Block QAM-FBMC system using block-wise interleaved filters

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, a novel filter bank multi-carrier (FBMC) system adopting quadrature amplitude modulation (QAM) with faster-than-Nyquist (FTN) signaling based on block-wise interleaved filter design is proposed, which is called a block-QAM-FBMC system, as a multi-carrier modulation (MCM) scheme to achieve high spectral efficiency in the internet of things (IoT) environment.

To achieve high spectral efficiency, the proposed block-QAM-FBMC system adopts three approaches. First, the block-QAM-FBMC system enables block transmission and transmits signals without the transition time by fully overlapping FBMC symbols. Second, a new prototype filter is designed for the block-QAM-FBMC system to have well localized spectrum and low out-of-band radiation (OOBR). Third, the FTN signaling is adopted in frequency domain by compressing the subcarrier spacing to increase spectral efficiency. Meanwhile, the block-QAM-FBMC system causes an interference, referred as self-interference. The self-interference consists of two types. One is the inter-symbol interference (ISI) and the other is the inter-carrier interference (ICI). ISI is caused from the overlapped FBMC symbols and ICI is caused from adjacent subcarriers in the filter bank procedures and the FTN signaling.

To cope with the self-Interference, a new filter design is proposed and equalization procedures for self- interference are introduced. The proposed filter design method is composed of two-steps. At the first step, a filter design based on block-wise interleaving is proposed to remove ISI. The filter design generates the multiple filters from a prototype filter by using block-wise interleaving. At the second step, a prototype filter is designed by optimization to minimize ICI and guarantee low OOBR. The equalization procedures equalize ICI caused by the filter bank procedures and the FTN signaling. We derive the effective channel response of ICI. Then, the equalization techniques are used to equalize the effective channel response of ICI.

The simulation results for symbol error rate (SER) and power spectrum density (PSD) show that the block-QAM-FBMC system is robust to multipath fading channels and has low OOBR, respectively. Therefore, the block-QAM-FBMC system without transition time does not need CP and guard band unlike CP-OFDM. The spectral efficiency is analyzed by utilizing the lattice density and the average spectral efficiency is evaluated in the simulation results. The block-QAM-FBMC system can achieve the higher spectral efficiency than CP-OFDM and conventional QAM-FBMC systems. Therefore, the proposed block-QAM-FBMC system could be an attractive MCM technique in IoT systems for short packet transmission.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 미래 사물인터넷 환경을 위해 높은 전송효율을 달성할 수 있는 새로운 다중 반송파 전송 시스템으로서 블록 인터리빙 방식의 필터 설계를 기반으로 한 직교 진폭 변조 (QAM) 기반 필터 뱅크 다중 반송파 시스템 (block-QAM-FBMC) 을 제안한다.

높은 전송효율을 달성하기 위해, 제안 block-QAM-FBMC 시스템에서는 세 가지 방법을 적용한다. 첫 번째로 block-QAM-FBMC 시스템은 필터 뱅크 다중 반송파 (FBMC) 심볼들을 완전히 중첩시켜 전송하는 신호 구조를 갖는다. 기존의 QAM-FBMC 시스템과 달리 전환 시간이라 불리는 오버헤드가 발생하지 않아 짧은 패킷을 전송하는 시나리오에서 전송효율의 손실없이 신호를 전송할 수 있다. 두 번째로 faster-than-Nyquist(FTN) 기술을 block-QAM-FBMC 시스템에 적용한다. FTN 기술은 부반송파 간격을 압축하는 방식으로 주파수 영역에서 데이터 기호에 적용된다. 이를 통해 전송효율이 증가하지만 인접한 부반송파 간 간섭이 발생한다. 세 번째로 주파수축에서 낮은 대역외 방사를 갖는 파형을 갖도록 프로토타입 필터를 설계한다. 이를 통해 주파수축에서의 보호대역 없이 전송할 수 있다.

제안한 block-QAM-FBMC 시스템은 변복조 과정의 필터 뱅크 절차와 FTN으로 인해 인접한 부반송파에서 전송되는 QAM 신호로부터 간섭이 발생한다. 따라서, FTN 과 필터뱅크 절차로 인해 발생하는 간섭을 처리하기 위해 새로운 필터 설계 방법을 제안하고 간섭을 등화하기 위한 절차를 도입한다. 제안하는 필터 설계 방법은 2단계로 구성된다. 1단계에서는 블록 인터리빙을 이용한 필터 설계방식이 제안된다. 하나의 프로토타입을 블록 인터리빙하는 방식으로 복수의 필터를 생성한다. 생성된 복수의 필터는 겹쳐지는 FBMC 심볼들 사이에서 발생하는 심볼 간 간섭을 완전히 제거할 수 있고, 수신기는 각각의 FBMC 심볼 내에서 발생하는 부반송파 간 간섭만 고려한다. 2단계에서는 최적화 문제를 이용한 프로토타입 필터 설계를 제안한다. 동일한 FBMC 기호로 인접 부반송파 간 간섭을 최소화하고 대역 외 방사를 낮게 보장하기 위한 최적화 문제를 세우고, 최적화 알고리즘으로 프로토타입 필터를 설계한다.마지막으로 남아 있는 부반송파 간 간섭에 대한 등화 기법을 도입한다. 필터 뱅크 절차와 FTN 으로 인해 발생한 부반송파 간 간섭에 대한 유효 채널 응답을 도출하고, 유효 채널 응답에 대한 최소 평균 제곱 오차와 최대우도 시퀀스 추정 기반 등화 기법을 사용한다.

심볼 오류율과 전력 스펙트럼 밀도에 대한 시뮬레이션 결과를 통해 블록-QAM-FBMC 시스템이 다중 경로 페이딩 채널에 대해 강인하고 대역 외 방사가 낮다는 것을 보인다. 따라서, block-QAM-FBMC 시스템은 CP-OFDM과 달리 CP와 보호대역이 필요하지 않고 전송효율이 향상된다. 그러나 FTN과 필터 뱅크 절차로 인한 부반송파 간 간섭으로 심볼 오류율이 기존의 전송 기법보다 열화되는 문제가 발생한다. 심볼 오류율과 전송효율을 모두 고려하여 실질적인 전송효율 이득을 평가하기 위해, 심볼 오류율을 반영한 평균 전송효율에 대한 시뮬레이션을 수행한다. 시뮬레이션 결과에서 block-QAM-FBMC 시스템이 심볼 오류율 열화에도 불구하고 CP-OFDM 및 기존 QAM-FBMC 시스템보다 높은 스펙트럼 효율을 달성할 수 있음을 보인다. 따라서, 본 논문은 block-QAM-FBMC 시스템을 짧은 패킷을 전송하는 사물인터넷 환경을 위한 고효율 다중 반송파 변조 기술로서 제안한다.