[논문]OFDM 통신 시스템에서의 간섭 현상에 관한 연구

이종길

OFDM 통신 시스템에서의 간섭 현상에 관한 연구
A Study on Interference Effects in OFDM System 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.8 no.5, 2004년, pp.988 - 994

이종길 (인천대학교 정보통신공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 주파수 옵셋, 도플러 확산, 오실레이터 페이즈 노이즈에 의한 간섭현상, 즉 왜곡에 관해서 정리하고 다양한 채널환경에서 이에 따른 OFDM 시스템의 성능을 분석하였다. 이러한 왜곡들은 마치 부가성 백색 잡음처럼 각 부반송파간의 간섭을 유발하기 때문에 OFDM 시스템의 성능은 떨어지게 된다. 그러므로 본 연구에서는 OFDM 방식을 적용한 이동통신 시스템에서의 왜곡에 따른 성능분석을 위하여 다양한 채널환경 하에서 지정된 SNR을 유지하기 위한 주파수 옵셋과 도플러 주파수 한계치, 오실레이터 페이즈 노이즈에 의한 시스템의 성능저하 특성들을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper we analyze the effects of frequency offset, doppler spread, sampling and oscillator phase noise in mobile channels on orthogonal frequency division multiplexing(OFDM)system, Since this kind of distortions cause subcarrier interference which can be seen as additional noise, performance of OFDM system is degraded. We show the limitation of maximum carrier frequency offset and doppler frequency to maintain designated SNR, and analyze characteristics of the performance of OFDM systems considering the oscillator phase noise.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고속 무선 OFDM 시스템의 무선 채널에서의 성능을 분석하기 위해 다양한 채널모 델과, 주파수 옵셋, 도플러 확산, 위상잡음에 따른 SIR과 이 SIR을 고려한 effective SNR을 컴퓨터 모 의실험을 통하여 분석하였다.

가설 설정

X*는 부반송파에 실리는 데이터 심볼이고 K는 반송파 인덱스 집합을 나타낸다. 본 논문에서는 64point FFT 시스템을 가정하여 K=[-32, 31]로 설정하는 한편, 심볼 IX』= 1이고 심볼간 비상관이며 평균은 0으로 (uncorrelated zero mean) 변조 되었다고 가정한다. 그러므로 FFT 길이와 사용되는 반송파 수가 같다고 하면 반 송파의 signal-to-subcarrier interference ratio (SIR) 을 나타내는 7必(力와 평균 SIR을 나타내는 ~7sir 을 다음과 같은 방법으로 계산할 수 있다.
송신시스템의 기저대역 모델[위에서 송수신단 impulse shaping filter는 시간 도메인에서 서로 매칭되어 있고 rectangular form이라고 가정한다.송 신단에서 필터를 통과한 변조된 심볼은 직교하는 각 부반송파에 실려 송신된다.
송신신호는 각각의 도플러 주파수, 크기왜곡, 시간지연을 갖고있는 다중경로를 거쳐 수신된다. 여기서 다중경로를 거쳐 수신된 신호의 반송파간섭의 영향을 간단하게 계산하기 위해 경로는 단일경로 k만 존재하며 i 번째 부반송파와 이 부반송파에 영향을 주는 방해 부반 송파 j만 존재한다고 가정한다. 이때 경로 k로 수신되어 수신단에서 matched filter로 입력되는 신호 叶)의 전력 스펙트럼은 주파수에서의 크기가 T .

제안 방법

두 번째로 Rice, Rect, Gauss I, Gauss Ⅱ, Jakes 도플러 전력모델을 적용하여 도플러 확산에 의한 반송파 간섭의 영향을 계산하였다. 도플러 전력모 델에 따른 SIR의 차이는 크지 않았으나 Rice, Rect, Gauss I, Gauss Ⅱ, Jakes 모델 순으로 낮게 나타났 으며 九5林근처에 전력분포가 상대적으로 많은 Jakes 모델과 Rectangular 모델간에 약 4dB 정도 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다.
두 번째로 phase noise spread에 따른 영향을 분석하기 위하여 phase noise power는 일정하게 유지한 상태에서 PSD의 메인대역폭을 증감시키며 그 영향을 계산하였다. phase noise PSD의 메인대 역폭이 증가하면 크지는 않으나 CPE는 감소하고 ICI는 증가하게 된다.
본 논문에서는 채널 특성에 따라 반송파 간섭에 의한 OFDM시스템의 성능열화분석을 위해 다양한 무선채널모델을 설정하고 주파수 옵셋, 도플러 확산, 오실레이터 페이즈 노이즈에 따른 반송파 간섭, 신호전력, 잡음전력을 고려하여 그 변화에 따른 시스템의 성능분석을 수행하였다.
세번째로 오실레이터 페이즈 노이즈에 의한 영향을 계산하기 위하여 페이즈 노이즈 모델을 설정하고 페이즈 노이즈 평균전력과 메인대역폭을 증감시키 면서 그 영향을 분석하였다. 먼저 페 이 즈 노 이즈의 평균전력이 증가할수록 SIR 과 effective SNR 이 급격하게 떨어지며 Y=33dB 인 경우 phase noise 전력이 0.
위 식에서 4는 (N-1)개의 주파수 이동된 ") 의 합과 수신신호와의 곱으로 이루어져 있으므로 마치 잡음과 비슷한 성격의 [번째 부반송파에 작용하는 다른 부반송파의 간섭을 나타낸다. 이제 보다 간편하게 CPE와 반송파 간섭을 계산하기 위해서 n번째 부반송파를 제외한 나머지 반송파들을 0으 로 설정하고 n번째 부반송파의 심볼 크기는 앞에서 瓦=1 로 설정하였다. 砰 i 인 경우는 Yi=*池W*어广£>伝传cK*、、) 로 표시된다.
첫번째로 flat 한 주파수 응답채널, 그리고 JTC(Joint technical committee)에서 제시한 오피스 지구, 주거지구 환경 채널모델을 고려하여 주파수 옵셋의 영향을 계산하였다. 그 결과 채널모델에 따른 SIR(signal-to-ScI ratio)은 차이가 약 2dB정도로 나타났고 effective SNRe flat 채널모델에서 오피 스 지구, 주거지구 환경모델로 갈수록약 3dB 까지 떨어졌으며 주파수 옵셋이 커질수록 반송파 간섭 의 영향이 커지므로 일정크기 이상 주파수 옵셋이 발생하게 되면 effective SNR 은 SIR과 같게 나타났다.

성능/효과

첫번째로 flat 한 주파수 응답채널, 그리고 JTC(Joint technical committee)에서 제시한 오피스 지구, 주거지구 환경 채널모델을 고려하여 주파수 옵셋의 영향을 계산하였다. 그 결과 채널모델에 따른 SIR(signal-to-ScI ratio)은 차이가 약 2dB정도로 나타났고 effective SNRe flat 채널모델에서 오피 스 지구, 주거지구 환경모델로 갈수록약 3dB 까지 떨어졌으며 주파수 옵셋이 커질수록 반송파 간섭 의 영향이 커지므로 일정크기 이상 주파수 옵셋이 발생하게 되면 effective SNR 은 SIR과 같게 나타났다. 그러므로 요구되는 original SNR 7가 높을수록 높은 dB를 유지하기 위해서는 주파수 옵셋의 영향이 그만큼 작아야 한다는 것을 알 수 있다.
phase noise PSD의 메인대 역폭이 증가하면 크지는 않으나 CPE는 감소하고 ICI는 증가하게 된다. 그러나 결과적으로 CPE의 감소량과 ICI의 증가량이 거의 비슷하여 그림 4의 SIR과 effective SNR온 phase noise spread 에는 거의 관계없이 일정하게 나타나는 것을 확인할 수 있다
두 번째로 Rice, Rect, Gauss I, Gauss Ⅱ, Jakes 도플러 전력모델을 적용하여 도플러 확산에 의한 반송파 간섭의 영향을 계산하였다. 도플러 전력모 델에 따른 SIR의 차이는 크지 않았으나 Rice, Rect, Gauss I, Gauss Ⅱ, Jakes 모델 순으로 낮게 나타났 으며 九5林근처에 전력분포가 상대적으로 많은 Jakes 모델과 Rectangular 모델간에 약 4dB 정도 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 주파수 옵셋에서와 마찬가지로 요구되는 original SNR / 가 높을수록 높은 dB를 유지하기 위해서는 주파수 옵셋의 영향이 그만큼 작아야 한다는 것을 확인할 수 있다.
도플러 전력모 델에 따른 SIR의 차이는 크지 않았으나 Rice, Rect, Gauss I, Gauss Ⅱ, Jakes 모델 순으로 낮게 나타났 으며 九5林근처에 전력분포가 상대적으로 많은 Jakes 모델과 Rectangular 모델간에 약 4dB 정도 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 주파수 옵셋에서와 마찬가지로 요구되는 original SNR / 가 높을수록 높은 dB를 유지하기 위해서는 주파수 옵셋의 영향이 그만큼 작아야 한다는 것을 확인할 수 있다.
세번째로 오실레이터 페이즈 노이즈에 의한 영향을 계산하기 위하여 페이즈 노이즈 모델을 설정하고 페이즈 노이즈 평균전력과 메인대역폭을 증감시키 면서 그 영향을 분석하였다. 먼저 페 이 즈 노 이즈의 평균전력이 증가할수록 SIR 과 effective SNR 이 급격하게 떨어지며 Y=33dB 인 경우 phase noise 전력이 0.03을 넘어서게 되면 무선채널의 부가성 백색잡음의 영향보다 phase noise의 영향이 더 우세해져 SIR과 effective SNR곡선이 같게 나타났다. 또한 phase noise PSD의 메인 대역 폭을 극단적으로 부반송파의 대역폭의 약 2배까지 증가시키면서 영향을 분석하였는데 결과적으로 CPE의 감소량과 ICI의 증가량이 거의

후속연구

실제로 OFDM 방식의 고속 무선통신시스템을 개발하기 위해서는 성능에 영향을 주는 다양한 원인에 대한 분석이 필요하다. 따라서 본 논문의 연구 결과들은 이러한 시스템들을 효율적으로 개발하는 데 많은 도움이 될 수 있을 것이다.

참고문헌 (6)

Branimir Stantchev, 'Time variant distortions in OFDM' IEEE commun. Vol 4, No 9, september, 2000
Paul H. Moose, 'A Technique for Orthogonal Frequency Division Multiplexing Frequency Offset Correction' IEEE Trans. commun, Vol 42, No 10, October 1994

상세보기
P. Robertson and Stefan Kaiser, 'The effects of Doppler spreads on OFDM(A) mobile radio systems,' in Proc IEEE VIC Fall, Amsterdam, Holland, Sept. 14-17, 1999
Matthias Patzold, 'Mobile fading channels', WILEY, pp.259-265, January 2002
J. Stott, 'The effects of phase noise in COFDM', EBU Technical Review, No 276 summer pp.12-25, 1998
P.Robertson and S. Kaiser, 'Analysis of the effects of phase noise in orthogonal frequency division multiplex (OFDM) systems,' in Proc. ICC. Seattle, WA, June 18-22, pp.1652-1657, 1995

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