OFDMA 상향 링크 시스템에서 PAPR 저감을 위한 선택적 DFT Spreading 기법의 설계와 성능 평가 Design and Performance Evaluation of Selective DFT Spreading Method for PAPR Reduction in Uplink OFDMA System원문보기
본 논문에서는 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 상향 링크 시스템에서 발생하는 높은 PAPR(Peak to Average Power Ratio) 문제를 해결하기 위한 방법으로 선택적 DFT(Discrete Fourier Transform) spreading 기법을 새롭게 제안한다. 제안된 방법은 기존의 DFT spreading 기법에 선택적 특성을 추가한 것으로, SLM(Selective Mapping) 기법과 DFT spreading 기법이 혼합된 형태를 갖는다. 그러나 제안된 기법은 copy branch를 사용함에 있어 그 복잡도의 증가를 최소화하기 위해 하나의 DFT만을 사용하고, DFT출력 신호에 여러 개의 각기 다른 matrix를 곱함으로써 여러 개의 copy branch를 생성한다. 여기서 사용된 matrix는 DFT 앞에서의 입력 데이터 위상 회전을 선형 변환함으로써 얻어진 것으로, 각각의 matrix는 그 복잡도가 하나의 DFT보다 매우 낮게 설계된다. 성능 분석을 위해 QPSK 변조 및 512 point IFFT의 사용을 가정하고 한 사용자에게 할당된 sub-carrier 수는 각각 75, 100인 두 가지 경우를 고려하였다. 성능 분석 결과에서, 제안된 선택적 DFT spreading 기법은 copy branch 수가 4일 때 약 5.2 dB 이상의 PAPR 저감 효과를 가지며, 이는 기존의 DFT spreading만을 사용하는 경우 보다 약 1.8 dB 이상, 그리고 32 copy branch를 사용하는 SLM보다도 약 0.95 dB 이상의 뛰어난 PAPR 저감 성능이다. 또한 복잡도의 비교에서도 사용자에게 할당된 sub-carrier의 수가 100일 때, 제안된 기법은 기존의 DFT spreading 기법 보다는 증가되었으나 제안된 기법의 성능에 가장 근접하는 32 copy branch의 SLM보다 약 91.79 % 저감된 곱셈 량을 갖는다. 제안된 기법의 효율성을 확인할 수 있으며, 사용자에게 할당된 sub-carrier의 수가 증가되어 단일 사용자가 모든 sub-carrier를 사용하는 경우, 즉 일반적인 OFDM과 같은 상황에서도 유사한 성능적 이득을 예상할 수 있다.
본 논문에서는 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 상향 링크 시스템에서 발생하는 높은 PAPR(Peak to Average Power Ratio) 문제를 해결하기 위한 방법으로 선택적 DFT(Discrete Fourier Transform) spreading 기법을 새롭게 제안한다. 제안된 방법은 기존의 DFT spreading 기법에 선택적 특성을 추가한 것으로, SLM(Selective Mapping) 기법과 DFT spreading 기법이 혼합된 형태를 갖는다. 그러나 제안된 기법은 copy branch를 사용함에 있어 그 복잡도의 증가를 최소화하기 위해 하나의 DFT만을 사용하고, DFT출력 신호에 여러 개의 각기 다른 matrix를 곱함으로써 여러 개의 copy branch를 생성한다. 여기서 사용된 matrix는 DFT 앞에서의 입력 데이터 위상 회전을 선형 변환함으로써 얻어진 것으로, 각각의 matrix는 그 복잡도가 하나의 DFT보다 매우 낮게 설계된다. 성능 분석을 위해 QPSK 변조 및 512 point IFFT의 사용을 가정하고 한 사용자에게 할당된 sub-carrier 수는 각각 75, 100인 두 가지 경우를 고려하였다. 성능 분석 결과에서, 제안된 선택적 DFT spreading 기법은 copy branch 수가 4일 때 약 5.2 dB 이상의 PAPR 저감 효과를 가지며, 이는 기존의 DFT spreading만을 사용하는 경우 보다 약 1.8 dB 이상, 그리고 32 copy branch를 사용하는 SLM보다도 약 0.95 dB 이상의 뛰어난 PAPR 저감 성능이다. 또한 복잡도의 비교에서도 사용자에게 할당된 sub-carrier의 수가 100일 때, 제안된 기법은 기존의 DFT spreading 기법 보다는 증가되었으나 제안된 기법의 성능에 가장 근접하는 32 copy branch의 SLM보다 약 91.79 % 저감된 곱셈 량을 갖는다. 제안된 기법의 효율성을 확인할 수 있으며, 사용자에게 할당된 sub-carrier의 수가 증가되어 단일 사용자가 모든 sub-carrier를 사용하는 경우, 즉 일반적인 OFDM과 같은 상황에서도 유사한 성능적 이득을 예상할 수 있다.
In this paper, we propose a selective DFT spreading method to solve a high PAPR problem in uplink OFDMA system. A selective characteristic is added to the DFT spreading, so the DFT spreading method is mixed with SLM method. However, to minimize increment of computational complexity, differently with...
In this paper, we propose a selective DFT spreading method to solve a high PAPR problem in uplink OFDMA system. A selective characteristic is added to the DFT spreading, so the DFT spreading method is mixed with SLM method. However, to minimize increment of computational complexity, differently with common SLM method, our proposed method uses only one DFT spreading block. After DFT, several copy branches are generated by multiplying with each different matrix. This matrix is obtained by linear transforming the each phase rotation in front of DFT block. And it has very lower computational complexity than one DFT process. For simulation, we suppose that the 512 point IFFT is used, the number of effective sub-carrier is 300, the number of allowed sub-carrier to each user's is 1/4 and 1/3 and QPSK modulation is used. From the simulation result, when the number of copy branch is 4, our proposed method has more than about 5.2 dB PAPR reduction effect. It is about 1.8 dB better than common DFT spreading method and 0.95 dB better than common SLM which uses 32 copy branches. And also, when the number of copy branch is 2, it is better than SLM using 32 copy branches. From the comparison, the proposed method has 91.79 % lower complexity than SLM using 32 copy branches in similar PAPR reduction performance. So, we can find a very good performance of our proposed method. Also, we can expect the similar performance when all number of sub-carrier is allocated to one user like the OFDM.
In this paper, we propose a selective DFT spreading method to solve a high PAPR problem in uplink OFDMA system. A selective characteristic is added to the DFT spreading, so the DFT spreading method is mixed with SLM method. However, to minimize increment of computational complexity, differently with common SLM method, our proposed method uses only one DFT spreading block. After DFT, several copy branches are generated by multiplying with each different matrix. This matrix is obtained by linear transforming the each phase rotation in front of DFT block. And it has very lower computational complexity than one DFT process. For simulation, we suppose that the 512 point IFFT is used, the number of effective sub-carrier is 300, the number of allowed sub-carrier to each user's is 1/4 and 1/3 and QPSK modulation is used. From the simulation result, when the number of copy branch is 4, our proposed method has more than about 5.2 dB PAPR reduction effect. It is about 1.8 dB better than common DFT spreading method and 0.95 dB better than common SLM which uses 32 copy branches. And also, when the number of copy branch is 2, it is better than SLM using 32 copy branches. From the comparison, the proposed method has 91.79 % lower complexity than SLM using 32 copy branches in similar PAPR reduction performance. So, we can find a very good performance of our proposed method. Also, we can expect the similar performance when all number of sub-carrier is allocated to one user like the OFDM.
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문제 정의
즉, 사용자에게 할당된 부반송파의 수가 홀수 개라면, 사용된 행렬 7는 매우 복잡해질 것이다. 따라서 본 연구에서는 이렇게 홀수 개의 부반송파가 사용자에게 할당되었을 때를 위한 선택적 DFTs-OFDMA 기법을 제시한다. 홀수개의 부반송파 할당을 위한 선택적 DFTs-OFDMA의 동작은 다음과 같다.
본 논문에서는 OFDMA 상향 링크 시스템에서 발생하는 높은 PAPR 문제를 해결하기 위한 방법으로 선택적 DFT spreading 기법을 새롭게 제안한다. 제안된 방법은 기존의 DFT spreading 기법에 선택적 특성을 추가한 것으로, SLM 기법과 DFT spreading 기법이 혼합된 형태를 갖는다.
있다. 본 연구는 기본형 선택적 DFT spreading 기법의 기본형에 그 이론적 기반을 두고, 보다 복잡도가 덜 증가되는 새로운 선택적 DFT spreading 기법을 제안한다. 기본형에서 같이 각 사용자의 M-po-int DFT 블록에 입력되는 심볼열을 y=[%, 力, …, 珏_ 疽라 하면, DFT 블록을 통과하여 DFT 확산된신호열은 다음과 같이 나타난다.
제안 방법
즉, 각기 다른 벡터에 의한 위상 회전 및 DFT spreading을 거친 여러 개의 copy branch를 사용해 이 중 가장 낮은 PAPR을 갖는 branch의 신호를 선택한다. 그러나 제안된 기법은 copy branch를 사용함에 있어 그 복잡도의 증가를 최소화 하기 위해 하나의 DFT만을 사용하고, DFT 출력 신호에 여러 개의 각기 다른 matrix를 사용해 변환 처리한다. 여기서 matrix에 의한 변환 처리는 DFT 앞에서의 입력 데이터 위상 회전을 선형 변환함으로써 얻어진 특정 matrix가 DFT 뒤에서 신호와 곱해지는 것을 의미한다.
있었다. 본 논문에서 제안하는 기법은 기존의 DFT spreading과는 달리 여러 개의 copy branch를 이용하여 이 중 최소 PAPR을 갖는 신호를 선택한다. 여러 개의 copy branch를 사용함에 있어 그 복잡도의 증가를 최소화 하기 위해 하나의 DFT만을 사용하고, DFT 출력 신호에 여러 개의 각기 다른 matrix를 사용해 변환처리한다.
본 논문에서는 시스템 복잡도 증가를 최소화 하고, SLM의 선택적 효과도 얻기 위해 입력 데이터에 대한 다음과 같은 위상 회전을 이용한다. 즉, 행렬 尸。)의 모태가 되는 변환 전의 위상 회전 벡터 b(v) 를 길이 所가 2인 부분 벡터들을 반복 사용하여 얻는다.
비교 분석으로는 본 논문에서 제안하는 선택적 DFT spreading, 기존의 DFT spreading 그리고 SLM을사용한 경우를 각각 고려하였다. 성능 분석은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하였다.
성능 분석은 시뮬레이션 결과로 나타내며, 기존의 기법들과의 PAPR 저감 효과를 비교함은 물론, 유사한 성능의 SLM 기법과 그 계산량을 비교, 분석한다.
여러 개의 copy branch를 사용함에 있어 그 복잡도의 증가를 최소화 하기 위해 하나의 DFT만을 사용하고, DFT 출력 신호에 여러 개의 각기 다른 matrix를 사용해 변환처리한다. 여기서 matrix에 의한 변환 처리는 DFT 앞에서의 입력 데이터 위상 회전을 선형 변환함으로써 얻어진 특정 matrix가 DFT 뒤에서 신호와 곱해지는 것을 의미하며, 각각의 matrix는 그 복잡 도가 하나의 DFT보다 매우 낮게 설계하였다. 최종 시뮬레이션 결과로부터, 제안된 선택적 DFT spreading 기법은 전송 심볼의 개수가 각각 75, 100이고 copy branch 수가 4일 때 약 5.
본 논문에서 제안하는 기법은 기존의 DFT spreading과는 달리 여러 개의 copy branch를 이용하여 이 중 최소 PAPR을 갖는 신호를 선택한다. 여러 개의 copy branch를 사용함에 있어 그 복잡도의 증가를 최소화 하기 위해 하나의 DFT만을 사용하고, DFT 출력 신호에 여러 개의 각기 다른 matrix를 사용해 변환처리한다. 여기서 matrix에 의한 변환 처리는 DFT 앞에서의 입력 데이터 위상 회전을 선형 변환함으로써 얻어진 특정 matrix가 DFT 뒤에서 신호와 곱해지는 것을 의미하며, 각각의 matrix는 그 복잡 도가 하나의 DFT보다 매우 낮게 설계하였다.
제안된 방법은 기존의 DFT spreading 기법에 선택적 특성을 추가한 것으로, SLM 기법과 DFT spreading 기법이 혼합된 형태를 갖는다. 즉, 각기 다른 벡터에 의한 위상 회전 및 DFT spreading을 거친 여러 개의 copy branch를 사용해 이 중 가장 낮은 PAPR을 갖는 branch의 신호를 선택한다.
계산량을 비교한 것이다. 제안된 방법은 앞서 PAPR 저감 성능 분석 결과에서 32 copy branch를 사용하는 SLM과 그 성능 차가 가장 적은 2 copy branch의 경우를 고려하였다. 결과로부터 제안된 기법은 사용자에게 할당된 부반송파의 수가 75와 100 일 때 유사한 성능에서 기존의 SLM보다 각각 92.
성능/효과
제안된 방법은 앞서 PAPR 저감 성능 분석 결과에서 32 copy branch를 사용하는 SLM과 그 성능 차가 가장 적은 2 copy branch의 경우를 고려하였다. 결과로부터 제안된 기법은 사용자에게 할당된 부반송파의 수가 75와 100 일 때 유사한 성능에서 기존의 SLM보다 각각 92.78 %와 91.79 % 이상 낮은 복소 곱셈 수를, 그리고 92.90 %와 92.53 % 이상 낮은 합의 수를 나타낸다.
PAPR 성능을 나타낸다. 논문에서 제안하는 방식은 2, 3 그리고 4 copy branch를 사용하는 경우에 대하여 각각 약 4.5, 4.9 그리고 5.2 曲의 PAPR 저감 효과를 가지며, 이는 기존의 DFT spmading만을 사용하는 경우보다 각각 약 0.9, 1.3 그리고 1.8 dB 가량 그리고 32 copy branch를 사용하는 SLM보다도 약 0.2, 0.6 그리고 0.95 dB 가량의 뛰어난 PAPR 저감 성능이다. 이는 앞의 N장 2절의 odd case인 제안된 기법을 사용한 결과로, 독립적으로 삽입된 1개의 데이터는 실제 PAPR 저감 효과에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.
즉, DFT 앞에의 위상 회전 벡터의 길이가 짝수이고, 주기가 짧을수록 이를 선형 변환한 matrix의 복잡도는 매우 낮아진다. 따라서, 본 논문에서는 길이가 2이고 +1, -1, +/ 그리고 -j로 이루어진 부분 시퀀스를 반복함으로써 얻어진 짝수 길이의 위상 회전 벡터를 선형 변환하여 이러한 matrix를 얻으며, 만약 병렬입력 데이터의 수가 홀수인 경우에도 하나의 데이터를 DFT에 입력하지 않고 그대로 IFFT에 입 력함으로써 짝수인 경우와 큰 차이 없는 성능을 얻을 수 있다.
95 dB 이상의 뛰어난 PAPR 저감 성능이다. 또한 복잡도의 비교에서도 사용자에게 할당된 sub-carriere 수가 i00일 때, 제안된 기법은 기존의 DFT spreading 기법보다는 증가되었으나 유사한 성능의 SLM보다 약 91.79 %의 곱셈량이 감소된매우 효과적인 성능을 나타낸다.
본 논문에서 제안하는 선택적 DFT spreading 기법이 기존의 PAPR 저감 기법들보다 뛰어난 PAPR 저감 효과를 갖는다는 것을 확인시켜 주며, 또한 단지 2개 의 copy branch만으로도 32개의 copy branch를 갖는 SLM 방법보다 뛰어난 성능을 가짐을 알 수 있다.
이루어질 때만 그 구성이 단순화 된다. 본 논문에서 제안한 방법은 길이가 2인 부분 시퀀스들이 반복되는 형태의 위상 회전 시퀀스 B로부터 행렬 丁 를 얻기 때문에 위의 조건에서 후자는 만족시키지만, 그 길이가 꼭 짝수가 된다는 보장은 없다. 즉, 사용자에게 할당된 부반송파의 수가 홀수 개라면, 사용된 행렬 7는 매우 복잡해질 것이다.
본 논문에서는 DFT spreading 기법에 선택적 특성을 추가함으로써 OFDMA(Orthogonal Frequency Division M나tiple Access) 상향 링크 시스템에서 기존의 DFT spreading 기법보다 큰 PAPR 저감 성능을 얻을 수 있었다. 본 논문에서 제안하는 기법은 기존의 DFT spreading과는 달리 여러 개의 copy branch를 이용하여 이 중 최소 PAPR을 갖는 신호를 선택한다.
95 dB 가량의 뛰어난 PAPR 저감 성능이다. 이는 앞의 N장 2절의 odd case인 제안된 기법을 사용한 결과로, 독립적으로 삽입된 1개의 데이터는 실제 PAPR 저감 효과에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.
PAPR 성능을 나타낸다. 제안하는 방식은 2, 3 그리고 4 copy branch를 사용하는 경우에 대하여 각각 약 4.7, 5.1 그리고 5.3 曲의 PAPR 저감 효과를 가지며, 이는 기존의 DFT spreading만을 사용하는 경우보다 각각 약 0.9, 1.3 그리고 1.7 dB 가량 그리고 32 copy branch를 사용하는 SLM보다도 약 0.2, 0.7 그리고 1 dB 가량의 뛰어난 PAPR 저감 성능이다.
여기서 matrix에 의한 변환 처리는 DFT 앞에서의 입력 데이터 위상 회전을 선형 변환함으로써 얻어진 특정 matrix가 DFT 뒤에서 신호와 곱해지는 것을 의미하며, 각각의 matrix는 그 복잡 도가 하나의 DFT보다 매우 낮게 설계하였다. 최종 시뮬레이션 결과로부터, 제안된 선택적 DFT spreading 기법은 전송 심볼의 개수가 각각 75, 100이고 copy branch 수가 4일 때 약 5.2 dB 이상의 PAPR 저 감 효과를 가지며, 이는 기존의 DFT spreading만을 사용하는 경우보다 약 1.8 dB 이상, 그리고 32 copy bmnch를 사용하는 SLM보다도 약 0.95 dB 이상의 뛰어난 PAPR 저감 성능이다. 또한 복잡도의 비교에서도 사용자에게 할당된 sub-carriere 수가 i00일 때, 제안된 기법은 기존의 DFT spreading 기법보다는 증가되었으나 유사한 성능의 SLM보다 약 91.
후속연구
비록 시스템 복잡도를 더욱 줄이기 위해 even case와 odd case로 분할하였지만 이러한 제한된 방법의 사용은 보다 효과적인 PAPR 저감을 가능케 할 수 있을 것이다.
참고문헌 (14)
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