Performance evaluation of filtered orthogonal frequency division multiplexing (F-OFDM) in the presence of nonlinear power amplifier

Abstract

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), çok kanallı kanalın neden oldugu intersymbol enterferans (ISI) ve diklik özelliklerinden dolayı spektrumun verimli kullanımı nedeniyle 4G'de güvenilir bir modülasyon teknigidir. Bununla birlikte, OFDM, yüksek tepe ortalam oranına (PAPR) ve eszamansız iletim saglanamamasına baglı olarak 5G uygulamaları gereksinimlerini destekleme konusunda zorluklarla karsı karsıyadır. Bu nedenle, toplam atanmıs bant genisligini birçok alt-banda ayıran ve daha sonra her bir alt bandı uygun tasarlanmıs bir filtre ile filtreleyen OFDM'nin degistirilmis hali olan filtrelenmis-OFDM (F-OFDM) son yıllarda önerilmistir. Birçok çalısma, sistemde güç yükselticisinin (PA) etkisini dikkate almadan tek basına bir F-OFDM sisteminin performansına odaklanıyor. Bu nedenle, bu tezde dogrusal olmayan PA varlıgında noktadan noktaya F-OFDM sisteminin performansını ve OFDM sisteminde PA'nın etkisini azaltmak için kullanılan teknikleri de degerlendiriyoruz. Bu baglamda, önce pencere tabanlı filtre ve Parks-McClellan filtresi gibi farklı filtreleme yöntemlerinden elde edilen filtreleri kullanarak PA içermeyen basit bir F-OFDM sistemini simüle ediyoruz. Spesifik olarak, performans analizini güç spektrum yogunlugu (PSD) ve bit hata oranı (BER) açısından yapıtık. Ikincil olarak, dogrusal olmayan bir PA ile F-OFDM sisteminin performansı analiz edildi ve bant dısı (OOB) emisyonunun beklendigi gibi arttıgı gözlendi. Bu nedenle, PA'nın tepkisini dogrusallastırmak için ön bozulma da sisteme dahil edildi. Simülasyon sonuçlarına göre, PA nedeniyle OOB tayfının yeniden büyümesinin tamamen bastırıldıgı, ancak orijinal OOB emisyon seviyesine ulasılmadıgı görülmektedir. Son olarak, F-OFDM sinyalinin yüksek PAPR'sini optimize etmek için, optimize yinelemeli kırpma ve filtreleme (ICF) yaklasımının modifiye edilmis bir versiyonu sunulmustur. Optimize edilmis ICF yöntemi ile PAPR büyük ölçüde azaltılmıs ve OOB emisyonu düsürülmüstür. Bu sekilde optimize edilmis ICF ve ön bozulma kombinasyonu ile lineer olmayan PA varlıgında F-OFDM sisteminin genel performansı, ön distorter içermeyen sisteme kıyasla gelistirildi.

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been a reliable modulation technique in 4G due to its ability to combat the intersymbol interference (ISI) caused by multipath channel and its efficient usage of spectrum due to orthogonality properties. However, OFDM as is faces challenges when it comes to supporting 5G applications requirements due to its high peak to average ratio (PAPR) and inability to provide asynchronous transmission. Therefore, filtered-OFDM (F-OFDM), which is the modified version of OFDM that separates the total assigned bandwidth into many sub-bands and then filtering each sub-band with an appropriate designed filter, was proposed in recent years. Many studies have been focusing on the performance of a F-OFDM system alone without taking the effect of power amplifier (PA) into account in the system. Therefore, in this thesis, we evaluate the performance of point-to-point F-OFDM system in the presence of nonlinear PA and also employ techniques used in OFDM system to reduce the effect of the PA. In this regard, we first simulate a basic F-OFDM system without a PA by using filters obtained from different filtering methods such as window based filter and Parks-McClellan filter. Specifically, the performance analysis is done in terms of power spectral density (PSD) and bit error rate (BER). Secondly, the performance of F-OFDM system with a nonlinear PA is analyzed, and it is observed that the out-of-band (OOB) emission is increased as expected. Hence, pre-distortion is also included in the system to linearize the response of the PA. From the simulation results, it is seen that OOB spectrum regrowth due to the PA is suppressed fully, yet it does not reach to the original OOB emission level. Lastly, a modified version of optimized iterative clipping and filtering (ICF) is introduced to optimize the high PAPR of the f-OFDM signal. With the optimized ICF method, the PAPR is greatly reduced, resulting in lower OOB emission. With the combination of optimized ICF and pre-distortion, the overall performance of F-OFDM system in the presence of nonlinear PA is improved compared to the system without a pre-distorter.