[논문]OFDM 신호의 효율적인 PAPR 감소를 위한 적응적 Companding 기법

김재운; 신요안

문제 정의

본 논문에서는 변조 방식에 따라 OFDM 전송신호의 분포를 적응적으로 조절할 수 있는 적응적 Companding 기법을 제안하였다. 기본적으로 제안된적응적 Companding 기법은 앞서 본 저자들에 의해*' 에서 제안된 Uniform Companding을 사용한다.
이에 본 논문에서는 시스템의 복잡도와 BER 성능을 모두 고려하여 OFDM 신호의 PAPR을 효과적으로 감소시키기 위한 적응적 Companding 기법을 제안한다. 기본적으로 제안된 기법은 앞서 본 저자들에 의해 제안된 송신 신호의 분포를 균일하게할 수 있는 Companding 기법 (이화 ''Uniform Companding")同을 기반으로 구성된다.
더욱이 기존의 Uniform Companding괴는달리, 제안된 기법은 높은 변조 레벨에서도 신뢰성높은 BER 성능을 제공할 수 있다. 한편, 본 논문에서는 제안된 기법에 대한 대역내 및 대역외 스펙트럼 특성을 제시하였고 대역외 스펙트럼을 필터링하는 방안을 소개하였다. 모의실험 결과, 제안된 기법은 Wang Companding에 비해 스펙트럼 즉면에서도우수한 특성을 보유하고 인접 대역의 시스템에 간섭 영향을 고려하여 필터를 사용하면서 동일한 PAPR 감소 성능을 나타낼 수 있는 파라미터로 고정한 경우에서 매우 우수한 BER 성능을 제공할 수있음을 확인하였다.

가설 설정

1) 마다 표본화한 이산 시간 시스템에서 기저대역 전송 신호는 다음 식과 같이 표현될 수 있다.

제안 방법

또한, 본 논문에서는 Wang Companding과 제안된 적응적 Companding 기법에 대한 필터링 후 BER 성능을 분석하였다. 이를 위해, 대부분의OFDM 시스템 파라미터는 위에서 설명한 필터링전 모의실험과 같다.
본 논문에서는 일반적인 Uniform Companding「句 및 Wang Companding同과 제안된 적응적 Companding 기법을 PAPR 감소와 필터링 전의 BER 성능 측면에서 모의실험을 통해 비교 분석하였다. 이를 위해, 우선 본 논문에서는 AWGN 채널 환경에서 식 (4) 와 (5)를 만족하여 실수 전송 신호를 갖는 OFDM 시스템을 고려하였다.
이를 위해, 우선 본 논문에서는 AWGN 채널 환경에서 식 (4) 와 (5)를 만족하여 실수 전송 신호를 갖는 OFDM 시스템을 고려하였다. 이 OFDM 시스템의 전체 부반송파의 수 Ne 256으로 고정하였으며, 변조 방식은 QPSK, 16-QAM, 64-QAM을 사용하였다 또한제안된 기법과 Uniform Companding을 위한 S와 K 는 각각 0.975, V每b로 설정하였다. 그리^, 제안된 기법의 적응 Companding 가중치。는 -0.
모의실험을 통해 비교 분석하였다. 이를 위해, 우선 본 논문에서는 AWGN 채널 환경에서 식 (4) 와 (5)를 만족하여 실수 전송 신호를 갖는 OFDM 시스템을 고려하였다. 이 OFDM 시스템의 전체 부반송파의 수 Ne 256으로 고정하였으며, 변조 방식은 QPSK, 16-QAM, 64-QAM을 사용하였다 또한제안된 기법과 Uniform Companding을 위한 S와 K 는 각각 0.
주게 되는 현상을 발생시킨다. 이어】, 본 논문에서는 제안된 적응적 Companding 기법에 대한 대역내 및 대역외 스펙트럼 특성을 분석하고 대역외스펙트럼 전력을 감소시키기 위한 필터링 (Filtering) 방안을 도입하여 적용한 후의 BER 성능을 확인한다. Wang Companding 과 비교한 모의실험 결과, 제안된 기법은 PAPR 측면에서 효과적으로 감소시킬 수 있었으며, 필터링 후의 BER 측면에서도 대역내 및 대역외 신호 왜곡에 강인한 성능을 제공할수 있음을 확인할 수 있었다.
반면 Uniform Compandinge 변조 방식에 관계없이 송신 신호 크기의 분포를 균일하게 Compression시키므로 변조 레벨이 높아질수록 시스템의 BER 성능은 더욱 열화된다. 이에 본 논문에서는기본적으로는 Uniform Companding을 기반으로 하지만, 변조 방식에 따라 송신단의 Compression 함수와 수신단의 Expanding 함수를 적응적으로 변화시킬 수 있는 적응적 Companding 기법을 제안한다.
다만 제안된 기법과 Wang Companding의 필터링 후 BER 성능을 공정히 비교하기 위해, 이들 기법이 동일한 PAPR 감소 성능을나타낼 수 있는 〃와 μ 값으로 설정하였다. 즉, 모의실험에서 제안된 기법의 적응 Companding 가중치 〃는 0, 1, 2, 3으로 다양하게 적용하였고, Wang Companding의 7}중치 〃는 16, 32, 64, 128 로 설정하였다. 또한, 대역외 스펙트럼 전력을 감소시키기 위한 필터로는 103 탭의 Parks-McClellan Optimal Equiripple FIR (Finite Impulse Response) 필테%를 사용하였다
기본적으로 제안된 기법은 앞서 본 저자들에 의해 제안된 송신 신호의 분포를 균일하게할 수 있는 Companding 기법 (이화 ''Uniform Companding")同을 기반으로 구성된다. 하지만 기존의 Uniform Companding 기법과는 달리, 제안된 기법은 시스템의 변조 레벨에 따라 BER 성능과 PAPR 감소를 모두 고려하기 위해 송신단의 Compression과 수신단의 Expanding 함수를 적응적으로 변화시킨다. 모의실험 결과, 제안된 기법은 Wang 에 의해 제안된 Companding 기법 (이하 “Wang Companding”)同에 비해 대역내 (In-band) 신호 왜곡에 강인한 BER 성능을 나타내고 PAPR 감소 측면에서도 매우 효과적임을 확인할 수 있다.
기본적으로 제안된적응적 Companding 기법은 앞서 본 저자들에 의해*' 에서 제안된 Uniform Companding을 사용한다. 하지만 다양한 변조 방식에 대해 시스템의 BER 성능과 PAPR 감소 성능 모두를 고려하기 위해, 제안된기법은 Unifom Companding의 Compression 및 Expanding 함수를 적응적으로 조절한다. 모의실험결과, 제안된 기법은 일반적인 Wang Companding 에 비해 상당히 우수한 PAPR 감소와 BER 성능을나타냈다.

이론/모형

제안한다. 기본적으로 제안된 기법은 앞서 본 저자들에 의해 제안된 송신 신호의 분포를 균일하게할 수 있는 Companding 기법 (이화 ''Uniform Companding")同을 기반으로 구성된다. 하지만 기존의 Uniform Companding 기법과는 달리, 제안된 기법은 시스템의 변조 레벨에 따라 BER 성능과 PAPR 감소를 모두 고려하기 위해 송신단의 Compression과 수신단의 Expanding 함수를 적응적으로 변화시킨다.
기법을 제안하였다. 기본적으로 제안된적응적 Companding 기법은 앞서 본 저자들에 의해*' 에서 제안된 Uniform Companding을 사용한다. 하지만 다양한 변조 방식에 대해 시스템의 BER 성능과 PAPR 감소 성능 모두를 고려하기 위해, 제안된기법은 Unifom Companding의 Compression 및 Expanding 함수를 적응적으로 조절한다.
본 논문에서 제안된 적응적 Companding 기법은기본적으로 [4] 에서 본 저자들에 의해 제안된 Uniform Companding을 기반으로 한다. 이 기법에대해 세부적으로 살펴보면 다음과 같다 Compression 함수 C{ .

성능/효과

이어】, 본 논문에서는 제안된 적응적 Companding 기법에 대한 대역내 및 대역외 스펙트럼 특성을 분석하고 대역외스펙트럼 전력을 감소시키기 위한 필터링 (Filtering) 방안을 도입하여 적용한 후의 BER 성능을 확인한다. Wang Companding 과 비교한 모의실험 결과, 제안된 기법은 PAPR 측면에서 효과적으로 감소시킬 수 있었으며, 필터링 후의 BER 측면에서도 대역내 및 대역외 신호 왜곡에 강인한 성능을 제공할수 있음을 확인할 수 있었다. 더욱이, 제안된 기법은 대역내 및 대역외 스펙트럼 분석 결과 Wang Companding 에 비해 인접 대역에의 간섭량이 작게나타남을 확인할 수 있었다
즉, 제안된 기법은 필터를 사용하지 않은 경우 (대역내 신호 왜곡만을 고려한 경우)에도 PAPR 감소 대비 BER 성능 열화가 Wang Companding에비해 상당히 적음을 알 수 있다. 이와 더불어, 제안된 기법은。값을 변조 방식에 따라 적절히 조절할 경우 Unifonn Companding에 비해 PAPR 감소성능이 약간 열화되지만 상당히 우수한 BER 성능을 나타내고, 특히 높은 변조 레벨에서 매우 신뢰성이 높은 BER 성능을 제공하는 것을 확인할 수 있다
그림에서 확인할 수 있듯이, 제안된 기법은 동일한 PAPR 감소를 제공하면서 인접 대역의 시스템에 간섭 영향을 고려하여 대역외 스펙트럼 전력을감소시킬 수 있는 필터를 사용한 OFDM 시스템에서 Wang Companding 에 비해 매우 우수한 BER 성능을 보장할 수 있음을 확인할 수 있다. 결국 앞서 필터링 전 BER 성능 결과와 비교하자면, 이 모의실험 결과는 필터를 사용한 경우, 즉 대역외 신호왜곡까지도 고려한 경우 제안된 기법의 PAPR 감소대비 BER 성능이 Wang Companding 에 비해 더욱우수하다는 것을 의미한다.
여기서사용된 제안된 기법의 적응 Companding 가중치 (〃=3)와 Wang Companding의 가중치 (“=16)는그림 5로부터 확인할 수 있듯이 동일한 PAPR 감소성능을 나타낼 수 있는 파라미터이다. 그림 7로부터알 수 있듯이, 대역내 PSD 측면에서 Wang Companding과는 달리 제안된 기법은 전력 상승이없을 뿐만 아니라 인접 대역 시스템에 간섭 영향을줄 수 있는 대역외 PSD 측면에서도 필터링 사용전후 모두에서 매우 낮음을 확인할 수 있다. 따라서제안된 기법은 스펙트럼 측면에서도 Wang Companding 에 비해 매우 우수한 특성을 보유하고있음을 확인할 수 있다
결국 동일한 필터를 사용하면서 같은 PAPR 감소 성능을 나타낼 수 있는파라미터로 고정한 경우, Wang Companding과 제안된 기법의 BER 성능은 그림 6에서 도시하고 있다. 그림에서 확인할 수 있듯이, 제안된 기법은 동일한 PAPR 감소를 제공하면서 인접 대역의 시스템에 간섭 영향을 고려하여 대역외 스펙트럼 전력을감소시킬 수 있는 필터를 사용한 OFDM 시스템에서 Wang Companding 에 비해 매우 우수한 BER 성능을 보장할 수 있음을 확인할 수 있다. 결국 앞서 필터링 전 BER 성능 결과와 비교하자면, 이 모의실험 결과는 필터를 사용한 경우, 즉 대역외 신호왜곡까지도 고려한 경우 제안된 기법의 PAPR 감소대비 BER 성능이 Wang Companding 에 비해 더욱우수하다는 것을 의미한다.
모의실험결과, 제안된 기법은 일반적인 Wang Companding 에 비해 상당히 우수한 PAPR 감소와 BER 성능을나타냈다. 더욱이 기존의 Uniform Companding괴는달리, 제안된 기법은 높은 변조 레벨에서도 신뢰성높은 BER 성능을 제공할 수 있다. 한편, 본 논문에서는 제안된 기법에 대한 대역내 및 대역외 스펙트럼 특성을 제시하였고 대역외 스펙트럼을 필터링하는 방안을 소개하였다.
0일 경우를 제외하고 Wang Companding에 비해 PAPR 감소 성능이 우수하다고 할수 있다. 더욱이 제안된 기법은 모든 변조 방식에서적정 Q 값을 설정할 경우 Wang Companding에 비해 우수한 BER 성능을 제공하고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 제안된 기법은 필터를 사용하지 않은 경우 (대역내 신호 왜곡만을 고려한 경우)에도 PAPR 감소 대비 BER 성능 열화가 Wang Companding에비해 상당히 적음을 알 수 있다.
Wang Companding 과 비교한 모의실험 결과, 제안된 기법은 PAPR 측면에서 효과적으로 감소시킬 수 있었으며, 필터링 후의 BER 측면에서도 대역내 및 대역외 신호 왜곡에 강인한 성능을 제공할수 있음을 확인할 수 있었다. 더욱이, 제안된 기법은 대역내 및 대역외 스펙트럼 분석 결과 Wang Companding 에 비해 인접 대역에의 간섭량이 작게나타남을 확인할 수 있었다
모의실험 결과, 제안된 기법은 Wang 에 의해 제안된 Companding 기법 (이하 “Wang Companding”)同에 비해 대역내 (In-band) 신호 왜곡에 강인한 BER 성능을 나타내고 PAPR 감소 측면에서도 매우 효과적임을 확인할 수 있다. 더욱이, 제안된 기법은 앞서 본 저자들에 의해 제안된 Uniform Companding 과는 달리 높은 변조 레벨에서도 대역내 신호 왜곡에 강인한 신뢰성이 높은 BER 성능을 제공함을 확인할 수 있다
그림 7로부터알 수 있듯이, 대역내 PSD 측면에서 Wang Companding과는 달리 제안된 기법은 전력 상승이없을 뿐만 아니라 인접 대역 시스템에 간섭 영향을줄 수 있는 대역외 PSD 측면에서도 필터링 사용전후 모두에서 매우 낮음을 확인할 수 있다. 따라서제안된 기법은 스펙트럼 측면에서도 Wang Companding 에 비해 매우 우수한 특성을 보유하고있음을 확인할 수 있다
한편, 본 논문에서는 제안된 기법에 대한 대역내 및 대역외 스펙트럼 특성을 제시하였고 대역외 스펙트럼을 필터링하는 방안을 소개하였다. 모의실험 결과, 제안된 기법은 Wang Companding에 비해 스펙트럼 즉면에서도우수한 특성을 보유하고 인접 대역의 시스템에 간섭 영향을 고려하여 필터를 사용하면서 동일한 PAPR 감소 성능을 나타낼 수 있는 파라미터로 고정한 경우에서 매우 우수한 BER 성능을 제공할 수있음을 확인하였다.
하지만 기존의 Uniform Companding 기법과는 달리, 제안된 기법은 시스템의 변조 레벨에 따라 BER 성능과 PAPR 감소를 모두 고려하기 위해 송신단의 Compression과 수신단의 Expanding 함수를 적응적으로 변화시킨다. 모의실험 결과, 제안된 기법은 Wang 에 의해 제안된 Companding 기법 (이하 “Wang Companding”)同에 비해 대역내 (In-band) 신호 왜곡에 강인한 BER 성능을 나타내고 PAPR 감소 측면에서도 매우 효과적임을 확인할 수 있다. 더욱이, 제안된 기법은 앞서 본 저자들에 의해 제안된 Uniform Companding 과는 달리 높은 변조 레벨에서도 대역내 신호 왜곡에 강인한 신뢰성이 높은 BER 성능을 제공함을 확인할 수 있다
하지만 다양한 변조 방식에 대해 시스템의 BER 성능과 PAPR 감소 성능 모두를 고려하기 위해, 제안된기법은 Unifom Companding의 Compression 및 Expanding 함수를 적응적으로 조절한다. 모의실험결과, 제안된 기법은 일반적인 Wang Companding 에 비해 상당히 우수한 PAPR 감소와 BER 성능을나타냈다. 더욱이 기존의 Uniform Companding괴는달리, 제안된 기법은 높은 변조 레벨에서도 신뢰성높은 BER 성능을 제공할 수 있다.
더욱이 제안된 기법은 모든 변조 방식에서적정 Q 값을 설정할 경우 Wang Companding에 비해 우수한 BER 성능을 제공하고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 제안된 기법은 필터를 사용하지 않은 경우 (대역내 신호 왜곡만을 고려한 경우)에도 PAPR 감소 대비 BER 성능 열화가 Wang Companding에비해 상당히 적음을 알 수 있다. 이와 더불어, 제안된 기법은。값을 변조 방식에 따라 적절히 조절할 경우 Unifonn Companding에 비해 PAPR 감소성능이 약간 열화되지만 상당히 우수한 BER 성능을 나타내고, 특히 높은 변조 레벨에서 매우 신뢰성이 높은 BER 성능을 제공하는 것을 확인할 수 있다

후속연구

신호를 의미한다. 그림에서 알 수 있듯이제안된 기법은 Compression 함수와 Expanding 함수를 변조 방식에 따라 적응적인 조절이 가능하므로 각각의 변조 방식에서 최적인 BER 성능과 PAPR 감소 모두를 제공할 수 있을 것으로 기대할수 있다. 한편 Jiang과 Zhu에 의해 소개된 또 다른 Companding 기법"과 비교해보면, 제안된 기법은 Companding 알고리즘의 특성상 나타나는 유사한접근 방식을 보유하고 있기는 하지만 Compression 함수에서의 파라미터 조절 방법과 Expanding 함수의 형태가 다르다.

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