3GPP LTE 시스템에서는 상향링크로 PAPR 효율이 좋은 SC-FDMA를 채택, 표준을 진행해왔다. 하지만, SC-FDMA는 주파수 영역에서 심한 왜곡이 생길 경우 OFDMA보다 성능이 저하된다는 단점이 있다. LTE에서 LTE-Advanced로 개량되면서 이를 보완하기 위해 셀 중심지역에서는 OFDMA를 사용하고, 셀 경계지역에서는 PAPR 효율이 좋은 SC-FDMA를 사용하자는 제안이 나왔다. 본 논문에서는 상향링크에서 Hybrid OFDMA/SC-FDMA를 기반으로 릴레이를 이용했을 경우의 성능을 측정하고 릴레이와 이동국의 위치에 따라 성능을 최대로 할 수 있는 전송방식을 제안한다. 주어진 시뮬레이션 환경에서 이동국과 릴레이 위치에 따라 선택되는 전송방식의 BLER 성능 및 송신전력을 비교하였고, 릴레이의 위치에 따라 적절한 전송 방식을 선택했을 때 성능이 최대가 되는 것을 확인하였다.
3GPP LTE 시스템에서는 상향링크로 PAPR 효율이 좋은 SC-FDMA를 채택, 표준을 진행해왔다. 하지만, SC-FDMA는 주파수 영역에서 심한 왜곡이 생길 경우 OFDMA보다 성능이 저하된다는 단점이 있다. LTE에서 LTE-Advanced로 개량되면서 이를 보완하기 위해 셀 중심지역에서는 OFDMA를 사용하고, 셀 경계지역에서는 PAPR 효율이 좋은 SC-FDMA를 사용하자는 제안이 나왔다. 본 논문에서는 상향링크에서 Hybrid OFDMA/SC-FDMA를 기반으로 릴레이를 이용했을 경우의 성능을 측정하고 릴레이와 이동국의 위치에 따라 성능을 최대로 할 수 있는 전송방식을 제안한다. 주어진 시뮬레이션 환경에서 이동국과 릴레이 위치에 따라 선택되는 전송방식의 BLER 성능 및 송신전력을 비교하였고, 릴레이의 위치에 따라 적절한 전송 방식을 선택했을 때 성능이 최대가 되는 것을 확인하였다.
In the 3GPP LTE systems, SC-FDMA is adopted for the uplink owing to its good PAPR efficiency. In the frequency domain, however, the performance of SC-FDMA is degraded due to frequency selective fading. As a compromise, a Hybrid OFDMA/SC-FDMA was proposed in the LTE-Advanced systems. Hybrid scheme us...
In the 3GPP LTE systems, SC-FDMA is adopted for the uplink owing to its good PAPR efficiency. In the frequency domain, however, the performance of SC-FDMA is degraded due to frequency selective fading. As a compromise, a Hybrid OFDMA/SC-FDMA was proposed in the LTE-Advanced systems. Hybrid scheme uses SC-FDMA in the edge of cell area, while it uses OFDMA nearby the base-station. In this paper, uplink relays based on hybrid scheme is proposed to increase the performance of the 3GPP LTE systems. With different positions of mobile and relay, the proposed scheme can adaptively select SC-FDMA or OFDMA to improve the link performance. Our simulation results show that the proposed scheme achieves a better performance in terms of end-to-end BER and power consumption.
In the 3GPP LTE systems, SC-FDMA is adopted for the uplink owing to its good PAPR efficiency. In the frequency domain, however, the performance of SC-FDMA is degraded due to frequency selective fading. As a compromise, a Hybrid OFDMA/SC-FDMA was proposed in the LTE-Advanced systems. Hybrid scheme uses SC-FDMA in the edge of cell area, while it uses OFDMA nearby the base-station. In this paper, uplink relays based on hybrid scheme is proposed to increase the performance of the 3GPP LTE systems. With different positions of mobile and relay, the proposed scheme can adaptively select SC-FDMA or OFDMA to improve the link performance. Our simulation results show that the proposed scheme achieves a better performance in terms of end-to-end BER and power consumption.
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문제 정의
본 논문에서는 Hybrid OFDMA/SC-FDMA와 다중 홉 릴레이 기술의 결합 된 형태를 사용함으로써 데이터 전송률과 커버리지를 증대시키고자 하는 것이다. 이때, 이동국과 릴레이, 그리고 기지국의 위치에 따라 선택되는 전송 방식에 따른 BLER 성능 및 전력 소모 정도를 관찰한다.
본 논문에서는 LTE 시스템의 성능 향상을 위해 릴레이와 Hybrid OFDMA/SC-FDMA의 결합된 방식을 제안하였다. 제안된 방식을 LTE 시스템에 적용하여 분석한 결과, 이동국과 릴레이의 위치에 따라 OFDM과 SC-FDMA를 선택적으로 사용할 때 최적의 전송 방식을 선택할 수 있었다.
본 논문에서는 SC-FDMA의 PAPR 이득과 OFDMA와 SC-FDMA의 성능차이를 보완하는 Hybrid OFDMA/SC-FDMA 방식과 IEEE 802.16j에서 이미 표준화가 진행되었고 많은 기업체에서 선호하고 있는 기술인 릴레이의 결합된 형태를 제안한다. 이동국과 릴레이의 위치에 따라 OFDMA과 SCFDMA 전송 방식 중 적절한 전송 방식을 선택함으로써 에러 성능을 향상시킬 수 있다.
가설 설정
본 논문에서는 이동국과 릴레이의 위치에 따라 pathloss가 적용되고 OFDM에 bakcoff값을 적용함으로써 기지국과 릴레이에서 수신 Eb/No가 달라지는 환경에서 시뮬레이션을 수행하였다. 기지국과 릴레이에서 수신되는 신호의 Eb/No 값을 측정하여 이동국과 릴레이에서의 적절한 전송 방식을 선택한다고 가정하였다. 이 때 OFDM의 backoff값과 Pathloss를 고려한 Eb/No값이 가장 큰 릴레이를 선택한다는 가정에서 시뮬레이션을 수행하였고, 수신된 Eb/No값을 추정하여 OFDM과 SC-FDMA의 성능이 교차되는 특정 Eb/No을 기준으로 추정된 Eb/No값이 더 작으면 SC-FDMA를 사용하고, 크면 OFDM을 적용하도록 한다는 가정이다.
본 논문에서 릴레이는 이동형(Mobile)으로, 데이터 전달 방식은 DF(Decode-and-Forward) 방식으로 릴레이에서 수신 신호를 비트 단위까지 디코딩 (decoding)하고, 이를 다시 변조(modulation)하여 재전송하였다. 동작 모드는 IEEE 802.16j에 정의되어 있는 non-transparent 모드를 가정한다.[6] non-transparent 모드에서 기지국과 릴레이는 동일한 시점에 제어정보를 이동국으로 전송함으로써 이동국이 기지국 또는 릴레이와 동기 및 프레임 구성 정보를 획득할 수 있다.
본 논문에서 제안하는 방법에서는 모든 이동국이 SC-FDMA와 OFDMA 모두 송수신이 가능하고, 릴레이 프로토콜은 표1 사용을 가정한다.
기지국과 릴레이에서 수신되는 신호의 Eb/No 값을 측정하여 이동국과 릴레이에서의 적절한 전송 방식을 선택한다고 가정하였다. 이 때 OFDM의 backoff값과 Pathloss를 고려한 Eb/No값이 가장 큰 릴레이를 선택한다는 가정에서 시뮬레이션을 수행하였고, 수신된 Eb/No값을 추정하여 OFDM과 SC-FDMA의 성능이 교차되는 특정 Eb/No을 기준으로 추정된 Eb/No값이 더 작으면 SC-FDMA를 사용하고, 크면 OFDM을 적용하도록 한다는 가정이다.
제안 방법
LTE-Advanced의 후보기술로 각 회사가 제안한 기술들에는 새로운 기지국의 추가와 backhaul 의 증설 없이 음역지역, 셀 경계에 릴레이를 설치하여 셀 커버리지를 확장하고 throughput을 높이기 위한 다중 홉 릴레이(Multi-hop relay), 조각난 작은 대역을 효율적으로 사용하기 위해 제안된 기술인 스펙트럼 집성(Spectrm aggregation), 하향링크의 최대 데이터 전송률 및 throughput 증대를 위한 하향링크 MIMO, 상향링크 커버리지 확대, 최대 데이터 전송률 및 throughput 증대를 위해 최소 두 개의 전송 안테나를 갖는 상향링크 단일 사용자 MIMO, 그리고 상향링크 데이터 채널에 대해 throughput 증대를 위해 OFDMA을 도입하는 상향링크 Hybrid OFDMA /SC-FDMA 등이 있다.
본 논문에서 릴레이는 이동형(Mobile)으로, 데이터 전달 방식은 DF(Decode-and-Forward) 방식으로 릴레이에서 수신 신호를 비트 단위까지 디코딩 (decoding)하고, 이를 다시 변조(modulation)하여 재전송하였다. 동작 모드는 IEEE 802.
본 논문에서는 OFDM의 clipping 전력값의 변화에 따른 BER 시뮬레이션 결과를 통해 backoff값을 결정하였다.
본 논문에서는 이동국과 릴레이의 위치에 따라 pathloss가 적용되고 OFDM에 bakcoff값을 적용함으로써 기지국과 릴레이에서 수신 Eb/No가 달라지는 환경에서 시뮬레이션을 수행하였다. 기지국과 릴레이에서 수신되는 신호의 Eb/No 값을 측정하여 이동국과 릴레이에서의 적절한 전송 방식을 선택한다고 가정하였다.
제안하고 있는 방법의 기본적인 구조인 Hybrid OFDMA/SC-FDMA 성능 비교에서는 OFDM과 SC-FDMA의 전력 효율에 따른 성능 차이가 중요한 요소 중 하나이다. 본 논문의 시뮬레이션에서는 OFDM 신호를 전송할 때 backoff을 고려하도록 한다.
subcarrier mapping 방식으로는 Localized mapping을 사용하였다. 이동국-릴레이 간 링크와 릴레이-기지국 간 링크에서 SC-FDMA를 사용하는 지, OFDMA를 사용하는 지에 따른 4 가지 경우의 시뮬레이션에서 기본적으로 모든 이동국과 릴레이는 표 2의 전송 전력을 사용하였고 OFDM을 사용할 경우 backoff는 6dB로 하였다. Phase2에서 릴레이는 이동국의 데이터를 bit단위까지 디코딩 후 이동국과 같은 전력인 27dBm으로 기지국에 재전송한다.
본 논문에서는 Hybrid OFDMA/SC-FDMA와 다중 홉 릴레이 기술의 결합 된 형태를 사용함으로써 데이터 전송률과 커버리지를 증대시키고자 하는 것이다. 이때, 이동국과 릴레이, 그리고 기지국의 위치에 따라 선택되는 전송 방식에 따른 BLER 성능 및 전력 소모 정도를 관찰한다.
제안한 방식은 이동국과 릴레이 간의 거리에 따라 OFDMA 또는 SC-FDMA를 선택하고 릴레이와 기지국 간의 거리에 따라 다시 OFDMA 또는 SC-FDMA를 선택하는 방식이다. 제안된 방식은 4가지 형식의 시스템 모델이 나올 수 있다.
Phase2에서는 릴레이가 기지국(BS)에 UE의 데이터를 재전송한다. 제안하는 방식은 UE와 릴레이, 그리고 BS의 위치에 따라서 SC-FDMA또는 OFDMA 중 적절히 선택하여 데이터를 전송한다.
Phase2에서 R은 UE의 데이터를 재전송한다. 제안한 방식은 UE과 R의 위치에 따라서 적절한 전송방식을 사용해야 한다는 것인데, 거리가 가까운 경우에는 SC-FDMA보다 BLER 성능이 뛰어난 OFDMA를 사용하고, 거리가 먼 경우에는 PAPR 이득이 큰 SC-FDMA를 사용해야 한다는 것이다.[3],[4] 이동국과 릴레이가 OFDMA와 SC-FDMA를 선택적으로 사용했을 때 동일한 거리에서 BER 성능이 최대가 될 수 있다는 것이다.
제안한 방식은 이동국과 릴레이 간의 거리에 따라 OFDMA 또는 SC-FDMA를 선택하고 릴레이와 기지국 간의 거리에 따라 다시 OFDMA 또는 SC-FDMA를 선택하는 방식이다. 제안된 방식은 4가지 형식의 시스템 모델이 나올 수 있다.
이론/모형
SC-FDMA 송신단에서 FFT 후 Spreading Factor(Q)는 4로 하였다. subcarrier mapping 방식으로는 Localized mapping을 사용하였다. 이동국-릴레이 간 링크와 릴레이-기지국 간 링크에서 SC-FDMA를 사용하는 지, OFDMA를 사용하는 지에 따른 4 가지 경우의 시뮬레이션에서 기본적으로 모든 이동국과 릴레이는 표 2의 전송 전력을 사용하였고 OFDM을 사용할 경우 backoff는 6dB로 하였다.
본 논문에서는 hybrid방식을 이용하기 위해 DF 방식의 릴레이를 고려하였다. 따라서, 단대단 BLER 성능은 이동국-릴레이 간 링크와 릴레이-이동국 간 링크 중 더 나쁜 성능을 갖는 링크에 의해 좌우된다.
하지만 OFDM 방식은 기본적으로 다중 반송파를 사용하므로 최대 전력 대 평균 전력의 비 (PAPR: Peak to Average Power Ratio)가 상대적으로 크다는 단점을 가지고 있다. 상향링크 LTE 시스템에서는 전력 효율이 중요한 이동국에서 OFDM의 PAPR이 크다는 단점을 보완하기 위해 SC-FDMA를 사용한다.[2]
성능/효과
결과 그래프는 거리에 따른 SC-FDMA와 OFDM의 BLER 성능 비교로 기지국의 위치를 0이라하고, 가로축의 거리(Distance)는 이동국과 기지국과의 거리를 의미한다. channel model은 Ped B와 5, 6 dB의 backoff값을 적용하여 시뮬레이션 했으며, backoff값이 6dB일 때는 약 170m 이후에 SC-FDMA의 성능이 OFDM보다 좋은 것을 볼 수 있고, backoff값이 5dB일 때는 그보다 먼 약 200m정도에서 OFDM과 SC-FDMA 성능의 교차점이 생기는 것을 볼 수 있다. OFDM의 backoff값과 channel model에 따라 약간의 차이는 있을 수 있지만, 이동국과 릴레이의 위치에 따라 어떤 전송 방식을 사용하느냐에 따라서 성능에 차이가 있을 수 있다는 것을 보여준다.
이동국, 릴레이, 기지국 간의 거리가 큰 경우 SC-FDMA를 이용하는 것이 적절한 반면, 거리가 작은 경우는 OFDMA를 사용하는 것이 더 작은 Eb/No 값으로 같은 BLER 성능을 획득할 수 있다는 것을 그림 7에서 알 수 있다. 따라서, 동일한 단대단 BLER 성능 조건 하에서, 제안된 hybrid 방식은 이동국이나 릴레이에서의 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
따라서, 상기 시뮬레이션 결과로부터 릴레이의 위치에 따라 SC-FDMA와 OFDMA를 적절히 사용함으로써 BLER 성능을 향상시킬 수 있으며, 동일한 단대단 BLER 성능을 얻고자 하는 경우에는 단말 또는 릴레이에서 상당한 전력 소모 감소 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
반면에 175~300m 사이에서는 이동국-릴레이 간 링크에 OFDMA, 릴레이-기지국 간 링크에 SCFDMA를 사용하는 방식이 가장 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있다. 따라서, 이동국-릴레이 간 링크의 거리, 릴레이-기지국 간 링크의 거리에 따라 SC-FDMA와 OFDMA를 선택적으로 적용함으로써 최적의 성능을 얻을 수 있다.
그림 9는 이동국(UE)이 기지국으로부터 300m 떨어진 곳에 위치해 있고 릴레이의 위치에 따라 네 가지 전송 방식의 BLER 성능을 보여준다. 릴레이가 중간 지점인 150m 근처에 위치해 있을 때 이동국, 릴레이 모두 OFDM을 사용하는 경우가 BLER 성능이 가장 좋은 것을 확인할 수 있다. 하지만, 나머지 영역에서는 릴레이가 기지국 또는 이동국과 멀어지기 때문에 선택적 전송 방식을 사용하는 경우가 BLER 성능이 가장 좋은 것을 관찰할 수 있다.
반면에 175~300m 사이에서는 이동국-릴레이 간 링크에 OFDMA, 릴레이-기지국 간 링크에 SCFDMA를 사용하는 방식이 가장 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있다. 따라서, 이동국-릴레이 간 링크의 거리, 릴레이-기지국 간 링크의 거리에 따라 SC-FDMA와 OFDMA를 선택적으로 적용함으로써 최적의 성능을 얻을 수 있다.
그림 6은 고정된 Eb/No (비트당 에너지를 잡음 전력 밀도로 나눈값) 값을 이용하여 OFDM의 이상적인 BER/BLER을 구한 결과와 식(1)을 이용하여 계산된 clipping 전력값의 변화에 따른 결과를 비교한 것이다. 이때, 시뮬레이션은 표 2에 제시된 값을 이용하였으며, backoff값 약 6 dB에서 이상적인 OFDM 성능과 거의 비슷한 성능을 유지할 수 있다는 것을 볼 수 있다.
본 논문에서는 LTE 시스템의 성능 향상을 위해 릴레이와 Hybrid OFDMA/SC-FDMA의 결합된 방식을 제안하였다. 제안된 방식을 LTE 시스템에 적용하여 분석한 결과, 이동국과 릴레이의 위치에 따라 OFDM과 SC-FDMA를 선택적으로 사용할 때 최적의 전송 방식을 선택할 수 있었다. 상향링크 LTE 시스템에서 논의되고 있는 SC-FDMA의 성능 문제를 고려할 때 상향링크 LTE 시스템의 성능 개선을 위한 주요한 연구 방향으로 대두될 것으로 판단된다.
후속연구
제안된 방식을 LTE 시스템에 적용하여 분석한 결과, 이동국과 릴레이의 위치에 따라 OFDM과 SC-FDMA를 선택적으로 사용할 때 최적의 전송 방식을 선택할 수 있었다. 상향링크 LTE 시스템에서 논의되고 있는 SC-FDMA의 성능 문제를 고려할 때 상향링크 LTE 시스템의 성능 개선을 위한 주요한 연구 방향으로 대두될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Hybrid OFDMA/SC-FDMA란?
Hybrid OFDMA/SC-FDMA는 이동국이 기지국과 가까운 셀 중심지역에 위치한 경우 OFDMA를 사용하고, 셀 경계지역에 위치한 경우 PAPR 효율이 좋은 SC-FDMA를 사용하는 기술이다.
OFDM 방식의 단점은?
하향링크 LTE 시스템에서 사용되는 OFDM 방식은 고속의 데이터 전송 및 다중 경로에 적합한 방식이다. 하지만 OFDM 방식은 기본적으로 다중 반송파를 사용하므로 최대 전력 대 평균 전력의 비 (PAPR: Peak to Average Power Ratio)가 상대적으로 크다는 단점을 가지고 있다. 상향링크 LTE 시스템에서는 전력 효율이 중요한 이동국에서 OFDM의 PAPR이 크다는 단점을 보완하기 위해 SC-FDMA를 사용한다.
SC-FDMA는 하나의 반송파를 이용하여 데이터를 전송하는 특성상 OFDM보다 PAPR이 낮은 장점을 갖는데 이러한 특성은 무엇을 높여주는가?
SC-FDMA는 하나의 반송파를 이용하여 데이터를 전송하는 특성상 OFDM보다 PAPR이 낮은 장점을 갖는다. 이러한 특성은 이동국에게 중요한 요소인 전력 효율을 높여준다. 하지만, SCFDMA는 주파수영역에서 채널에 의해 신호가 심각하게 왜곡 될 경우 주파수영역 등화기를 사용 한후 IDFT를 거치면서 심각하게 왜곡된 부분의 영향이 스프레딩(Spreading)되면서 데이터 전송률이 떨어지는 것을 확인하였다.
참고문헌 (7)
노태균, 고영조, 이경석, 안재영, 김영진, '3GPP LTE 및 LTE-Advanced 표준화 동향', 전자통신 동향분석, 제23권 제3호, 2008년 6월
Hyung G. Myung, Junsung Lim, and David J. Goodman, 'Single Carrier FDMA for Uplink Wireless Transmission', IEEE Vehicular Technology Magazine, Vol.1, No.3, Sep., 2006, pp.30-38
Jianhua Zhang, Chen Huang, Guangyi Liu, Ping Zhang, 'Comparison of the Link Level performance between OFDMA and SCFDMA', IEEE CNF, 25-27 Oct., 2006, Page 1-6
3GPP TR R1-080037, 'Future 3GPP Radio Technologies for IMT-Advanced', IMTAdvanced Workshop, 7-8 April., 2008
B.J. Dixon, R.D. Pollard, S. Iezekiel, 'A discussion of the effects of amplifier back-off on OFDM', 1999 High Frequency Postgraduate Student Colloquium, 17 september, 1999, University of Leeds
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