[논문]다이버시티와 공간 다중화를 고려하여 선형 STBC를 사용한 OFDM 시스템 성능 분석

이해정; 양청해; 곽경섭

문제 정의

수신 단에서 안테나 배열을 이용한다[1]. 그러한 방법은 송신 측에서 채널 상태에 관한 정보(Channel State Information) 없이도 송신 다이버시티를 얻는 것을 목적으로 하고 송.수신 단에서 다중 안테나를 사용함에 따라서 채널 용량은 증가하는 특성이 있다[7卜[8丄 선형 시.
본 논문에서는 기존의MIMO-OFDM 시스템과 선형 시·공간 블록 코드를 결합하여 다이버시티와 공간 다중화를 통한 BER 성능을 확인하였다.

가설 설정

일정하다고 가정하였다. 그리고 심볼간 보호 구간은 ISI의 영향을 받지 않을 만큼 충분히 길다고 가정하였다.
모든 모의 실험에서는 [6]에서 제안한 MAP -DFE 를 사용하였고 하나의 OFDM 심볼 구간에서는 채널이 일정하다고 가정하였다. 그리고 심볼간 보호 구간은 ISI의 영향을 받지 않을 만큼 충분히 길다고 가정하였다.
행렬이다. 본 논문에서 H, (/ = 0, l, K, Z-l)은 NXNq Rayleigh 페이딩을 가정하였다.

제안 방법

적합하므로 본 논문에서는 선형 시.공간 코드를 OFDM 시스템에 적용하여 주파수 선택적 채널에 대한 신호처리 방식을 설명하였고 STBC-OFDM 시스템과 성능을 비교 분석하였다. 또한 선형 STBC는 안테나 수가 증가함에 따른 코드 구성이 간단하기 때문에 안테나 수가 증가하여도 낮은 복잡도를 가짐을 보였다 시.
환경에서 좋은 성능을 가진다[2]. 본 논문에서는 code rate = 1을 적용하였다.

성능/효과

감소했고 (a) 와는 달리 낮은 SNR 에서 STBC- OFDM 이 선형 STBC-OFDM에 비해 약간의 성능 우위를 보이지만 14dB 이상부터는 비슷한 성능을 보임을 확인하였다. 그리고 공간 다중화를 이용한 경우는 저속일 때와 마찬가지로 성능의 저하가 심하였다.
공간 블록 코드는 송신 다이버시티와 공간 다중화 모두에서 사용이 가능하기 때문에 선형 시.공간 부호화된 MIMO-OFDM에서 주파수 다이버시티를 얻을 수 있었다
[8]에서 시. 공간 블록 코드의 여러 분류를 선형 분산 코드 (Linear Dispersion code)로 정의했고 모든 선형 블록 코드는 선형 블록 코드로서 설명 될 수 있음을보였다. [8]에서 제안된 선형 분산 코드에서는 송신다이버시티 이득을 얻기 위한 어떠한 보장도 제공하지 못한다.
본 논문에서 선형 시.공간 코드를 OFDM 시스템에 적용함에 따라서 주파수와 시간 다이버시티를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 다중 안테나에 적용하여 공간 다이버시티 또한 얻을 수 있음을 확인하였다. MIMO 채널에서 선형 시.
저속인 경우의 (a) 를보면 선형 STBC-OFDM에서 … = 1인 경우는 다이버시티 이득에 대한 성능으로 낮은 SNR에서는 STBC-OFDM 에 비해 성능의 저하를 보이지만, BER이 KT, 인 경우를 기준으로 Eb/NO를 보면 선형 STBC-OFDMe 12dB, STBC-OFDMe 14dB 로 2dB의 향상된 성능을 보인다. 그러나 SNR이 증가할수록 선형 STBC-OFDM 과 STBC-OFDM 의 BER 폭이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 다시 말해서, 저속인 경우 STBC-OFDMe SNR이 증가 할수록 BER 이 선형적으로 감소하는 반면, 선형 STBC-OFDM 은 SNR 이 증가할수록 STBC-OFDM보다 10dB까지는 BER의 감소가 크게 나타나지만 그 이상부터는 BER 감소 폭이 줄어들고 있다.
또한、 =2인 경우 SNR이 증가할수록 BE®] 감소하고 있고 안테나 두 개를 사용하고 必 = 1인 경우와 비교할 때 SNR이 증가할수록 BER 폭이 점점 줄어들고 있다. 그러므로 안테나 두 개를 사용한 경우의 吨 = 1일 때가 안테나 네 개를 사용하고 虬=2인 경우보다 성능이 우수하지만 SNR이 증가할수록 안테나두 개를 사용하여 必 = 1인 경우 의 BER 성능에 점점 근접해 감을 확인할 수 있었다. 氣=2인 경우는 데이터 전송 율의 향상뿐만 아니라 다이버시티 이득으로 인하여 만족할 만한 BER 성능을 보인다.
또한 저속과 고속 모두에서 SNR이 증가할수록 성능도 향상되었다 그러나 공간 다중화를 이용하는 경우에는 고속일 때는 다이버시티 이득의 효과를 거의 보지 못하였고 저속인 경우에 다이버시티 이득의 효과를 더 많이 얻었다. 그리고 속도에 관계없이 다중화와 다이버시티를 공동으로 이용하는 경우에는 데이터 전송 율을 향상시키면서 좋은 성능을 보였다. 또한 가 증가할수록 데이터 전송 율을 향상시킬 수 있지만 SNR이증가함에 따라서 성능의 향상은 기대하기 어려웠다.
그림 4와 그림 5에서 속도에 관계없이 공간 다중화를 이용하는 경우 성능의 감소가 있었고 다이버시티 이득만을 고려하는 경우의 성능이 가장 좋았다. 즉, 채널의 상태가 좋지 않은 경우에는 공간 다중화만을 사용하는 경우보다는 공간 다중화와 다이버시티를 결합한 경우에 더 좋은 성능을 보이고 SNR이 증가할수록 그 차이를 명확히 확인할 수 있다.
그러나 SNR이 증가할수록 선형 STBC-OFDM 과 STBC-OFDM 의 BER 폭이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 다시 말해서, 저속인 경우 STBC-OFDMe SNR이 증가 할수록 BER 이 선형적으로 감소하는 반면, 선형 STBC-OFDM 은 SNR 이 증가할수록 STBC-OFDM보다 10dB까지는 BER의 감소가 크게 나타나지만 그 이상부터는 BER 감소 폭이 줄어들고 있다. 따라서 선형 STBC-OFDM이 STBC-OFDM보다 4~14dB까지는 확연히 좋은 성능을 보임을 확인하였다 峋 =2인 경우는 데이터 전송 율의 향상을 위해 공간 다중화를 이용한 경우로 송.
다시 말해서, 저속인 경우 STBC-OFDMe SNR이 증가 할수록 BER 이 선형적으로 감소하는 반면, 선형 STBC-OFDM 은 SNR 이 증가할수록 STBC-OFDM보다 10dB까지는 BER의 감소가 크게 나타나지만 그 이상부터는 BER 감소 폭이 줄어들고 있다. 따라서 선형 STBC-OFDM이 STBC-OFDM보다 4~14dB까지는 확연히 좋은 성능을 보임을 확인하였다 峋 =2인 경우는 데이터 전송 율의 향상을 위해 공간 다중화를 이용한 경우로 송. 수신 안테나를 각각 두 개 사용한 경우 낮은 SNR에서는 M, = 1일 때와 비슷한 비트 오류 율을 보이지만 SNR이증가함에 따라서 % = 1에 비해 성능 저하가 심하게 나타났다.
좋은 성능을 보였다. 또한 저속과 고속 모두에서 SNR이 증가할수록 성능도 향상되었다 그러나 공간 다중화를 이용하는 경우에는 고속일 때는 다이버시티 이득의 효과를 거의 보지 못하였고 저속인 경우에 다이버시티 이득의 효과를 더 많이 얻었다. 그리고 속도에 관계없이 다중화와 다이버시티를 공동으로 이용하는 경우에는 데이터 전송 율을 향상시키면서 좋은 성능을 보였다.
120km/h와 같이 고속인 경우에는 높은 데이터 전송 율을 얻기 위해 다중화만을 이용하게 되면 성능의 저하가 크므로 데이터 전송 율을 향상시키기 위해서는 공간 다중화와 다이버시티를 공동으로 사용하는 것이 좋으며, 링크의 신뢰도 개선을 위해서는 다이버시티를 이용하는 것이 효과적이다. 물론 이것은 저속인 경우에도 마찬가지이며, 고속일 때 보다 낮은 SNR에서 좋은 성능과 좀더 향상된 데이터 전송 율을 가진다 이것은 매우 효율적인 방법으로 다이버시티를 통한 링크의 신뢰도 개선과 데이터 전송 율의 향상을 가져왔다 즉, 채널의 상태가 좋지 않은 경우에는 공간 다중화만을 사용하는 경우보다는 공간 다중화와 다이버시티를 결합한 경우에 더 좋은 성능을 보이고, SNR이 증가할수록 그 차이를 명확히 확인할 수 있다.
선형 시공간 블록 코드를 MIMO-OFDM과 결합하여 시간, 공간 주파수 다이버시티 이득을 가져왔고 의 수와 속도에 따른 성능을 보였다.
송·수신 안테나가 두 개인 경우의 STBC- OFDM 과 선형 STBC-OFDM의 성능을 비교하였는데, 저속인 경우에는 본 논문에서 제안한 선형 STBC-OFDM 시스템이 좋은 성능을 보였고 고속에서는 비슷한 성능을 보였다 그러나 선형 STBC-OFDMe 안테나의 수가 증가할수록 코더의구성이 간단하게 이루어지고 선형성으로 인하여 디코딩이 쉽기 때문에 STBC-OFDM 보다 송. 수신 단의 복잡도가 작다는 장점이 있다.
이미 그림 4에서 송. 수신 안테나가 두 개인 경우의 BER 성능은 확인하였고, 네 개로 증가하였을 때의 성능 향상 및 M=2와 같이 공간 다중화와 다이버시티를 같이 사용할 때의 BER 성능을 그림 5 에서 확인할 수 있다. (a)와 같이 저속인 경우 BE®] IL 인 경우를 기준으로 Eb/NO를 보면 안테나를 네 개 사용한 경우 12.
따라서 선형 STBC-OFDM이 STBC-OFDM보다 4~14dB까지는 확연히 좋은 성능을 보임을 확인하였다 峋 =2인 경우는 데이터 전송 율의 향상을 위해 공간 다중화를 이용한 경우로 송. 수신 안테나를 각각 두 개 사용한 경우 낮은 SNR에서는 M, = 1일 때와 비슷한 비트 오류 율을 보이지만 SNR이증가함에 따라서 % = 1에 비해 성능 저하가 심하게 나타났다.
(b)또한 (a)와 마찬가지로 네 개의 송. 수신 안테나에서 다이버시티 이득만을 고려한 경우의 성능이 가장 좋았고, 가 증가할수록 성능의 저하가 있었다. BER이 1(尸인 경우를 기준으로 Eb/NO를 보면 안테나를 네 개 사용한 경우 6dB의 성능 향상을 가져왔다.
비트 오류 율을 나타낸다. 저속인 경우의 (a) 를보면 선형 STBC-OFDM에서 … = 1인 경우는 다이버시티 이득에 대한 성능으로 낮은 SNR에서는 STBC-OFDM 에 비해 성능의 저하를 보이지만, BER이 KT, 인 경우를 기준으로 Eb/NO를 보면 선형 STBC-OFDMe 12dB, STBC-OFDMe 14dB 로 2dB의 향상된 성능을 보인다. 그러나 SNR이 증가할수록 선형 STBC-OFDM 과 STBC-OFDM 의 BER 폭이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
즉, 채널의 상태가 좋지 않은 경우에는 공간 다중화만을 사용하는 경우보다는 공간 다중화와 다이버시티를 결합한 경우에 더 좋은 성능을 보이고 SNR이 증가할수록 그 차이를 명확히 확인할 수 있다. 또한 안테나의 수가 증가할수록 좋은 성능을 보이는데, STBC-OFDM의 경우 송.

후속연구

선형 시·공간 블록 코드는 안테나 수에 따른 코드 구성이 간단하기 때문에 안테나 수가 많을 수록공간 다중화와 다이버시티에 대한 효과적인 성능개선 및 데이터 전송 율의 향상을 제공할 것이다

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