[논문]OFDM system을 위한 Pre-Equalizer 시스템의 성능 분석

조경철

doi:10.7840/kics.2014.39b.12.864

OFDM system을 위한 Pre-Equalizer 시스템의 성능 분석
Performance Analysis of the Pre-Equalizer System for the OFDM System 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 네트워크 및 서비스, v.39B no.12, 2014년, pp.864 - 869

조경철 (Dept. of Broadcasting & Communication, ICT Polytech Institute of Korea)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 초고속 멀티미디어 통신에서 고속전송으로 인한 다중경로 페이딩과 인접 심볼간의 간섭현상으로 인한 시스템의 성능 저하를 보상하기 위하여 송신신호를 미리 왜곡시키는 사전등화기를 사용한 OFDM 시스템을 제안하고, C언어를 이용하여 OFDM 시스템을 모델링하였고, 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과 BER이 $10^{-3}$에서 약 7dB의 성능향상이 있었고, MMSE 특성 또한 $10^{-3}$에서 $10^{-4}$으로 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an OFDM system with a pre-equalizer which pre-distorting a transmission signal to compensate for the degradation of the system by the intersymbol interference and multi-path fading at the high-speed multimedia communications. We model an OFDM system by using C language, a simulation was performed. As a result, there was a performance of BER is about 7dB at $10^{-3}$, improved to $10^{-4}$ on the MMSE property also $10^{-3}$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

특히, 인터넷을 통한 음성, 비디오, 데이터 통신이 최근 크게 증가하고, 3G 통신이후 초고속 무선시스템이 급속히 보급됨에 따라 이동 중에 사용할 수 있는 무선 광대역 멀티미디어 통신에 대한 기대가 증가하고 있다. 4세대 이후의 이동 통신 시스템에서는 1Gbps 이상의 고속 인터넷과 광대역 멀티미디어 서비스를 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위해서는 한정된 주파수 자원을 사용하는 방법으로 MIMO (Multiple Input Multiple Output) 시스템이 주목 받고 있다^[1].
따라서 본 논문에서는 이러한 OFDM 전송방식에 터보 디코딩기술과 등화기술을 접목하였고, 페이딩 및 ISI 채널에 대한 보상을 위하여 송신단에 등화기를 구현한 OFDM 시스템을 제안하였다. 또한, C언어를 이용하여 각각의 시스템을 모델링하고 이를 통하여 시뮬레이션과 성능을 분석한다.

가설 설정

또한, 우리는 α는 레일리 확률 변수라 가정하고, τ는 보호구간보다 작고 uniform 확률 변수라고 가정한다.
채널을 통해 수신된 신호는 반송파의 주파수를 곱하여 기저대역 신호로 바뀌게 된다. 여기서, 우리는 반송파의 주파수와 시간에 있어서 동기가 완벽하다고 가정한다. 이러한 가정하에서 기저대역으로 바뀌어진 수신 신호는 다음과 같이 주어지게 된다.
. 우리는 여기서 N_n,k가 independent identically distributed (iid) process라 가정한다. 이러한 가정에 의해서, N_n,k는 시간에 무관한 확률 변수인 N으로 대체가 가능하다.
이때 변·복조부는 16-QAM으로 설정하였으며, 시스템의 변복조부는 동기 되었다고 가정하고, 반송파 위상의 지터는 고려하지 않았다.

제안 방법

또한 반복 횟수를 자동적으로 조절하는 알고리즘을 적용하여 불필요한 반복을 없앤다.
따라서 본 논문에서는 이러한 OFDM 전송방식에 터보 디코딩기술과 등화기술을 접목하였고, 페이딩 및 ISI 채널에 대한 보상을 위하여 송신단에 등화기를 구현한 OFDM 시스템을 제안하였다. 또한, C언어를 이용하여 각각의 시스템을 모델링하고 이를 통하여 시뮬레이션과 성능을 분석한다.
송신단에서는 사전등화 기술이 적용되지 않은 경우와 사전 등화 기술이 적용된 경우에 대하여 모의실험을 행하였다. 또한, 변조된 신호를 이상적인 AWGN 채널과 전형적인 무선채널 환경인 페이딩과 ISI가 공존하는 채널을 모델링하여 시뮬레이션을 하였으며, 시스템의 성능을 측정하기 위하여 사전 등화기가 적용된 시스템과 적용되지 않은 시스템으로 구분하여 비교하였다.
본 논문에서는 시뮬레이션 결과 반복 갱신이 3회일 때, 최적의 성능을 보였으며, 앞으로 모든 등화 결과는 반복횟수를 3회로 적용한 결과에 대해서 다룬다^[8].
변복조 방식으로는 16-QAM 변복조 방식을 사용하였고, 터보 부호 기술을 적용하고, 수신단에 등화기가 적용된 변형 터보 복호기술을 사용하였다. 송신단에서는 사전등화 기술이 적용되지 않은 경우와 사전 등화 기술이 적용된 경우에 대하여 모의실험을 행하였다. 또한, 변조된 신호를 이상적인 AWGN 채널과 전형적인 무선채널 환경인 페이딩과 ISI가 공존하는 채널을 모델링하여 시뮬레이션을 하였으며, 시스템의 성능을 측정하기 위하여 사전 등화기가 적용된 시스템과 적용되지 않은 시스템으로 구분하여 비교하였다.
우리는 화상, 동영상 등의 멀티미디어 서비스에 적합한 빠른 수렴 속도를 갖는 등화기를 OFDM 시스템에 적용하였다. 변복조 방식으로는 16-QAM 변복조 방식을 사용하였고, 터보 부호 기술을 적용하고, 수신단에 등화기가 적용된 변형 터보 복호기술을 사용하였다.

대상 데이터

시뮬레이션의 기본 구조는 그림 1과 같이 설정하였으며, 입력데이터는 변·복조부, S/P converter 그리고, IFFT를 수행 후 터보 부호기를 거쳐 페이딩과 ISI 채널로 전송되며 채널을 통한 신호는 수신단에서 송신단의 역의 과정인 FFT, P/S converter 그리고 복조부를 통하여 최종 수신된다.

이론/모형

기존의 Stop-&-Go 알고리즘의 MSE 수렴성능을 향상시키기 위해 계수 조정식을 다음 식 (8)과 같은 데이터 재활용 탭계수 조정 알고리즘을 적용하였다.
우리는 화상, 동영상 등의 멀티미디어 서비스에 적합한 빠른 수렴 속도를 갖는 등화기를 OFDM 시스템에 적용하였다. 변복조 방식으로는 16-QAM 변복조 방식을 사용하였고, 터보 부호 기술을 적용하고, 수신단에 등화기가 적용된 변형 터보 복호기술을 사용하였다. 송신단에서는 사전등화 기술이 적용되지 않은 경우와 사전 등화 기술이 적용된 경우에 대하여 모의실험을 행하였다.

성능/효과

가 요구 되었다. 그러므로 사전 등화기를 사용한 경우는 그렇지 않은 경우보다 약 7dB 정도의 이득을 얻을 수 있었다. 향후 여러 등화 알고리즘 및 변조 방식을 변경하여 시뮬레이션 할 계획이며, VHDL을 이용하여 원칩화 할 것이다.
그림 9 b, c는 사전 등화기가 적용된 경우와 그렇지 않은 경우의 MMSE특성 곡선을 나타내고 있다. 그림에서 보듯이 수렴시간에서는 거의 일치하나, MMSE 값에서 사전등화기가 적용된 경우 매우 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
채널 등 화를 사전에 1회 적용하였을 경우 BER이 10^-3에서 20dB에서 13dB로 약 7dB이득이 있다. 또한, MMSE (minimum mean square error) 수렴 특성에서도 사전 등화를 거치지 않은 경우 10^-3에서 수렴하지만 사정등 화를 거친 경우 10^-4에서 수렴하여 그 성능이 향상되었다.
모의 실험결과 사전 등화를 적용한 경우는 적용하지 않은 경우, MMSE 수렴 특성 곡선은 수렴시간에는 약 400개의 심볼 수신 후 수렴이 되는 것으로 거의 차이는 없으나 사전등화기를 적용한 경우의 MMSE 수렴 곡선이 10^-3에서 10^-4으로 향상됨을 알 수 있었으며, AWGN만 존재하는 채널의 경우 10^-3의 BER을 갖기 위해서는 10dB의 E_b/N₀를 필요하였으며, 사전 등화기를 사용하지 않은 경우는 20dB의 E_b/N₀가 요구 되었고, 사전 등화기를 사용한 경우는 약 13dB의 E_b/N₀가 요구 되었다. 그러므로 사전 등화기를 사용한 경우는 그렇지 않은 경우보다 약 7dB 정도의 이득을 얻을 수 있었다.
본 논문에서 제안하는 디코더의 구조는 기존의 터보 디코더의 구조를 유지하고 있으며, 그림 6에서 MAP1과 MAP2의 복호기의 출력단에 블라인드 등화 기를 접목함으로써 반복의 횟수를 줄인다. 이 때, 사용된 등화기는 전체 디코더의 하드웨어 복잡성을 줄이기 위하여 탭 계수의 수를 최소한으로 줄인다.

후속연구

그러므로 사전 등화기를 사용한 경우는 그렇지 않은 경우보다 약 7dB 정도의 이득을 얻을 수 있었다. 향후 여러 등화 알고리즘 및 변조 방식을 변경하여 시뮬레이션 할 계획이며, VHDL을 이용하여 원칩화 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4세대 이후의 이동 통신 시스템은 무엇을 목표로 하는가?	특히, 인터넷을 통한 음성, 비디오, 데이터 통신이 최근 크게 증가하고, 3G 통신이후 초고속 무선시스템이 급속히 보급됨에 따라 이동 중에 사용할 수 있는 무선 광대역 멀티미디어 통신에 대한 기대가 증가하고 있다. 4세대 이후의 이동 통신 시스템에서는 1Gbps 이상의 고속 인터넷과 광대역 멀티미디어 서비스를 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위해서는 한정된 주파수 자원을 사용하는 방법으로 MIMO (Multiple Input Multiple Output) 시스템이 주목 받고 있다[1].
	OFDM 전송방식의 장점은?	OFDM 전송방식은 전체 전송대역을 다수의 협대역 직교 부채널로 분할하여 각 부채널로 데이터를 동시에 전송하는 방식으로 변조와 복조를 각각 IFFT와 FFT를 사용하여 고속으로 구현할 수 있으며, 보호구간을 연속된 두 OFDM 심볼 사이에 삽입하여 심볼간 간섭 및 채널간 간섭을 제거할 수 있기 때문에 등화기의 구조가 매우 간단해지는 장점이 있어 최근 고속의 전송시스템의 표준안으로 채택되었다[2]
	4세대 이후의 이동 통신 시스템의 요구조건을 만족시키기 위한 시스템으로는 어떤 시스템이 있는가?	4세대 이후의 이동 통신 시스템에서는 1Gbps 이상의 고속 인터넷과 광대역 멀티미디어 서비스를 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위해서는 한정된 주파수 자원을 사용하는 방법으로 MIMO (Multiple Input Multiple Output) 시스템이 주목 받고 있다[1].

참고문헌 (8)

A. F. Naguib, N. Seshadri, and A. R. Calderbank, "Increasing data rate over wireless channel," IEEE Signal Process. Mag., vol. 17, no. 2, pp. 744-765, Mar. 1998.
H. Sari, G. Karam, and I. Jeanclaude, "Transmission techniques for digital terrestrial TV broadcasting," IEEE Commun. Mag., vol. 33, no. 2, pp. 100-109, Feb. 1995.

상세보기
C. Berrou, A. Glavieux, and P. Thitimajshima, "Near Shannon limit error-correcting coding and decoding: Turbo-Codes," ICC'93, pp. 1064-1070, Geneva, Switzerland, May 1993.
W. Hwang and K. Kim, "Performance analysis of OFDM on the shadowed multipath channels," IEEE Trans. Consumer Electron., vol. 44, no. 4, pp. 1323-1328, Nov. 1998.

상세보기
R. Koetter, A. C. Singer, and M. Tuchler "Turbo equalization," IEEE Signal Process. Mag., vol. 21, no. 1, pp. 67-80, Jan. 2004.

상세보기
Michael Tuchler and Andrew C. Singer, "Turbo Equalization: An Overview" IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 57, no. 2, pp. 920-952, Feb. 2011.

상세보기
N. Al-Dhahir, "FIR Channel- Shortening Equalizers for MIMO ISI Channels," IEEE Trans. Commun., vol. 49, no. 2, pp. 213-218, Feb. 2001.

상세보기
K. C. Cho and H. K. Lee "Performance analysis of the turbo-equalizer system for the OFDM system," J. KICS, vol. 36, no. 10, pp. 128-133, Oct. 2011.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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