최근 모바일 시스템은 하나의 단말로 다양한 서비스망에서의 운용을 위한 Multi-core 시스템 형태로 연구되고 있다. 따라서 하나의 단말로 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), MC-CDMA(Multi Carrier-Code Division Multiple Access), CDMA(Code Division Multiple Access), WiBro(Wireless Broadband)를 지원할 수 있는 모바일 시스템들이 출현할 것으로 예상된다. 다양한 서비스망을 지원하기 위한 모바일 시스템은 SoC(System one Chip) 기술과 더불어 하나의 칩셋으로 구현이 가능하며 그에 따른 모뎀 구조가 필요하다. 4세대 이동통신 서비스를 위한 시스템은 고속데이터 전송을 필요로 하므로 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식은 필수적으로 적용 되어야 한다. 그런데, OFDM 신호는 독립적으로 변조된 많은 부반송파들로 구성되므로 이들이 동 위상으로 더해질 때 신호의 진폭이 증가하여 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)문제가 발생한다. 본 논문에서는 4세대 이동통신 서비스를 위한 모뎀 구조를 제안하고 PAPR 문제를 해결하기 위한 PAPR 감소 기법을 제안한다.
최근 모바일 시스템은 하나의 단말로 다양한 서비스망에서의 운용을 위한 Multi-core 시스템 형태로 연구되고 있다. 따라서 하나의 단말로 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), MC-CDMA(Multi Carrier-Code Division Multiple Access), CDMA(Code Division Multiple Access), WiBro(Wireless Broadband)를 지원할 수 있는 모바일 시스템들이 출현할 것으로 예상된다. 다양한 서비스망을 지원하기 위한 모바일 시스템은 SoC(System one Chip) 기술과 더불어 하나의 칩셋으로 구현이 가능하며 그에 따른 모뎀 구조가 필요하다. 4세대 이동통신 서비스를 위한 시스템은 고속데이터 전송을 필요로 하므로 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식은 필수적으로 적용 되어야 한다. 그런데, OFDM 신호는 독립적으로 변조된 많은 부반송파들로 구성되므로 이들이 동 위상으로 더해질 때 신호의 진폭이 증가하여 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)문제가 발생한다. 본 논문에서는 4세대 이동통신 서비스를 위한 모뎀 구조를 제안하고 PAPR 문제를 해결하기 위한 PAPR 감소 기법을 제안한다.
Recently, a multi-core system is studied for single terminal's operations on various service networks for mobile systems. Therefore, it is expected that mobile systems capable of supporting WCDMA, MC-CDMA, CDMA and WiBro would be developed. Mobile systems for supporting various service networks is a...
Recently, a multi-core system is studied for single terminal's operations on various service networks for mobile systems. Therefore, it is expected that mobile systems capable of supporting WCDMA, MC-CDMA, CDMA and WiBro would be developed. Mobile systems for supporting various service networks is able to be implemented on a single chipset via SoC(System one Chip) technology, thus a noble modem design proper for SoC technology is necessary. For high speed data transmission of 4G mobile communication services, OFDM scheme has to be applied. But, an OFDM signal consists of a number of independently modulated subcarriers, and superposition of these subcarriers cause a problem that can give a large PAPR. In this paper, a noble modem design for 4G mobile communication services and PAPR reduction method for solving the PAPR problem are proposed.
Recently, a multi-core system is studied for single terminal's operations on various service networks for mobile systems. Therefore, it is expected that mobile systems capable of supporting WCDMA, MC-CDMA, CDMA and WiBro would be developed. Mobile systems for supporting various service networks is able to be implemented on a single chipset via SoC(System one Chip) technology, thus a noble modem design proper for SoC technology is necessary. For high speed data transmission of 4G mobile communication services, OFDM scheme has to be applied. But, an OFDM signal consists of a number of independently modulated subcarriers, and superposition of these subcarriers cause a problem that can give a large PAPR. In this paper, a noble modem design for 4G mobile communication services and PAPR reduction method for solving the PAPR problem are proposed.
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문제 정의
본 논문에서는 4세대 이동통신 서비스를 위한 모뎀 구조를 제안하였고, 멀티미디어 서비스 제공을 위한 대용량 데이터 전송을 위해 사용되는 IFFT 로 인해 발생되는 PAPR 문제를 해결하기위해 iterative method 를 제안하였다. 하나의 모뎀으로 WiBro 서비스를 비롯하여 MC-CDMA, WCDMA 등 다양한 멀티미디어 서비스를 지원하기 위해서는 IFFT의 사용이 필수 요소이며, 그에 따른 PAPR 문제는 해결해야 할 과제 중 하나이다.
본 논문에서는 4세대 이동통신서비스를 위한 모뎀구조를 제안하고 멀티미디어 서비스를 위해 사용되는 IFFT 에 의해 발생되는 PAPR 문제를 반복구조의 clipping 과 filtering 기법을 기반으로 한 iterative method[9] 를 적용함으로써 보다 효율적으로 첨두값의 재생성을 감소시키는 기법을 제안한다. filtering 이후의 첨두값 재생성을 최소한의 반복횟수로 보다 빠르게 임계 치 까지 감소시킬 수 있으므로 시스템의 복잡도를 줄일 수 있다.
본 논문에서는 반복 구조의 clipping 과 filtering 기법을 기반으로 하는 iterative method를 적용함으로서 첨두값의 재생성을 보다 효율적으로 감소시킬 수 있는 구조를 제안하였다.
또한 대용량 멀티미디어 서비스 수요가 급증할 것을예상하여 MC-CDMA와 WCDMA 서비스도 통합하려는 연구가 다방면에서 진행 중 이다[2]. 본 논문에서는 하나의 단말로 CDMA 와 WiBro, WCDMA, MC-CDMA 서비스를 동시에 지원할 수 있는 단말기 구조를 제안하며, 대용량 서비스를 위한 OFDM 방식의 사용에 따른 문제점인 PAPR을 해결하기 위한 알고리즘을 제안한다. 제안하는 단말의 구조는 확산코드와 왈쉬 코드를 사용하는 주파수 확산 방식의 기술과 IFFT를 이용하는 OFDM 기술이 하나의 단말로 통합되며, IFFT 를 사용하며 발생되는 PAPR 문제를 해결하기위한 방법을 제안한다.
제안 방법
제안하는 모뎀 구조 중 IFFT 를 사용하는 OFDM 시스템과 MC-CDMA 시스템 전송방식을 사용하였고, 변조 방식으로 QPSK를 적용하였으며 전체 부반송파의 수를 N=256 으로 하였다. IFFT 를 수행한 후의 신호는 MC-CDMA와 OFDM방식에 관계없이 OFDM 심볼로 정의하였으며, 다수의 부반송파의 중첩에 의해 평균 파워가 일정하지 않은 PAPR을 감소시키기 위한 제한 레벨은 절대적일 수 없으므로 clipping 이후의 PAPR 값과 첨두값 재생성 감소 정도를 확인하기 위해 CCDF 를 분석하였다.
F는 filtering 수행자, λ는 첨두값 감소의 정도를 결정하는 가중치(relaxation parameter), Xn,k는 n번 반복법에 맞추어 clipping 및 filtering을 수행하여 이전 출력 신호와 가감산된 신호, Xn-1,k 는 n-1번 반복법에 맞추어 clipping 및 filtering된 이전 출력신호와 가감산된 신호를 나타낸다. 본 논문에서는 가중치를 1 로 하였고 가중치가 1 보다 클 경우 첨두값 감소는 더욱 크지만 BER 성능이 떨어지게 되므로 첨두값의 크기를 적절하게 선정해야 한다. C 는 신호의 크기가 일정 레벨 이상을 초과할 때 신호를 왜곡시켜 PAPR을 감소시키며 다음과 같다.
본 논문에서는 하나의 단말로 CDMA 와 WiBro, WCDMA, MC-CDMA 서비스를 동시에 지원할 수 있는 단말기 구조를 제안하며, 대용량 서비스를 위한 OFDM 방식의 사용에 따른 문제점인 PAPR을 해결하기 위한 알고리즘을 제안한다. 제안하는 단말의 구조는 확산코드와 왈쉬 코드를 사용하는 주파수 확산 방식의 기술과 IFFT를 이용하는 OFDM 기술이 하나의 단말로 통합되며, IFFT 를 사용하며 발생되는 PAPR 문제를 해결하기위한 방법을 제안한다.
본 논문에서 제안하는 4세대 이동통신 서비스 지원을 위한 모뎀 구조와 PAPR 감소를 위한 iterative method 의 성능을 분석하기 위한 시뮬레이션 조건은 다음과 같다. 제안하는 모뎀 구조 중 IFFT 를 사용하는 OFDM 시스템과 MC-CDMA 시스템 전송방식을 사용하였고, 변조 방식으로 QPSK를 적용하였으며 전체 부반송파의 수를 N=256 으로 하였다. IFFT 를 수행한 후의 신호는 MC-CDMA와 OFDM방식에 관계없이 OFDM 심볼로 정의하였으며, 다수의 부반송파의 중첩에 의해 평균 파워가 일정하지 않은 PAPR을 감소시키기 위한 제한 레벨은 절대적일 수 없으므로 clipping 이후의 PAPR 값과 첨두값 재생성 감소 정도를 확인하기 위해 CCDF 를 분석하였다.
선택된 시스템이 OFDM 방식일 경우 입력된 신호는 S/P 과 IFFT, P/S를 거치고 보호구간 삽입과 windowing 과정을 거친 후 PAPR 감소기법이 적용되어 전송된다. 제안하는 시스템은 IFFT를 사용하는 OFDM, MC-CDMA 방식과 확산 코드를 이용하는 CDMA, WCDMA 시스템을 모두 사용할 수 있도록 제안하기 위해 SDS 블록이 삽입되며 SDS 블록은 시스템이 사용하고자 하는 변조방식과 주파수 대역에 해당하는 정보를 제공하고, 제공되는 정보에 따라 시스템 내의 PN 코드 블록과 Wlash 코드 블록 그리고 up converter 를 위한 오실레이터 블록이 동작한다.
성능/효과
반복 구조의 clipping 과 filtering 기법은 반복 횟수가 증가할수록 첨두값 재생성이 줄어드는 것을 확인할 수 있고, clipping level 이 낮을수록 첨두값의 재생성 정도가 더욱 큰 것을 알 수 있다. Iterative method를 적용하여 clipping 과 filtering 을 3번 수행한 경우(n=3)에 PAPR을 보면 반복적으로 clipping 과 filtering을 6번 수행하였을 때 보다 첨두값의 재생성 감소가 큰 것을 알 수 있으며, 적은 반복 연산으로 효율적으로 첨두값 재생성을 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 그림 5는 iterative method를 적용하였을 때의 대역외 스펙트럼 방출 크기를 알아보기 위해 PAPR 6.
Iterative method를 통해 적은 반복 횟수를 이용하여 첨두값 생성을 줄일 수 있었고, BER을 통하여 대역 내 왜곡에 대하여 살펴본 결과 clipping 과 filtering을 6번 반복한 경우 보다 iterative method 를 3번 반복하였을 때 0.2 dB 정도의 성능이 향상된 것을 알 수 있었다. 따라서 적은 반복횟수로 CCDF와 BER성능 모두 우수하다는 것을 알 수 있었고, 제안한 모뎀 구조에 iterative medod 를 적용함으로써 안정적인 시스템 운용이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
2 dB 정도 성능이 좋아지는 것을 확인할 수 있다. 결과 적으로 CCDF 와 비교하여 PAPR 감소 측면에서도 0.18 dB 가량 성능이 좋아지므로 효율적으로 시스템을 운용할 수 있다.
하나의 모뎀으로 WiBro 서비스를 비롯하여 MC-CDMA, WCDMA 등 다양한 멀티미디어 서비스를 지원하기 위해서는 IFFT의 사용이 필수 요소이며, 그에 따른 PAPR 문제는 해결해야 할 과제 중 하나이다. 따라서 PAPR 문제를 해결하기위해 제안한 iterative method를 제안하는 모뎀 구조에 적용하였을 경우 clipping 과 filtering 을 6번 반복 하면 6.56 dB 의 PAPR을 얻을 수 있는 반면 iterative method 는 3번의 반복으로 6.38 dB의 PAPR을 얻을 수 있었다.
2 dB 정도의 성능이 향상된 것을 알 수 있었다. 따라서 적은 반복횟수로 CCDF와 BER성능 모두 우수하다는 것을 알 수 있었고, 제안한 모뎀 구조에 iterative medod 를 적용함으로써 안정적인 시스템 운용이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
반복 구조의 clipping 과 filtering 기법은 반복 횟수가 증가할수록 첨두값 재생성이 줄어드는 것을 확인할 수 있고, clipping level 이 낮을수록 첨두값의 재생성 정도가 더욱 큰 것을 알 수 있다. Iterative method를 적용하여 clipping 과 filtering 을 3번 수행한 경우(n=3)에 PAPR을 보면 반복적으로 clipping 과 filtering을 6번 수행하였을 때 보다 첨두값의 재생성 감소가 큰 것을 알 수 있으며, 적은 반복 연산으로 효율적으로 첨두값 재생성을 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
9 dB 가량 재생성 된 것을 확인할 수 있다. 반복구조의 clipping 과 filtering 을 수행한 d, e, f 를 비교하면 반복 횟수가 증가할수록 첨두값의 재생성이 줄어드는 것을 확인할 수 있지만, 원하는 제한레벨 만큼 감소하기에는 한계가 있으며 반복횟수가 증가 할수록 PAPR 감소 정도가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이를 개선하기 위해 iterative method 를 적용한 신호 X3, k의 CCDF 인 c와 비교하면 0.
반복구조의 clipping 과 filtering 을 수행한 d, e, f 를 비교하면 반복 횟수가 증가할수록 첨두값의 재생성이 줄어드는 것을 확인할 수 있지만, 원하는 제한레벨 만큼 감소하기에는 한계가 있으며 반복횟수가 증가 할수록 PAPR 감소 정도가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이를 개선하기 위해 iterative method 를 적용한 신호 X3, k의 CCDF 인 c와 비교하면 0.1 dB만큼 차이가 있고, X4, k의 CCDF인 b와 d를 비교하면 0.4 dB 가량 차이가 나는 것을 확인함으로써 반복 횟수를 줄이면서 효율적으로 첨두값 재생성을 제한할 수 있음을 알 수 있다.
하지만 filtering 과정에서 신호의 첨두값이 재생성 되어 여전히 PAPR 문제가 존재한다. 이를 해결하기 위해 반복적으로 clipping 과 filtering 과정을 수행하는 기법이 제안되었지만 반복 횟수가 증가 할수록 첨두값 감소 정도가 크게 줄어들고 시스템 복잡도가 증가하여 효율성이 떨어진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
clipping 기법의 단점은?
이 기법은 신호의 위상은 변화시키지 않고 일정 레벨을 넘어가는 신호의 크기만을 제한하여 간단하게 PAPR 을 감소시킬 수 있다. 하지만 원 신호를 강제로 왜곡시키기 때문에 대역내 왜곡이 발생하여 BER 성능이 저하되고 대역 외 스펙트럼 방출 현상이 발생하는 문제점을 가진다. 이를 개선하기 위하여 clipping 이후 filtering 을 수행함으로써 대역 외 스펙트럼 방출을 감소시킬 수 있는 기법이 제안되었다[6],[7].
가장 간단하게 PAPR 문제를 해결할 수 있는 기법은?
PAPR 문제는 A/DC(Analog to Digital Converter), D/AC, 전력증폭기와 같은 비선형 소자를 통과하며 심각한 왜곡이 발생되므로 IFFT 를 사용하는 시스템에서는 꼭 해결되어야 한다[3]. 따라서 PAPR 문제를 해결하기 위해 많은 방법들이 제안되었으며[4], 이들 중 가장 간단하게 PAPR 문제를 해결할 수 있는 것은 clipping 기법이다[5]. 이 기법은 신호의 위상은 변화시키지 않고 일정 레벨을 넘어가는 신호의 크기만을 제한하여 간단하게 PAPR 을 감소시킬 수 있다.
clipping 기법의 장점은?
따라서 PAPR 문제를 해결하기 위해 많은 방법들이 제안되었으며[4], 이들 중 가장 간단하게 PAPR 문제를 해결할 수 있는 것은 clipping 기법이다[5]. 이 기법은 신호의 위상은 변화시키지 않고 일정 레벨을 넘어가는 신호의 크기만을 제한하여 간단하게 PAPR 을 감소시킬 수 있다. 하지만 원 신호를 강제로 왜곡시키기 때문에 대역내 왜곡이 발생하여 BER 성능이 저하되고 대역 외 스펙트럼 방출 현상이 발생하는 문제점을 가진다.
참고문헌 (10)
김경호 "LTE 단말 모뎀 기술 및 동향," 대한전자공학회 논문집, 36(2), pp. 105- 120, 2009년2월.
Sanchez, J.J., Morales-Jimenez, D., Gomez, G., and Enbrambasaguas, J.T., "Physical layer performance of long term evolution cellular technology," Mobile and Wireless Communications Summit, 2007. 16th IST, 1-5 Jun 2007.
R. Van Nee and R. Prasad, OFDM for Wireless Multimedia Communications, Artech House Publishers, 2000.
H. Ochiai and H. Imai, "Performance analysis of deliberately clipped OFDM signals," IEEE Transactions, vol. 50, no. 1, pp. 89-101, Jan. 2002.
W. T. Kim, J. B. Ahn, J. K. Ahn, and S, J, Cho, " A study of structural improvement for reducing PAPR," Conference of Korean Institute of Communication and Sciences, vol. 29, pp. 438, 2004.
X. Li, L. J. Cimini and Jr., "Effects of clipping and filtering on the performance of OFDM," IEEE Communications Letters, vol. 2, no. 5, pp. 131-133, May. 1998.
L. Wang and C. Tellambula, "A simplified clipping and filtering techniques for PAR reduction in OFDM system," IEEE Signal Processing Letters, Vol 12, no. 6, pp. 453-456, June. 2005.
J. Armstrong, "Peak-to-average power reduction for OFDM by repeated clipping and frequency domain filtering," IEEE Electronics Letters, vol. 38, no. 5, pp. 246-247, Feb. 2002.
J. H. Choi, Adaptive and Iterative Signal Processing in Communications, Cambridge, 2006.
S. H. Han and J. H. Lee, "An overview of peak-to-average power ratio reduction techniques for multicarrier transmission," IEEE Wireless Communications, vol. 12, no.2, pp. 56-65, April 2005.
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