본 연구를 통하여 동일 대역폭 효율하에서 해밍거리를 이용하여 복호를 하는 기존의 콘볼루션 부호보다 유클리드 거리를 이용하여 복호를 하는 트랠리스 부호화 변조기법의 성능이 우수함을 확인하고 이를 바탕으로 기존의 콘볼루션 복호기보다 더 우수한 TCM 복호기 칩을 개발하였다. 본 논문에서는 TCM 복호기를 하드웨어로 구현하기 위하여 우선 현재 사용중인 콘볼루션 부호와 트랠리스 부호화 변조기법(TCM)의 송수신기 부분을 각각 C-언어로 경판정 방식의 해밍거리를 이용한 콘볼루션 부호보다는 유클리드 거리를 이용한 TCM 기법이 적용되었을 때 성능이 더 우수하다는 깃을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 연판정 방식을 이용하고 구속장이 3, 5, 7인 TCM 복호기 칩을 AHDL 언어를 이용하여 설계하였다. 그리고 Altera사의 MAX+plus II version 8.2 장비를 이용하여 설계된 TCM 복호기 칩이 올바르게 동작하는지를 검증하였다.
본 연구를 통하여 동일 대역폭 효율하에서 해밍거리를 이용하여 복호를 하는 기존의 콘볼루션 부호보다 유클리드 거리를 이용하여 복호를 하는 트랠리스 부호화 변조기법의 성능이 우수함을 확인하고 이를 바탕으로 기존의 콘볼루션 복호기보다 더 우수한 TCM 복호기 칩을 개발하였다. 본 논문에서는 TCM 복호기를 하드웨어로 구현하기 위하여 우선 현재 사용중인 콘볼루션 부호와 트랠리스 부호화 변조기법(TCM)의 송수신기 부분을 각각 C-언어로 경판정 방식의 해밍거리를 이용한 콘볼루션 부호보다는 유클리드 거리를 이용한 TCM 기법이 적용되었을 때 성능이 더 우수하다는 깃을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 연판정 방식을 이용하고 구속장이 3, 5, 7인 TCM 복호기 칩을 AHDL 언어를 이용하여 설계하였다. 그리고 Altera사의 MAX+plus II version 8.2 장비를 이용하여 설계된 TCM 복호기 칩이 올바르게 동작하는지를 검증하였다.
In this paper, we presented that the performance of the TCM(Trellis Coded Modulation) using the Euclidean distance is better than that of the convolutional code using the hamming distance under the same bandwidth efficiency. And the TCM DECODER for next generation mobile communication replacing the ...
In this paper, we presented that the performance of the TCM(Trellis Coded Modulation) using the Euclidean distance is better than that of the convolutional code using the hamming distance under the same bandwidth efficiency. And the TCM DECODER for next generation mobile communication replacing the using convolutional decoder is implemented. Also, for the implementation of the TCM DECODER, the convolutional decoder and the TCM decoder were made by C-language and simulated under AWGN channel with respect to the hard decision and the soft decision. So we proved that performance of the TCM is better than that of the convolutional code. From this result, TCM DECODER, of which constraint length is 3, 5 or 7 and which use the soft decision method, was implemented using the AHDL(Altera Hardware Description Language) and fortified using the Max+plus H version 8.2 of Altera corporation.
In this paper, we presented that the performance of the TCM(Trellis Coded Modulation) using the Euclidean distance is better than that of the convolutional code using the hamming distance under the same bandwidth efficiency. And the TCM DECODER for next generation mobile communication replacing the using convolutional decoder is implemented. Also, for the implementation of the TCM DECODER, the convolutional decoder and the TCM decoder were made by C-language and simulated under AWGN channel with respect to the hard decision and the soft decision. So we proved that performance of the TCM is better than that of the convolutional code. From this result, TCM DECODER, of which constraint length is 3, 5 or 7 and which use the soft decision method, was implemented using the AHDL(Altera Hardware Description Language) and fortified using the Max+plus H version 8.2 of Altera corporation.
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문제 정의
각각의 모듈에 대해서 자세히 알아보자.
본 논문에서는 유클리드 거리를 이용하여 복호를 하는 트랠리스 부호화 변조기법의 송수신기와 해밍 거리를 이용하여 복호를 하는 기존의 콘볼루션 부호의 송수신기를 모두 C언어로 시뮬레이터를 구현하였으머, 시뮬레이터를 구현할 때 연판정 방식과 경판정 방식에 대해 각각 구속장이 3, 5, 7, 9일 때의 모든 깅우에 대해 그 결과를 확인해 보았다. 이런 결과를 바탕으로 연판정 방식의 구속장이 3, 5, 7인 TCM 복호기를 직접 AHDL 언어를 이용하여 하드웨어로 설계하고[5] Altera사의 MAX+plus II version 8.
이러한 일련의 과정을 전송종료 신호가 도달할 때까지 반복 수행한다. 여기서 오류정정기법에 대해서 알아보자.
채널코딩과 변조를 접목한 기법을 사용하여 신호에너지 및 신호대역폭의 증가 없이 신호품질을 향상시킬 수가 있는 트렐리스 부호화 변조(Trellis Coded Modulation; TCM)가 1976년에 처음 제안된 이래 많은 연구가 진행되어오고 있다. 이미 개발된 콘볼루션 복호기의 개발은 무의미하다고 생각이 되므로 본 연구를 통하여 동일 대역 폭효율하에서 성능이 콘볼루션 복호기보다 더 우수한 TCM 복호기 칩을 개발하여 차세대 이동 통신의 핵심 부분으로 자리매김 하는데 연구 목표를 두었다.
가설 설정
앞 절에서 설명한 성능이 우수한 TCM 복호기의 각 기능별 처리과정을 parameterized- LPM 함수를 이용한 AHDL(Altera Hardware Description Language) 언어로 구속장 K가 3, 5, 7인 것에 대해 각각 설계하였다.[5] 구속장이 커질수록 설계된 하드웨어의 각 모듈의 파라미터만 변경하면 되므로 구속장이 9인 것에 대해서도 쉽게 설계할 수 있을 것이다.
제안 방법
기존의 비터비 복호 알고리듬은 현재의 입력 심볼 코드에 대한 해밍 또는 유클리드 거리 계산에 따라 선택 경로를 설정하고 이로부터 trellis 상태들을 이용한 역추적 과정을 통하여 과거의 오류 있는 심볼을 정정할 수 있다는 방식만을 제안한 것으로써 실제로 구현이 가능한 방법이 제시되지는 않았다.[3] 여기서 느 실제 구헌이 가능한 오류정정 방법 및 전체적인 복호 알고리듬을 제안하였다. 여기서 제안된 복호 알고리듬에 대해서 간략하게 설명하겠다.
그림 12와 그림 13은 구속장이 3인 경우를, 그림 14와 그림 15는 구속장이 5인 경우를, 그림 16과 그림 17은 구속장이 7인 경우를 나타낸다. 각각의 경우에 대해 채널 오류가 있는 경우와 체닐 오류가 없는 경우에 대해 시뮬레이션하였다. 두 가지 경우에 대해 입력값과 최종적으로 복호화된 출력값이 구속장의 값에 따라 각각 일치함을 알 수 있었다.
그 결과 동일 대역폭효율하에서 TCM이 콘볼루션 부호보다 더 나은 에러정정능력을 가지고 있음을 확인하였다. 먼저 콘볼루션부호와 TCM의 복호 부분에 사용된 양자화 및 AZD변환 방법에 대해서 살펴보고, 다음으로 성능 분석한 걸과에 대해서 알아보겠다.
본 논문에서는 향상된 채널 복호기의 구현을 위하여 기존의 Viterbi 알고리듬을 분석하여 실제 구현이 가능한 알고리듬을 제안하였으며, 이를 수행할 수 있는 시뮬레이터를 콘볼루션 부호와 TCM에 대해서 각각 구현하였다. 그리고 그것들의 시뮬레이션을 통하여 제안된 복호 알고리듬의 기능을 검증하였고, TCM 기법의 성능과 콘볼루션부호의 성능을 비교하여 TCM 기법의 성능이 약 0.
레지스터단의 수가 지나치게 적으면 오류정정이 되기도 전에 출력값으로 결정될 수가 있고, 레지스터단의 수가 지나치게 많아지면 오류정정 능력은 좋아지지만 하드웨어 복잡도를 증가시키고 지연시간이 길어져 실시간 처리에 문제점이 될 수도 있으므로 적당한 구속장의 5배 정도의 값을 선택한다. 실제 AHDL을 이용하여 이 블록을 제작할 때에는 K가 3일때는 15개의 단을, K가 5일때는 25개의 단을, K가 7일때는 32개의 단을 가지고 설계하여 오류정정이 충분히 이루어지도록 하였다.
앞 절에서 모듈별로 설계된 가각의 블록을 결합하여 전체 TCM 복호기의 회로를 구성하여 컴파일 하였다. 그 결과 사용된 Logic Cell의 개수는 8844개이고 EPF10K100GC503-3 칩 2개에 피팅 (fitting)되어졌다.
앞 절에서 설명한 성능이 우수한 TCM 복호기의 각 기능별 처리과정을 parameterized- LPM 함수를 이용한 AHDL(Altera Hardware Description Language) 언어로 구속장 K가 3, 5, 7인 것에 대해 각각 설계하였다.[5] 구속장이 커질수록 설계된 하드웨어의 각 모듈의 파라미터만 변경하면 되므로 구속장이 9인 것에 대해서도 쉽게 설계할 수 있을 것이다.
앞 절에서 설명한 제안된 복호 알고리듬에서 TCM과 콘볼루션 부호의 차이는 모듈별 최소거리 계산에서 TCMe 심볼에 할당된 유클리드거리값을 이용하지만 콘볼루션부호는 수신된 코드의 비트에 대한 해밍거리값을 이용한다는 점에 있다. 이 알고리듬을 이용하여 콘볼루션부호와 TCM에 대하여 각각 C 언어로 경판정과 연판정(4-레벨)의 경우를 AWGN (Additive White Gaussian Noise)잡음을 첨가하여 시뮬레이터를 구현하여 성능 비교하였다. 그 결과 동일 대역폭효율하에서 TCM이 콘볼루션 부호보다 더 나은 에러정정능력을 가지고 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 유클리드 거리를 이용하여 복호를 하는 트랠리스 부호화 변조기법의 송수신기와 해밍 거리를 이용하여 복호를 하는 기존의 콘볼루션 부호의 송수신기를 모두 C언어로 시뮬레이터를 구현하였으머, 시뮬레이터를 구현할 때 연판정 방식과 경판정 방식에 대해 각각 구속장이 3, 5, 7, 9일 때의 모든 깅우에 대해 그 결과를 확인해 보았다. 이런 결과를 바탕으로 연판정 방식의 구속장이 3, 5, 7인 TCM 복호기를 직접 AHDL 언어를 이용하여 하드웨어로 설계하고[5] Altera사의 MAX+plus II version 8.2 장비를 이용하여 설계된 TCM 복호기칩이 올바르게 동작하는지를 검증하였다.
5dB 우수함을 확인하였다. 이런 결과를 바탕으로 현재의 CDMA 방식에 적용되어 사용중인 이동통신 시스템의 핵심부분이라 할 수 있는 콘볼루션 복호기를 대체할 수 있는 TCM 복호기의 칩을 설계 및 구현하였고 그 기능을 Altera MAX+plus H CAD장비를 이용하여 검증하였다.
복호기는 부호기의 모든 상태에 대한 상태천이 및 예상출력 코드를 저장하고 있어야 하며, 부호기내 레지스터의 초기상태가 sO에서 시작하기 때문에 여기에 가중치를 두어 최초 상태가 sO였음을 인식하도록 한다. 이후 전송 시작 신호에 의해 부호화된 코드 심볼을 입력받고 각 상태 모듈별로 수신된 코드와 예상코드와의 해밍거리(콘볼루션부호일 겅우) 또는 유클리드 거리(TCM일 경우)의 계산을 통해 부호기의 현재 상태를 선택 경로로서 설정한다. 또한, 부호기의 이전 상태를 결정하고 이에 따라 기억되어 있는 각 이전 상태들의 모든 값에 대한 오류 정정을 반복 수행하며, 최종적으로 (K-1)단계 이전에 부호기로 입력된 데이터를 복호하여 출력한다.
콘볼루션 복호기와 TCM 복호기의 성능을 비교할 때 부호율 Re 1/2로 동일하고, 구속장 K가 3, 5, 7, 9인 것에 대해 각각 시뮬레이션을 수행하였다. 구속장 K의 값에 따라 사용된 각각의 콘볼루션부호기의 생성벡터에 대해서 표 1에 나타내었다.
대상 데이터
심볼 오류 확률이 높아지게 되면 복호화 과정이 진행됨에 따라 모듈별 최소거리 계산 블록의 출력 신호 값이 계속적으로 증가하게 되어 오버플로우 오류를 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해서 모듈별 최소거리 계산 블록의 2K-1개 모듈의 출력신호 값에서 최소 유클리드거리로 선택된 값 만큼씩을 감해주도 록 설계된 블록이다. 또한 이 블록은 현재 복호기로 수신된 심볼에 의한 각 모듈 상태의 값들을 이 후에 수신되는 심볼 코드에 대한 유클리드거리값 계산시 이전 상태의 값으로 치환시키는 기능을 한다.
데이터처리
그 결과 사용된 Logic Cell의 개수는 8844개이고 EPF10K100GC503-3 칩 2개에 피팅 (fitting)되어졌다. 컴파일 후에 오류가 없는 데이터와 오류가 있는 데이터에 대하여 Waveform Editor를 이용하여 구속 장값에 따라 각각 시뮬레이션을 수행하여 그 기능을 검증하였다[5][6]. 그리고 각각의 경우에 대해 시뮬레이션한 결과를 그림 12에서 그림 17까지 나타내었다.
이론/모형
부호율 1/2인 콘볼루션 부호기와 맵핑 방법으로는 자연심볼사상Natural Mapping) 방법이 사용되었다. TCM에서는 유클리드 거리를 이용하여 디코딩을 하기 때문에 콘볼루션부호와는 다른 양자화, 판별방식 및 AID변환 방법이 사용된다.
콘볼루션부호기는 부호율이 1/2이고, Gray 코딩 방법을 적용한 QPSK의 변조기법이 이용되었다.
성능/효과
이 알고리듬을 이용하여 콘볼루션부호와 TCM에 대하여 각각 C 언어로 경판정과 연판정(4-레벨)의 경우를 AWGN (Additive White Gaussian Noise)잡음을 첨가하여 시뮬레이터를 구현하여 성능 비교하였다. 그 결과 동일 대역폭효율하에서 TCM이 콘볼루션 부호보다 더 나은 에러정정능력을 가지고 있음을 확인하였다. 먼저 콘볼루션부호와 TCM의 복호 부분에 사용된 양자화 및 AZD변환 방법에 대해서 살펴보고, 다음으로 성능 분석한 걸과에 대해서 알아보겠다.
앞 절에서 모듈별로 설계된 가각의 블록을 결합하여 전체 TCM 복호기의 회로를 구성하여 컴파일 하였다. 그 결과 사용된 Logic Cell의 개수는 8844개이고 EPF10K100GC503-3 칩 2개에 피팅 (fitting)되어졌다. 컴파일 후에 오류가 없는 데이터와 오류가 있는 데이터에 대하여 Waveform Editor를 이용하여 구속 장값에 따라 각각 시뮬레이션을 수행하여 그 기능을 검증하였다[5][6].
본 논문에서는 향상된 채널 복호기의 구현을 위하여 기존의 Viterbi 알고리듬을 분석하여 실제 구현이 가능한 알고리듬을 제안하였으며, 이를 수행할 수 있는 시뮬레이터를 콘볼루션 부호와 TCM에 대해서 각각 구현하였다. 그리고 그것들의 시뮬레이션을 통하여 제안된 복호 알고리듬의 기능을 검증하였고, TCM 기법의 성능과 콘볼루션부호의 성능을 비교하여 TCM 기법의 성능이 약 0.3dB-0.5dB 우수함을 확인하였다. 이런 결과를 바탕으로 현재의 CDMA 방식에 적용되어 사용중인 이동통신 시스템의 핵심부분이라 할 수 있는 콘볼루션 복호기를 대체할 수 있는 TCM 복호기의 칩을 설계 및 구현하였고 그 기능을 Altera MAX+plus H CAD장비를 이용하여 검증하였다.
각각의 경우에 대해 채널 오류가 있는 경우와 체닐 오류가 없는 경우에 대해 시뮬레이션하였다. 두 가지 경우에 대해 입력값과 최종적으로 복호화된 출력값이 구속장의 값에 따라 각각 일치함을 알 수 있었다. 여기서 구속장이 7인 경우를 예로 들어 시뮬레이션 과정을 간략하게 설명 하겠다.
후속연구
현재의 이동통신에서 대두되고 있는 문제점으로 사용 가능한 주파수 스펙트럼의 한정과 가입자 수의 계속적인 증가 추세에 의한 용량문제가 있다. 이러한 문제도 해결할 수 있고 기존의 콘볼루션 복호기보다 에러정정능력이 더 우수한 TCM 복호기 칩을 개발하여 차세대 이동통신에 이용함으로써 우리나라의 이동통신 발전에 큰 기여를 할 수 있으리라 기대한다.
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