Filter bank based waveforms for modern wireless communication systems

Abstract

Os novos sistemas de comunicação sem fio têm como objetivo cobrir uma ampla gama de cenários de aplicação. Estas aplicações vão desde a conectividade de milhares de dispositivos com baixo consumo energético até cenários de alta mobilidade com alta taxa de transmissão. Neste sentido, é necessário que todos os recursos tempo-frequência disponíveis sejam alocados da melhor maneira possível. Devido a problemas como alta emissão fora de banda (OOB) e sensibilidade a desvio Doppler, a Multiplexação por Divisão de Frequência Ortogonal (OFDM), escolhida como a forma de onda para a quinta geração de tecnologia móvel, não é a técnica mais eficiente para atender todas as demandas requeridas. Assim, busca-se técnicas que possam minimizar essas limitações. A modulação orthogonal time frequency space (OTFS) apresenta robustez em cenários de alta mobilidade com a detecção dos símbolos no domínio delay-Doppler, no entanto, mantém os problemas de emissão OOB. Alternativamente, o sistema Multiportadora de Bancos de Filtros (FBMC) ganhou atenção científica pelo uso de filtros digitais em cada subportadora. Deste modo, obtém-se uma melhor separação entre os canais e consequentemente uma redução da OOB. Entretanto, o processo de filtragem induz interferência intrínseca no sistema gerando a perda da ortogonalidade complexa. Neste trabalho são propostas esquemas constituídos por técnicas de pré e pós-codificação em sistemas de banco de filtros com o objetivo de recuperar a ortogonalidade complexa. Tais técnicas são baseadas no espalhamento dos símbolos tanto no domínio da frequência como no domínio do tempo e trazem consigo características adicionais requeridas nos sistemas de comunicação sem fio modernos. Destaca-se além da melhor localização espectral, a robustez a cenários de alta mobilidade e baixa relação de potência pico-média (PAPR). Além disso, também é apresentado receptores de cancelamento de interferência no formato iterativo que aumentam consideravelmente o desempenho do sistema. Por fim, é desenvolvida uma proposta para tornar o projeto da forma de onda mais flexível através da introdução de um parâmetro chamado fator de taxa. Este fator possibilita que o sistema obtenha maior robustez em cenários de alta mobilidade de forma a ser uma alternativa ao sistema OTFS. Outra característica do sistema proposto é o bom desempenho de erro nestes mesmos cenários utilizando um equalizador simples no domínio da frequência, desempenho que não pode ser obtido com a modulação OTFS. São desenvolvidas soluções de forma fechada para relação sinal-interferência validando os resultados obtidos.

Abstract: The new wireless communication systems are intended to cover a wide range of application scenarios. These applications range from the connectivity of thousands of devices with low energy consumption to high mobility scenarios with high transmission rate. In this sense, it is necessary that all available time-frequency resources are allocated in the best possible way. Due to problems such as high out-of-band emission (OOB) and Doppler shift sensitivity, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), chosen as the waveform for the fifth generation (5G) of mobile technology, is not the most efficient technique for meet all required demands. Thus, techniques are sought that can minimize these limitations. The orthogonal time frequency space (OTFS) modulation presents robustness in high mobility scenarios with the detection of symbols in the delay-Doppler domain, however, it maintains the OOB emission problems. Alternatively, the multicarrier filter bank (FBMC) system has gained scientific attention for the use of digital filters on each subcarrier. In this way, a better separation between the channels is obtained and consequently a reduction of the OOB. However, the filtering process induces intrinsic interference in the system generating the loss of complex orthogonality. In this work, schemes consisting of pre- and post-coding techniques in filter bank systems are proposed in order to recover the complex orthogonality. Such techniques are based on the spreading of symbols in both frequency and time domains and bring with them additional features required in modern wireless communication systems. Besides the better spectral localization, the robustness to high mobility and low peak-to-average power ratio (PAPR) scenarios stands out. In addition, interference canceling receivers are also presented in iterative format that considerably increase the performance of the system. Finally, a proposal is developed to make the waveform design more flexible by introducing a parameter called rate factor. This factor allows the system to obtain greater robustness in high mobility scenarios in order to be an alternative to the OTFS system. Another characteristic of the proposed system is the good error performance in these same scenarios using a simple frequency domain equalizer, a performance that cannot be obtained with OTFS modulation. Closed-form solutions are developed for the signal-interference relationship, validating the obtained results.