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문제 정의
- 본 논문에서는 동일 대역에서 동시에 전 이중 통신을 하기 위한 프레임 구조를 사용하는 터보 등화기를 결합한 SSD 시스템을 제안한다. 본 논문에서는 자기 간섭 신호를 보다 효율적으로 제거하기 위하여 프레임 구조를 사용한다.
- 제안하는 시스템은 그림 4의 프레임 구조와 같이 BS 측에서 먼저 송신하고, 그 다음 MS 측에서 송신을 한 다음 동시에 통신하도록 시스템을 구성하였다. 본 논문에서는 터보 등화기의 반복 횟수를 0～4번까지 반복시켜 시스템의 성능 신뢰도를 최대한 향상시켰으며, 프레임 구조를 이용하여 자기 간섭 신호의 추정을 더욱 명확하게 할 수 있도록 하였다.
제안 방법
- 그 다음, RF Chain을 통과한 후에 ADC를 거쳐 디지털 영역에서 Digital Cancellation 과정을 통해 RF Cancellation 이후에 남은 잔류 자기 간섭 신호 성분과 다중 경로 자기 간섭 신호 성분을 추가적으로 감쇄시킨다. RF Cancellation과 Digital Cancellation을 통해 자기 간섭 신호를 최대한 감쇄시킨 후에 터보 등화기를 통해 상대국과 자국 간의 다중 경로 채널에 의한 ISI 효과를 등화하여 상대국의 정보 신호를 수신한다. 특히 시스템의 자기 간섭 신호 제거 효과를 더욱 높이기 위하여 자국에서 송수신을 할 때 프레임 구조를 사용하여 송수신을 하였다.
- 이러한 이유로 동일 대역에서 동시에 전 이중 통신을 하기 위해서는 이러한 문제를 발생시키는 자기 간섭 신호를 효과적으로 제거하는 시스템이 추가적으로 필요하게 된다. 따라서 본 논문에서 제안하는 시스템은 일반적인 송수신 구조에 자기 간섭 제거를 위한 RF Cancellation 및 Digital Cancellation 과정이 추가적으로 구성되어 있다. 또한, 본 논문에서 제안하는 시스템은 잔류 자기 간섭 신호에 의한 정보 비트의 오류를 복원하고, 상대국에서 보낸 수신 신호의 등화 성능을 향상시켜 시스템의 신뢰도를 더욱 높이기 위하여 터보 등화기를 사용한다.
- 또한, RF Cancellation의 감쇄기는 —29.5 dB의 크기를 감쇄시키도록 시스템을 구성하였다.
- 따라서 본 논문에서 제안하는 시스템은 일반적인 송수신 구조에 자기 간섭 제거를 위한 RF Cancellation 및 Digital Cancellation 과정이 추가적으로 구성되어 있다. 또한, 본 논문에서 제안하는 시스템은 잔류 자기 간섭 신호에 의한 정보 비트의 오류를 복원하고, 상대국에서 보낸 수신 신호의 등화 성능을 향상시켜 시스템의 신뢰도를 더욱 높이기 위하여 터보 등화기를 사용한다. 터보 등화기는 등화기와 디코더를 연계하여 반복 등화를 함으로써 등화 성능을 향상시킨다.
- 본 논문에서 제안하는 시스템은 단일 반송파를 사용하고, 동일 대역에서 동시에 전 이중 통신을 하는 시스템이다. 또한, 본 논문에서는 제안하는 시스템의 성능을 향상시키기 위하여 터보 등화기와 프레임 구조를 사용한다.
- 본 논문에서 자국 송신기에서 자국 수신기로 자기 간섭 신호가 진행할 때 안테나간 거리에 의해서 약 30 dB의 감쇄가 일어나는 상황을 고려하였다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 RF Cancellation을 하기 위한 위상 천이기에 0.
- 그림 1에서 BS와 MS는 각각 base station과 mobile station을 의미한다. 본 논문에서 제안하는 시스템에서 MS측의 시스템은 BS측의 시스템과 동일하게 RF Cancellation과 Digital Cancellation이 구성되어 있으며, 터보 등화기를 통해 BS측에서 MS측 사이에 다중 경로에 의해 발생하는 ISI에 의한 신호 왜곡을 등화한다.
- 본 논문에서 제안하는 시스템은 RF Cancellation을 하기 위한 위상 천이기에 0.5°의 위상 천이 오차가 있는 환경을 고려하였다.
- 본 논문에서 제안하는 시스템은 단일 반송파를 사용하고, 동일 대역에서 동시에 전 이중 통신을 하는 시스템이다. 또한, 본 논문에서는 제안하는 시스템의 성능을 향상시키기 위하여 터보 등화기와 프레임 구조를 사용한다.
- 제안하는 시스템은 단일 반송파를 사용하는 시스템으로 QPSK 변조를 사용하여 신호를 전송한다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 동일 대역에서 동시에 전 이중 통신을 하기 때문에, 자국의 송신 신호가 자국의 수신기에 간섭을 일으킬 수 있다. 이러한 자기 간섭신호는 상대국에서 보낸 수신 신호에 비하여 매우 크기 때문에, 일반적인 방법으로 수신을 할 경우 상대국에서 보낸 수신 신호가 모두 왜곡되어 상대국의 정보를 수신할 수 없다.
- 본 논문에서 제안하는 시스템은 전 이중 통신에서 발생하는 비트 오류를 정정하고, 상대국의 채널 상황이 좋지 않을 경우 이를 효과적으로 등화하기 위하여 터보 등화기를 사용한다. 터보 등화는 수신기에서 등화기와 디코더를 연계하여 결합한 뒤, LLR(Log-Likelihood Ratio)값을 반복적으로 순환시켜 시스템의 성능을 향상시키는 등화 방법이다[10].
- 그림 6은 송신 신호의 스펙트럼을 나타낸다. 본 논문에서 제안하는 시스템의 송신 신호 크기의 기준을 20 dB로 고려하였다.
- 그림 4는 본 논문에서 사용하는 프레임 구조를 나타낸다. 본 논문에서는 그림 4의 프레임 구조를 사용하여 더욱 효율적으로 자기 간섭 신호를 추정할 수 있도록 하였다. 우선 BS에서 신호를 전송한다.
- 본 논문에서는 동일 대역에서 동시에 전 이중 통신을 하기 위한 프레임 구조를 사용하는 터보 등화기를 결합한 SSD 시스템을 제안한다. 본 논문에서는 자기 간섭 신호를 보다 효율적으로 제거하기 위하여 프레임 구조를 사용한다. 본 논문에서는 프레임 구조의 사용에 대한 제안하는 시스템의 성능을 분석하기 위하여 Simulink 프로그램을 이용하여 시스템을 구성하였다.
- 본 논문에서는 제안하는 시스템은 Digital Cancellation에서 RF Cancellation 이후의 잔류 자기 간섭 신호 성분과 다중 경로 자기 간섭 신호 성분을 추정하여 제거한다. 적응 알고리즘을 이용하여 자기 간섭 신호성분을 추정할때 상대국의 신호가 있을 경우, 자기 간섭 신호를 추정하는 것이 어려워진다.
- 본 논문에서는 제안하는 터보 등화기를 결합한 SSD 시스템의 송수신 프레임 구조의 사용에 대한 성능을 비교 평가하기 위하여 Simulink 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 시스템을 구성하였다. 시뮬레이션을 위한 세부 사항은 다음과 같다.
- 001로 하였다. 본 논문에서는 제안하는 터보 등화기를 결합한 시스템이 송수신 프레임 구조를 사용하였을 경우와 송수신 프레임 구조를 사용하지 않을 경우의 시스템 성능을 비교하였다. 제안하는 시스템은 그림 4의 프레임 구조와 같이 BS 측에서 먼저 송신하고, 그 다음 MS 측에서 송신을 한 다음 동시에 통신하도록 시스템을 구성하였다.
- 인코딩 방법에는 여러 가지 코드가 사용된다. 본 논문에서는 콘볼루션 코드를 사용하는 인코더를 사용하여 시스템을 구성하였다. 콘볼루션 코드는 하나의 비트를 출력하기 위해서 이전에 출력된 여러 비트와 연관시켜 출력한다.
- 본 논문에서는 자기 간섭 신호를 보다 효율적으로 제거하기 위하여 프레임 구조를 사용한다. 본 논문에서는 프레임 구조의 사용에 대한 제안하는 시스템의 성능을 분석하기 위하여 Simulink 프로그램을 이용하여 시스템을 구성하였다. 제안하는 시스템은 프레임 구조를 사용하지 않을 경우, 터보 등화기의 전역 반복이 3회일 때 8 dB에서 4 × 10-4의 성능을 내며, 프레임 구조를 사용할 경우 전역 반복이 3회일 때 8 dB에서 4 × 10-5의 성능을 낸다.
- 본 논문에서는 제안하는 터보 등화기를 결합한 시스템이 송수신 프레임 구조를 사용하였을 경우와 송수신 프레임 구조를 사용하지 않을 경우의 시스템 성능을 비교하였다. 제안하는 시스템은 그림 4의 프레임 구조와 같이 BS 측에서 먼저 송신하고, 그 다음 MS 측에서 송신을 한 다음 동시에 통신하도록 시스템을 구성하였다. 본 논문에서는 터보 등화기의 반복 횟수를 0～4번까지 반복시켜 시스템의 성능 신뢰도를 최대한 향상시켰으며, 프레임 구조를 이용하여 자기 간섭 신호의 추정을 더욱 명확하게 할 수 있도록 하였다.
- 그림 1은 제안하는 동일 대역 동시 전 이중 통신 시스템의 구성을 나타낸다. 제안하는 시스템은 단일 반송파를 사용하는 시스템으로 QPSK 변조를 사용하여 신호를 전송한다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 동일 대역에서 동시에 전 이중 통신을 하기 때문에, 자국의 송신 신호가 자국의 수신기에 간섭을 일으킬 수 있다.
- RF Cancellation 이후 Digital Cancellation에서 더욱 명확하게 자기 간섭 신호를 추정할 수 있도록 SSD 방식으로 통신을 하기 전에 자기 간섭 신호 추정을 위한 프레임 구간을 할당한다[8]. 즉, 자기 간섭 신호 성분만 존재하는 프레임 구간을 만들고, 그 구간에서 Digital Cancellation을 하기 위해 필요한 자기 간섭 신호 성분을 추정한다. 그 다음, 자기 간섭 신호 성분이 명확하게 추정된 후에 SSD 방식으로 통신을 한다.
- RF Cancellation과 Digital Cancellation을 통해 자기 간섭 신호를 최대한 감쇄시킨 후에 터보 등화기를 통해 상대국과 자국 간의 다중 경로 채널에 의한 ISI 효과를 등화하여 상대국의 정보 신호를 수신한다. 특히 시스템의 자기 간섭 신호 제거 효과를 더욱 높이기 위하여 자국에서 송수신을 할 때 프레임 구조를 사용하여 송수신을 하였다.
대상 데이터
- 터보 등화기는 내부의 등화기, 디인터리버, 디코더 그리고 인터리버로 구성되어 있다[10]. 본 논문에서는 터보 등화기 내부의 등 화기로 MAP(maximum a posteriori) 등화기를 사용한다.
- 5 dB의 크기를 감쇄시키도록 시스템을 구성하였다. 제안하는 시스템은 Digital Cancellation을 위한 적응 등화기로 LMS 알고리즘을 사용하였으며, LMS 알고리즘에 사용되는 filter의 탭 개수는 32개로 하였고, 스텝 크기는 0.001로 하였다. 본 논문에서는 제안하는 터보 등화기를 결합한 시스템이 송수신 프레임 구조를 사용하였을 경우와 송수신 프레임 구조를 사용하지 않을 경우의 시스템 성능을 비교하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 적응 알고리즘으로 LMS(Lease Mean Square) 알고리즘을 사용하며, 이 알고리즘을 이용하여 자기 간섭 신호를 추정한다. LMS 알고리즘은 추정된 계수를 사용한 필터의 출력과 목표 신호와의 오차를 최소화 하도록 계수를 갱신하여 입력 신호를 목표 신호와 유사해지도록 하는 계수를 구하는 알고리즘이다.
성능/효과
- 제안하는 시스템은 프레임 구조를 사용하지 않을 경우, 터보 등화기의 전역 반복이 3회일 때 8 dB에서 4 × 10-4의 성능을 내며, 프레임 구조를 사용할 경우 전역 반복이 3회일 때 8 dB에서 4 × 10-5의 성능을 낸다. 결과적으로 본 논문에서 제안하는 시스템은 프레임 구조를 사용하였을 경우, 프레임 구조를 사용하지 않았을 경우보다 더 좋은 성능을 내며, 프레임 구조를 사용할 경우 더 적은 터보 등화기의 반복으로 프레임 구조를 사용하지 않는 경우와 유사한 성능을 낼 수 있는 것을 확인하였다.
- 결론적으로, 제안하는 시스템은 동일 대역을 완전히 송신과 수신에 활용할 수 없는 TDD의 단점과 송수신을 동시에 하기 위하여 추가적인 주파수 대역이 필요한 FDD의 단점을 동시에 극복하여 동일 대역에서 동시에전 이중 통신을 할 수 있다.
- 프레임 구조를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우, 모두 터보 등화기의 전역 반복이 3회일 때 4 × 10-4의 성능을 내는데, 약 1 dB의 성능 차이로 프레임 구조를 사용하였을 경우 더 좋은 성능을 내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 프레임 구조를 사용하였을 경우, 터보 등화기의 전역 반복 1회 만으로도 프레임 구조를 사용하지 않았을 경우 전역 반복이 3회일 경우보다 더 좋은 성능을 내는 것을 확인할 수 있다. 즉, 프레임 구조를 사용할 경우, 터보 등화기의 반복 횟수를 감쇄시켜 시스템의 복잡도를 감소시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다.
- 본 논문에서 제안하는 RF Cancellation과 프레임 구조를 결합한 Digital Cancellation 그리고 열악한 채널 환경에서 신뢰도 있는 통신을 보장하기 위하여 터보 등화기를 결합한 시스템은 RF Cancellation을 통하여 1차적으로 자기 간섭 신호를 제거하고, Digital Cancellation을 하기 위하여 프레임 구조를 사용함으로 인하여 잔류 자기 간섭 신호를 추정할 때 다른 신호 성분이 포함되지 않게 하여보다 명확하게 잔류 자기 간섭 신호를 추정하고, 이를 통하여 자기 간섭 신호를 보다 효율적으로 제거할 수 있다. 이러한 시스템 구조는 프레임 구조를 통하여 터보 등화 기의 반복을 줄여 수신 신호를 등화 하는데 소모되는 시간을 감소시켜 보다 고속의 데이터 통신을 하는데 유리 하다.
- 본 논문에서는 동일 대역에서 동시에 전 이중 통신을 하는 SSD 시스템의 성능을 더욱 향상시키기 위하여 프레임 구조를 사용하고, 터보 등화기를 결합한 SSD 시스템을 제안하며, 제안하는 시스템이 프레임 구조를 사용했을 경우와 사용하지 않았을 경우에 성능을 분석하여 프레임 구조를 사용했을 경우 제안하는 SSD 시스템에 사용하는 터보 등화기의 더 적은 반복으로도 좋은 성능을 낼 수 있음을 확인한다.
- 그림 9는 프레임 구조를 사용하지 않는 상황에서 터보 등화기 반복에 대한 제안하는 시스템의 성능을 나타낸다. 시스템의 성능은 터보 등화기의 전역 반복이 3회 되었을 때 거의 포화되어 전역 반복 횟수가 증가하여도 성능의 개선이 더 이상 크게 일어나지 않은 것을 확인할 수 있다. 제안하는 시스템은 프레임 구조를 사용하지 않는 상황에서 터보 등화기의 전역 반복이 3회일 경우 8 dB에서 약 4 × 10-4의 성능을 내는 것을 확인할 수 있다.
- 제안하는 시스템은 프레임 구조를 사용하지 않는 상황에서 터보 등화기의 전역 반복이 3회일 경우 8 dB에서 약 4 × 10-4의 성능을 내는 것을 확인할 수 있다.
- 제안하는 시스템은 프레임 구조를 사용하지 않을 경우, 터보 등화기의 전역 반복이 3회일 때 8 dB에서 4 × 10-4의 성능을 내며, 프레임 구조를 사용할 경우 전역 반복이 3회일 때 8 dB에서 4 × 10-5의 성능을 낸다.
- 또한, 터보 등화기를 결합하여 채널 환경이 열악한 경우에도 통신 성능의 신뢰도를 보장하면서 동일 대역에서 동시에 송수신을 할 수 있다. 즉, 제안하는 시스템은 높은 신뢰도를 갖는 전 이중 통신이 가능하다. 제안하는 시스템은 시간적인 구분 없이 송수신을 하여 데이터 전송속도를 향상시킬 수 있으며, 동일 대역에서 동시에 송수신이 가능하기 때문에 보다 효율적으로 주파수 자원을 활용할 수 있다.
- 또한, 프레임 구조를 사용하였을 경우, 터보 등화기의 전역 반복 1회 만으로도 프레임 구조를 사용하지 않았을 경우 전역 반복이 3회일 경우보다 더 좋은 성능을 내는 것을 확인할 수 있다. 즉, 프레임 구조를 사용할 경우, 터보 등화기의 반복 횟수를 감쇄시켜 시스템의 복잡도를 감소시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다.
- 프레임 구조를 사용 하는 환경에서 제안하는 시스템은 터보 등화기의 전역 반복이 3회일 경우, 8 dB에서 약 4 × 10-5의 성능을 내는 것을 확인할 수 있다.
- 그림 10은 프레임 구조를 사용하는 상황에서 터보 등화기 반복에 대한 제안하는 시스템의 성능을 나타낸다. 프레임 구조를 사용하는 환경에서 제안하는 시스템은 터보 등화기의 전역 반복이 3회일 경우, 성능이 포화되어 더 이상 전역 반복이 증가하더라도 성능의 개선이 거의 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다. 프레임 구조를 사용 하는 환경에서 제안하는 시스템은 터보 등화기의 전역 반복이 3회일 경우, 8 dB에서 약 4 × 10-5의 성능을 내는 것을 확인할 수 있다.
- 프레임 구조를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우, 모두 터보 등화기의 전역 반복이 3회일 때 4 × 10-4의 성능을 내는데, 약 1 dB의 성능 차이로 프레임 구조를 사용하였을 경우 더 좋은 성능을 내는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 즉, 제안하는 시스템은 높은 신뢰도를 갖는 전 이중 통신이 가능하다. 제안하는 시스템은 시간적인 구분 없이 송수신을 하여 데이터 전송속도를 향상시킬 수 있으며, 동일 대역에서 동시에 송수신이 가능하기 때문에 보다 효율적으로 주파수 자원을 활용할 수 있다. 즉, 대부분의 무선 통신 시스템에서 주파수 효율과 데이터 전송 속도를 향상시킬 수 있다.
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