT

This letter proposes the Faster-than-Nyquist signaling (FTNS) using overlap frequency domain equalization (FDE), which compensates the inter-symbol interference (ISI) due to band limiting filters of the FTNS at the transmitter and the receiver as well as the frequency selective fading channel. Since overlap FDE does not require any guard interval (GI) at the transmitter such as cyclic prefix (CP), higher spectral efficiency can be achieved compared to FTNS scheme using the conventional FDE. In the proposed method, the equalizer weight is derived based on minimum mean square error (MMSE) criterion taking the colored noise due to the receiving filter into consideration. Moreover, we also give an approximated FDE weight in order to reduce the computational complexity. The performance of the proposed scheme is demonstrated via computer simulations.

研究动机与目标

• 解决传统基于FDE的FTNS接收机中因循环前缀等保护间隔导致的频谱效率损失问题。
• 缓解FTNS系统中由带限发射/接收滤波器和频率选择性衰落信道引起的符号间干扰（ISI）。
• 在FDE设计中显式考虑由接收滤波引起的彩色噪声，该问题在以往工作中常被忽略。
• 通过近似的一抽头MMSE权重降低FDE的计算复杂度，同时保持性能。
• 证明重叠FDE在高传输速率下相比传统带循环前缀的FDE具有更高的频谱效率。

提出的方法

• 采用重叠FDE以消除发射端对保护间隔的需求，从而提高频谱效率。
• 推导显式考虑接收滤波器引起的彩色噪声的MMSE均衡权重，提升系统鲁棒性。
• 引入近似的一抽头FDE权重以降低计算复杂度，同时保持性能。
• 采用块处理方式，使用512点DFT，并通过ν=10截断脉冲响应以控制实现复杂度。
• 采用滚降因子为0.5的根升余弦（RC）滤波器作为发射和接收滤波器，以在更高符号速率下满足奈奎斯特准则。
• 采用块处理的频域均衡方法，通过重叠符号减少边缘失真。

实验结果

研究问题

• RQ1 重叠FDE是否能在保持或改善BER性能的前提下，消除FTNS中对保护间隔的需求？
• RQ2 接收滤波器引起的彩色噪声对FTNS中FDE性能有何影响？能否被有效建模与补偿？
• RQ3 与传统带循环前缀的FDE相比，重叠FDE在FTNS系统中可实现多大的频谱效率增益？
• RQ4 低复杂度的近似MMSE FDE权重是否能实现与完整MMSE解法相近的性能？
• RQ5 在使用重叠FDE和适当滤波时，传输速率在多大程度上可超过奈奎斯特速率而不会导致BER性能下降？

主要发现

• 所提出的重叠FDE方案通过消除保护间隔，实现了比传统带循环前缀的FDE更高的频谱效率。
• 在MMSE均衡权重中显式考虑彩色噪声，相比忽略该因素的情况，能显著提升BER性能，尤其在高传输速率下更为明显。
• 近似的一抽头FDE权重实现了与完整MMSE权重相当的性能，验证了其在降低复杂度方面的有效性。
• 当使用滚降因子为0.5的根升余弦滤波器时，所提方案在不引起BER性能下降的前提下，实现了比奈奎斯特速率高30%的传输速率。
• 在AWGN和瑞利衰落信道下，所提方案在相同有效数据速率下均优于传统带循环前缀的FDE。
• RMSE分析表明，仅需丢弃FDE输出中极小部分（位于块边缘），证实重叠FDE的计算开销有限。