[논문]주파수 선택적 Rayleigh 페이딩 채널에서 고차 PS QAM 채널 보상에 대한 연구

김정수

doi:10.9708/jksci.2013.18.7.079

초록
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본 논문에서는 파일럿 심벌을 이용하여 플랫 페이딩 채널에서 페이딩 정보를 예측하여 보상하는 방식인 PSAM(Pilot Symbol Assisted Modulation) 방식에 대해 주파수 선택적 Rayleigh 페이딩 채널에서 지연파의 영향을 받는 경우 발생하는 문제점 등을 분석하고 이를 개선하기 위하여 고차 PS(Pilot Symbol) QAM 채널보상 방식을 제안한다. 기존의 PSAM 방식은 지연파의 지연강도가 조금만 영향을 미치더라도 SNR(Signal-to-Noise Ratio)에 상관없이 심각한 성능저하를 보이지만 제안된 방식은 지연파의 지연강도에 영향을 받지만 안정적인 성능개선을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the method of multiple PS(pilot symbol) QAM channel compensation is suggested in order to analyze and improve occurring problems in case of delay waves in Frequency-Selective Rayleigh fading channels through Pilot Symbol Assisted Modulation(PSAM) which is a method predicting and compe...

In this paper, the method of multiple PS(pilot symbol) QAM channel compensation is suggested in order to analyze and improve occurring problems in case of delay waves in Frequency-Selective Rayleigh fading channels through Pilot Symbol Assisted Modulation(PSAM) which is a method predicting and compensating fading information, using Pilot Symbol in flat fading channels. This suggested method shows stable improvement in its performance even though it is effected by the level of delay on delay waves while the existing PSAM method has severe malfunction with a small amount of level of delay on delay waves regardless of signal-to-noise ratio(SNR).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이를 극복하기 위해 다양한 방법 등이 연구되고 있다[3-8]. 본 논문에서는 다중 파일럿 심벌을 이용하는 페이딩 보상 방법을 연구한다. 다중 파일럿 심벌에 의한 페이딩 보상 방법은 복 수개의 파일럿 심벌을 추가하여 페이딩을 추정 보상하는 방법으로 데이터 심벌 뿐 아니라 파일럿 심벌들 간의 왜곡 정도 추정이 가능하므로 성능을 향상시킬 수 있다.
이 중에는 파일롯 톤 동기 복조 방식, MAP(Maximum A Posteriori) 검색기, MLE(Maximum Likelihood Estimation) 기법 등이 있으나 복잡한 신호처리 알고리즘과 구조를 요구한다. 본 논문에서는 파일럿 심벌을 이용한 단순한 신호처리 기술로 페이딩 전송로에서 야기되는 신호 레벨 예측 및 위상 보상을 통해 ISI을 극복할 수 있는 채널 추정 및 보상 방법을 연구한다. 또한 이동 통신에서 제한된 유용 주파수로 인해 스펙트럼 효율이 우수한 QAM 변조 방식을 이용한다.

제안 방법

그림 3은 f_dT = 0.005(f_d = 1250,T_s = 1/250000), 프레임 길이를 16, 지연파의 지연을 0.5, SNR를 각각 20dB, 30dB으로 하여 지연파의 지연강도에 따른 PSAM 시스템과 제안시스템의 성능을 분석해 보았다. Ray1은 직접파의 지연강도, Ray2는 지연파의 지연강도를 의미하고 Ray2/Ray1는 직접파에 대한 지연파의 상대적인 지연강도를 나타낸다.
또한 이동 통신에서 제한된 유용 주파수로 인해 스펙트럼 효율이 우수한 QAM 변조 방식을 이용한다. 파일럿 심벌을 이용하여 플랫 페이딩 전송로에서 야기되는 진폭 및 위상 왜곡을 예측하여 보상하는 단일 파일럿 방식인 PSAM(Pilot Symbol Assisted Modulation)에 대한 한 심벌 이내의 지연파의 영향을 받는 경우 발생하는 문제점 등을 분석하고, 이를 개선하기 위하여 복수의 파일럿을 이용하는 다중 보상기법을 제안한다. 기존의 PSAM 방식에서는 파일럿 심벌을 이용하여 수신단에서 페이딩을 추정할 때 지연파의 간섭에 의해 페이딩 추정의 신뢰도가 떨어지게 된다.

이론/모형

본 논문에서는 파일럿 심벌을 이용한 단순한 신호처리 기술로 페이딩 전송로에서 야기되는 신호 레벨 예측 및 위상 보상을 통해 ISI을 극복할 수 있는 채널 추정 및 보상 방법을 연구한다. 또한 이동 통신에서 제한된 유용 주파수로 인해 스펙트럼 효율이 우수한 QAM 변조 방식을 이용한다. 파일럿 심벌을 이용하여 플랫 페이딩 전송로에서 야기되는 진폭 및 위상 왜곡을 예측하여 보상하는 단일 파일럿 방식인 PSAM(Pilot Symbol Assisted Modulation)에 대한 한 심벌 이내의 지연파의 영향을 받는 경우 발생하는 문제점 등을 분석하고, 이를 개선하기 위하여 복수의 파일럿을 이용하는 다중 보상기법을 제안한다.
페이딩을 추정하기 위하여 1차, 2차 가우시안 보간법을 사용하는데 본 논문에서는 페이딩 추정 확률을 높일 수 있는 2차 가우시안 보간법을 이용한다. 프레임의 길이를 N이라 할 때 k번째 프레임의 m번째 데이터 심벌 d_k,m에 대하여 첫 번째와 두 번째 공통인자로 다음 식 (15), (16)과 같이 각각의 페이딩을 추정한다.

성능/효과

5이상일 때 SNR에 관계없이 10^-3정도의 오율곡선을 보인다. PSAM 방식과 제안 방식은 지연파의 영향이 없는 경우 비슷한 성능을 보이지만 지연파의 지연강도의 영향을 받는 경우 PSAM의 경우 급격한 성능 저하를 보이고 제안된 방식의 경우 PSAM에 비해 성능이 개선됨을 알 수 있다.
이를 보완하기 위하여 각 프레임의 선두에 3개의 파일럿 심벌을 이용하면 한 신호 주기 이내의 지연파의 영향을 받는 경우 두 번째 파일럿 심벌은 지연파의 영향을 받더라도 세 번째 파일럿 심벌 역시 페이딩 추정 보상에 이용되기 때문에 채널 환경 추정의 신뢰도를 높일 수 있다. 기존의 PSAM 방식과 비교해 보면, 한 심벌 주기 이내의 지연파의 간섭이 있는 환경에서 지연파의 지연강도가 조금만 증가하더라도 급격한 성능 저하를 보이지만 제안하는 다중 보상 방식은 지연파의 지연강도에 크게 영향을 받지 않고 안정된 성능을 보임을 확인할 수 있다. 다수 개의 부반송파를 사용하는 OFDM, MIMO 등 이동 대용량 데이터 전송시스템[1-2]에 제안 방식을 이용하여 데이터의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
6이상에서는 10^-1이 하의 BER 성능 저하를 보인다. 제안 방식은 지연파의 지연강도에 의해 영향을 받지만 지연강도의 영향이 심한 경우에도 10^-3정도의 안정된 성능을 보임을 알 수 있다. 제안시스템은 추가 파일럿 심벌을 삽입하지만 평균 전력소모를 늘리지 않은 제로 파일럿 심벌 삽입 방법을 제안하여 주파수 선택적 Rayleigh 페이딩 채널에서 지연파의 영향을 극복하여 데이터 신뢰도를 높일 수 있었다.
지연파의 지연강도 조금만 커지더라도 SNR에 상관없이 심한 성능열하를 보임을 알 수 있다. 제안된 방식은 SNR이 50dB에서 10-5 정도의 성능을 보이고 Ray2/Ray1가 0.5이상일 때 SNR에 관계없이 10^-3정도의 오율곡선을 보인다. PSAM 방식과 제안 방식은 지연파의 영향이 없는 경우 비슷한 성능을 보이지만 지연파의 지연강도의 영향을 받는 경우 PSAM의 경우 급격한 성능 저하를 보이고 제안된 방식의 경우 PSAM에 비해 성능이 개선됨을 알 수 있다.
지연파의 지연 강도 조금만 증가하더라도 SNR에 상관없이 심한 성능열하를 보임을 알 수 있다. 제안된 방식의 경우 30dB의 경우 10^-4 이하의 성능을 보이고 Ray2/Ray1가 0.6이상에서 10^-3 정도의 성능을 보인다.
제안 방식은 지연파의 지연강도에 의해 영향을 받지만 지연강도의 영향이 심한 경우에도 10^-3정도의 안정된 성능을 보임을 알 수 있다. 제안시스템은 추가 파일럿 심벌을 삽입하지만 평균 전력소모를 늘리지 않은 제로 파일럿 심벌 삽입 방법을 제안하여 주파수 선택적 Rayleigh 페이딩 채널에서 지연파의 영향을 극복하여 데이터 신뢰도를 높일 수 있었다. 다수 개의 부반송파를 사용하는 OFDM, MIMO 시스템의 경우 고속 데이터 전송 시 연집오류가 발생되어 성능 저하의 원인이 된다.

후속연구

다수 개의 부반송파를 사용하는 OFDM, MIMO 시스템의 경우 고속 데이터 전송 시 연집오류가 발생되어 성능 저하의 원인이 된다. 연집오류에는 인터리버 기술, 컨벌루션 코딩, 재귀적 채널코딩 기법이 효과적이며 향후 이들 시스템에 제안 기술을 활용하면 데이터 신뢰도를 높일 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플랫 페이딩 채널에서 PSAM 방식이란?	플랫 페이딩 채널에서 PSAM 방식은 정해진 파일럿 심벌을 매 주기마다 추가로 전송하여 수신단에서 데이터 심벌의 페이딩 왜곡을 추정하는 방법으로 신호처리가 간단하다. 기존의 PSAM을 이용한 보상 방법은 플랫 페이딩 채널에서는 어느 정도 효과적이나 주파수 선택적 Rayleigh 페이딩 환경 하에서는 파일럿 심벌 자체가 ISI에 의하여 심하게 왜곡되기 때문에 성능이 열하된다.
	기존의 PSAM을 이용한 보상 방법의 문제점은?	플랫 페이딩 채널에서 PSAM 방식은 정해진 파일럿 심벌을 매 주기마다 추가로 전송하여 수신단에서 데이터 심벌의 페이딩 왜곡을 추정하는 방법으로 신호처리가 간단하다. 기존의 PSAM을 이용한 보상 방법은 플랫 페이딩 채널에서는 어느 정도 효과적이나 주파수 선택적 Rayleigh 페이딩 환경 하에서는 파일럿 심벌 자체가 ISI에 의하여 심하게 왜곡되기 때문에 성능이 열하된다. 이를 극복하기 위해 다양한 방법 등이 연구되고 있다[3-8].
	수신된 신호에서 주파수 선택적 페이딩의 영향을 보상하는 방법에는 어떤 것들이 있는가?	수신된 신호에서 주파수 선택적 페이딩의 영향을 보상하는 방법에 대해 다양한 연구가 이루어져 왔다. 이 중에는 파일롯 톤 동기 복조 방식, MAP(Maximum A Posteriori) 검색기, MLE(Maximum Likelihood Estimation) 기법 등이 있으나 복잡한 신호처리 알고리즘과 구조를 요구한다. 본 논문에서는 파일럿 심벌을 이용한 단순한 신호처리 기술로 페이딩 전송로에서 야기되는 신호 레벨 예측 및 위상 보상을 통해 ISI을 극복할 수 있는 채널 추정 및 보상 방법을 연구한다.

참고문헌 (8)

Lee, Jong-Chan, Lee, Moon-Ho, "A QoS Provisioning Based on Load Balancing for Hand-over in OFDMA System," Journal of The Korea Society of Computer and Information, Vol. 18, No. 2, pp. 59-68, Nov. 2013.

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Kim, Jang-Wook, "Performance Enhancement of OFDM Systems (Using Interference cancellation schemes of TD(Transmit Diversity))," Journal of The Korea Society of Computer and Information, Vol. 17, No. 7, pp. 77-86, Nov. 2012.

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M. Jafar Taghiyar, Sami Muhaidat, Jie Liang, "On the Performance of Pilot Symbol Assisted Modulation for Cooperative Systems with Imperfect Channel Estimation", in Proc. IEEE WCNC 10, pp. 1-5, Apr. 2010.
M. Jafar Taghiyar, Sami Muhaidat, Jie Liang, "On Pilot-Symbol-Assisted Cooperative Systems with Cascaded Rayleigh and Rayleigh Fading Channels with Imperfect CSI," Multidisciplinary Journals in Science and Technology, Journal of Selected Areas in Telecommunications (JSAT), pp.24 -31, November Edition, 2010.
H. Muhaidat, M. Uysal, and R. Adve, "Pilot-symbol-assisted detection scheme for distributed orthogonal space-time block coding," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 8, no. 3, pp. 1057-1061, March 2009.

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Lei Chen and Bernard Mulgrew "A robust channel estimator at the high doppler frequency via matching pursuit technique", (EUSIPCO 2008), Lausanne, Switzerland, August 25-29, 2008.
Z. Tang, R. C. Cannizzaro, G. Leus, and P. Banelli, "Pilot assisted time-varying channel estimation for OFDM systems," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 55, no. 5, pp. 2226-2238, May 2007.

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T. Zemen and C. F. Mecklenbr, auker, "Time-variant channel estimation using discrete prolate spheroidal sequences," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 53, no. 9, pp. 3597-3607, Sept. 2005.

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