[논문]낮은 계산 복잡도를 갖는 마이크로 유전자 알고리즘 기반의 PTS 기법

공민한; 송문규

초록
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전송 신호의 높은 PAPR (Peak-to-Average Power Ratio)은 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)의 주된 문제점중의 하나이다. PTS (Partial Transmit Sequences) 기법은 OFDM 신호의 PAPR의 통계를 개선하는 기법이다. 그러나 PTS 기법에서 위상 가중치의 선택을 위한 계산 복잡도는 서브블록의 수에 따라 지수적으로 증가한다. 본 논문에서는 ${\mu}$-GA (micro-Genetic Algorithm) 기반의 위상 가중치 탐색 알고리즘을 적용한 낮은 계산 복잡도를 갖는 PTS 기법을 제안한다. 위상 가중치의 탐색은 랜덤하게 생성한 5 개체의 개체군으로부터 시작한다. 이 중에서 적합도가 가장 큰 엘리트와 토너먼트 선택 방법에 의해 나머지 4 개체를 선택하고 교배 연산을 통해 다음 세대를 구성한다. 만일 생성된 세대가 수렴한다면 엘리트를 제외한 나머지 개체를 다시 랜덤하게 생성한다. 일정 세대 이상 PAPR이 개선되지 않거나 사전에 정해진 최대 세대수까지 진행하면 탐색을 종료한다. 제안하는 PTS 기법의 성능을 평가하기 위해 PAPR의 CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function)를 이전의 PTS 기법과 비교한다.

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The high peak-to-average power ratio (PAPR) of the transmitted signals is one of major drawbacks of the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). A partial transmit sequences (PTS) technique can improve the PAPR statistics of OFDM signals. However, in a PTS technique, the search complexity ...

The high peak-to-average power ratio (PAPR) of the transmitted signals is one of major drawbacks of the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). A partial transmit sequences (PTS) technique can improve the PAPR statistics of OFDM signals. However, in a PTS technique, the search complexity to select phase weighting factors increases exponentially with the number of sub-blocks. In this paper, a PTS technique with low computational complexity is presented, which adopts micro-genetic algorithm(${\mu}$-GA) as a search algorithm. A search on the phase weighting factors starts with a population of five randomly generated individuals. An elite having the largest fitness value and the other four individuals selected through the tournament selection strategy are determined, and then the next generation members are generated through the crossover operations among those. If the new generation converges, all the four individuals except the elite are randomly generated again. The search terminates when there has been no improvements on the PAPR during the predefined number of generations, or the maximum number of generations has been reached. To evaluate the performance of the proposed PTS technique, the complementary cumulative distribution functions (CCDF) of the PAPR are compared with those of the conventional PTS techniques.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 OFDM 신호의 PAPR 감소를 위해 낮은 계산 복잡도를 갖는 PTS 기법을 제안하였다. 제안하는 PTS 기법에서는 위상 가중치의 탐색을 위해 μ-GA를 적용하였다.
본 논문에서는 p-GA (micro-Genetic Algorithm) 기반의 위상 가중치 탐색 알고리즘을 적용한 낮은계산 복잡도의 PTS 기법을 제안한다. GA는 강한 개체만이 생존하는 원리를 기반으로 하는 인공지능기술로 넓은 탐색 공간을 갖는 복잡한 문제를 해결하기 위한 최적화 방법이다.

가설 설정

부반송파의 수는 N=256이고 각 부반송파의 변조는 QPSK를 가정하였다. 위상 가중치의 선택가능한 값은 {±1, 切 즉, W=4이다 연속시간 신호의 PAPR을 얻기 위해 오버샘플링 계수는 L=4로 하였다.

제안 방법

U-GA 기반의 PTS 기법의 PAPR 감소 성능을 평가하기 위해 PAPR의 CCDF를 고찰한다. PAPR 의 CCDF는 다음과 같이 정의된다'이.
如 -GA PT"에서 NC는 명목상 수렴 조건을 나타내며, NC=2인 경우 5개의 개체 중 2개 이상의 개체가 같은 경우 수렴한 것으로 판정함을 의미한다. 교배 방식은 1점 교배를 수행하였다 그 이유는 그림 3에 제시한 모든 경우에 대하여 1점 교배와 2점 교배 방식을 시뮬레이션 하였으나 PAPR의 CCDF가동일하여 1점 교배 방식을 사용한 경우만을 제시하였다. 또한 如-GA PTS, 에 대한 최대 PAPR 감소효과를 확인하기 위하여 국부 최소점에 수렴 여부는 검사하지 않으며, 세대수 GENmax그50이다
새롭게 생성된 세대의 개체사이의 해밍 거리를 이용하여 새로 생성된 세대의 명목상 수렴을 검사한다. 개체 사이의 해밍 거리가 0인 개체들이 일정수 이상인 경우 명목상 수렴하였다고 판단한다.

이론/모형

GA는 강한 개체만이 생존하는 원리를 기반으로 하는 인공지능기술로 넓은 탐색 공간을 갖는 복잡한 문제를 해결하기 위한 최적화 방법이다. 그러나 GA는 많은 후보해의 반복적인 평가로 수렴 속도가 느린 것이 문제이며, 이를 해결하기 위해 μ-GA가 제안되었다図 제안하는 p-GA 기반의 PTS 기법에서 서브 블록의수와 선택 가능한 위상 가중치 값에 따라 이진 염색체를 구성하고 μ-GA 알고리즘을 적용한다. μ -GA를 이용한 위상 가중치의 탐색은 랜덤하게 선택한 5 개체의 개체군으로부터 시작한다.
제안하는 PTS 기법에서는 위상 가중치의 탐색을 위해 μ-GA를 적용하였다. 제안하는 PTS 기법은 문헌 [3]의 PTS 기법보다 매우 낮은 복잡도를 가지고 근접한 PAPR 감소 레벨을 보이며, 문헌 [기의 기법보다 낮은 복잡도를 가지고 유사한 PAPR 감소 레벨을 보임을 확인하였다 또한 조기 수렴 판단조건의 변화를 통하여 계산 복잡도와 PAPR 감소사이의 절충이 가능하다.

성능/효과

그림 4에서 수렴 조건은 모두 NC=2이며, 1점 교배 방식을 사용하였다. 또한 최대 PAPR 감소 효과를 확인하기 위하여 국부 최소점에 수렴여부는 검사하지 않는다 그림 4에서 알 수 있듯이 세대수의 증가는 탐색 횟수의 증가를 의미하므로 PAPR 개선 효과가 더 뛰어남을 알 수 있다
제안하는 PTS 기법에서는 위상 가중치의 탐색을 위해 μ-GA를 적용하였다. 제안하는 PTS 기법은 문헌 [3]의 PTS 기법보다 매우 낮은 복잡도를 가지고 근접한 PAPR 감소 레벨을 보이며, 문헌 [기의 기법보다 낮은 복잡도를 가지고 유사한 PAPR 감소 레벨을 보임을 확인하였다 또한 조기 수렴 판단조건의 변화를 통하여 계산 복잡도와 PAPR 감소사이의 절충이 가능하다. 제안한 PTS 기법은 최초의 PTS 기법에 비하여 작은 성능 저하를 가지고 많은 복잡도를 낮출 수 있는 대안으로 사용할 수 있을 것이다

후속연구

제안하는 PTS 기법은 문헌 [3]의 PTS 기법보다 매우 낮은 복잡도를 가지고 근접한 PAPR 감소 레벨을 보이며, 문헌 [기의 기법보다 낮은 복잡도를 가지고 유사한 PAPR 감소 레벨을 보임을 확인하였다 또한 조기 수렴 판단조건의 변화를 통하여 계산 복잡도와 PAPR 감소사이의 절충이 가능하다. 제안한 PTS 기법은 최초의 PTS 기법에 비하여 작은 성능 저하를 가지고 많은 복잡도를 낮출 수 있는 대안으로 사용할 수 있을 것이다

참고문헌 (10)

R. Van Nee and R. Prasad, OFDM for Wireless Multimedia Communications, Boston, MA: Artech House, 2000
J. Heiskala and J. Terry, OFDM Wireless LANs: A Theoretical and Practical Guide, Sams, 2002
S. H. Muller and J. B. Huber, "OFDM with Reduced Peak-to-Average Power Ratio by Optimum Combination of Partial Transmit Sequences," Electronic Letters, Vol.33, No.5, Feb. 1997, pp.368-69

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Leonard J. Cimini, Jr. and Nelson R. Sollenberger, "Peak-to-average power ratio reduction of an OFDM signal using partial transmit sequences," IEEE Communications Letters, Vol.4, No.3, pp.86-88, Mar. 2000

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A. D. S. Jayalath and C. Tellambura, "Adaptive PTS Approach for Reduction of Peak-to-Average Power Ratio of OFDM Signal," Electronic Letters, Vol.36, No.14, pp.1226-28. July 2000

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Wong Sai Ho, A. S. Madhukumar, and Francois Chin, "Peak-to-average power reduction using partial transmit sequences: a suboptimal approach based on dual layered phase sequencing," IEEE Transactions on Broadcasting, Vol.49, No.2, pp.225-231, Jun. 2003

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Seung Hee Han and Jae Hong Lee, "PAPR reduction of OFDM signals using a reduced complexity PTS technique," IEEE Signal Processing Letters, Vol.11, No.11, pp.887-890, Nov. 2004

상세보기
L. Yang, R. S. Chen, and K. K. Soo, "PAPR reduction of an OFDM signal by use of PTS with low computational complexity," IEEE Transactions on Broadcasting, Vol.52, No.1, pp.83-86, Mar. 2006

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K. Krishnakumar, "Micro-genetic algorithms for stationary and non-stationary function optimization", SPIE 1196, Intelligent Control and Adaptive Systems, pp.289-296, 1989
C. Tellambura, "Computation of the Continuous- Time PAR of an OFDM Signal with BPSK Subcarriers," IEEE Communications Letters, Vol.5, No.5, pp.185-187, May 2001

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