[논문]FTN 시스템을 위한 동시 복조 및 복호 기법

강동훈; 오왕록

doi:10.5573/ieie.2015.52.1.017

FTN 시스템을 위한 동시 복조 및 복호 기법
Joint Demodulation and Decoding System for FTN 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.52 no.1, 2015년, pp.17 - 23

강동훈 (충남대학교 정보통신공학과) , 오왕록 (충남대학교 정보통신공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 FTN (Faster than Nyquist) 방식을 이용한 데이터 전송기법에서 효율적으로 ISI (Inter Symbol Interference)를 제거하기 위한 기법을 제안한다. FTN 방식을 이용한 통신 시스템은 나이퀴스트 (Nyquist) 율 보다 빠르게 신호를 전송하는 방식으로 필연적으로 ISI가 발생한다. FTN 시스템에서 ISI를 제거하기 위한 여러 방안들이 제안되었으며 대표적으로 BCJR (Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv) 알고리듬 기반의 ISI 제거 기법을 들 수 있다. 그러나 제안된 기법들은 매우 큰 구현 복잡도를 갖으며, 특히 고차 변조 기법을 사용할 경우 복잡도는 변조 차수에 따라 지수적으로 증가하는 단점이 있다. 구현복잡도를 줄이기 위하여 길쌈부호가 적용된 시스템에서 SIC (Successive Interference Cancellation) 기법을 이용하여 ISI를 제거하는 기법이 제안되었다. 본 논문에서는 반복 복호가 가능한 채널 부호화 기법과 고차 변조가 적용된 시스템에서 복호기에서 생성된 정보를 이용하여 FTN 복조를 효율적으로 수행할 수 있는 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 기존에 제안된 기법들에 비하여 낮은 구현 복잡도를 나타낼 뿐만 아니라 우수한 ISI 추정 성능으로 인하여 주어진 신호 대 잡음비 (Signalto-Noise Ratio) 영역에서 보다 나은 비트오율 (Bit Error Rate) 성능을 나타낸다. 또한 고차 변조 기법이 적용된 시스템에서도 큰 복잡도 증가 없이 적용이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an efficient joint demodulation and decoding scheme for FTN (Faster than Nyquist) systems. Several previous works have demonstrated that ISI (Inter Symbol Interference) cancellation schemes based on BCJR (Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv) algorithm are suitable for FTN systems. Unfortunately, required complexity of the previous ISI cancellation schemes is very high, especially when a multi-level modulation scheme is employed. In this paper, we propose a joint demodulation and decoding scheme for FTN systems with an iteratively decodable channel coding scheme and a multi-level modulation. Compared with the previously proposed schemes, the proposed scheme not only offers reliable performance but also requires relatively low complexity. Also, the proposed scheme can be easily applied to the FTN system with a multi-level modulation with a minor modification.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 FTN 방식을 이용한 데이터 전송기법에서 ISI를 효율적으로 제거하기 위한 기법을 제안하였다. 제안하는 기법은 반복 복호가 가능한 채널 부호화 기법과 고차 변조가 적용된 시스템에서 복호 과정 중 생성한 정보에 대한 경판정 또는 연판정 결과를 이용하여 ISI를 추정하고 수신신호에서 ISI를 제거한다.
. 본 논문에서는 반복 복호가 가능한 터보부호와 고차 변조가 사용된 시스템에 적용이 용이한 ISI 추정 및 보상 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 기존의 BCJR 알고리듬 및 SIC 기법을 적용한 ISI 추정 기법보다 구현 복잡도가 낮을 뿐만 아니라 고차 변조 기법이 적용된 시스템에서도 큰 복잡도 증가 없이 ISI를 제거하는 것이 가능하다.

가설 설정

그림 6은 그림 2에 도식화한 시스템의 비트오율 (Bit Error Rate, BER) 성능을 확인한 결과이다. 전산실험 시 변조 기법은 BPSK (Binary Phase Shift Keying), 터보 복호기에서의 반복 복호 횟수는 10을 가정하였으며 특정 심볼에 ISI를 미치는 인접 심볼의 개수 L은 8을 가정하였다. 점선은 ISI 추정을 하지 않고 복호를 수행한 경우, 실선은 BCJR 등화기를 이용하여 ISI를 추정한 후 복호를 수행한 경우의 성능을 나타낸다.
제안하는 기법의 성능을 확인하기 위하여 전산실험을 수행하였다. 전산실험에 사용한 터보 부호, RRC 필터 및 BCJR 등화기에 사용한 변수는 표 2와 같으며, 변조기와 부호기 사이의 인터리버는 균일 (uniform) 인터리버를 가정하였다. 그림 6은 그림 2에 도식화한 시스템의 비트오율 (Bit Error Rate, BER) 성능을 확인한 결과이다.

제안 방법

본 논문에서는 FTN 방식을 이용한 데이터 전송기법에서 ISI를 효율적으로 제거하기 위한 기법을 제안하였다. 제안하는 기법은 반복 복호가 가능한 채널 부호화 기법과 고차 변조가 적용된 시스템에서 복호 과정 중 생성한 정보에 대한 경판정 또는 연판정 결과를 이용하여 ISI를 추정하고 수신신호에서 ISI를 제거한다. 제안하는 기법은 기존의 BCJR 알고리듬 및 SIC 기법을 적용한 ISI 추정기법보다 낮은 구현 복잡도를 나타낼 뿐만 아니라 낮은 SNR 영역에서도 안정적으로 성능을 제공한다.

데이터처리

제안하는 기법의 성능을 확인하기 위하여 전산실험을 수행하였다. 전산실험에 사용한 터보 부호, RRC 필터 및 BCJR 등화기에 사용한 변수는 표 2와 같으며, 변조기와 부호기 사이의 인터리버는 균일 (uniform) 인터리버를 가정하였다.

성능/효과

변조 기법은 BPSK, ISI 추정은 연판정을 이용한 추정 기법을 사용하였을 때의 성능을 나타낸 것이다. BCJR 등화기를 사용한 경우와 비교하였을 때 제안하는 기법은 10^-5의 BER 영역에서 FTN factor가 0.9, 0.8, 0.7 및 0.6 일 때 각각 약 0.2 dB, 0.7 dB, 1.1 dB 및 1.5 dB의 성능 이득을 얻을 수 있는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 제안하는 기법은 BCJR 등화기를 사용한 경우보다 우수한 BER 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
그림 9는 변조 기법으로 8-PAM을 사용하고 경판정을 사용하여 ISI를 제거하였을 때의 BER 성능을 나타낸 것이다. FTN factor가 큰 경우 연판정을 사용한 경우와 비교하였을 때 유사한 BER 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있으며 FTN factor가 작은 경우에도 반복 복호를 충분히 수행한다면 연판정을 사용한 경우와 유사한 BER 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서 경판정을 사용하여 ISI를 제거할 경우 연판정을 사용하여 ISI를 제거한 경우와 유사한 BER 성능을 나타내면서 낮은 구현 복잡도로 시스템을 구현하는 것이 가능하다.
복잡도 계산 시 변조 차수 M은 4, 반복 복호 횟수 K는 10을 고려하였으며 실선은 BCJR 등화기를 이용하여 ISI를 제거한 경우, 점선은 제안하는 기법에서 연판정을 이용하여 ISI를 제거한 경우의 계산 복잡도를 나타낸다. 그림 4에서 확인할 수 있는 바와 같이 제안하는 기법의 경우 L이 증가함에 따라 계산 복잡도가 크게 증가하지 않지만 BCJR 등화기를 이용하여 ISI를 제거할 경우 L이 증가함에 따라서 계산 복잡도가 지수적으로 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
그림 5는 변조 차수 M에 따른 계산 복잡도를 나타낸 것이며, 복잡도 계산시 L은 4, K는 10을 고려하였다. 그림 4의 결과와 마찬가지로 M이 증가함에 따라 제안하는 기법의 계산 복잡도가 BCJR 등화기를 이용한 ISI 제거 기법보다 매우 적은 증가율을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서 제안하는 기법의 경우 특점 심볼에 ISI를 미치는 인접 심볼의 개수를 많이 고려하거나 고차 변조 기법이 적용된 시스템에서도 큰 복잡도 증가 없이 적용이 가능하다.
그림 6에서 확인 할 수 있는 바와 같이 BCJR 등화기를 이용하여 ISI 추정한 경우 낮은 SNR 영역에서는 ISI를 추정하지 않은 경우와 유사한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서 예상한 바와 같이 낮은 SNR 영역에서는 BCJR 등화기가 정상적으로 동작하지 못하며 이로 인하여 성능 열화가 발생 함을 확인할 수 있다.
5 dB의 성능 이득을 얻을 수 있는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 제안하는 기법은 BCJR 등화기를 사용한 경우보다 우수한 BER 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한 FTN factor가 0.
그림 4의 결과와 마찬가지로 M이 증가함에 따라 제안하는 기법의 계산 복잡도가 BCJR 등화기를 이용한 ISI 제거 기법보다 매우 적은 증가율을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서 제안하는 기법의 경우 특점 심볼에 ISI를 미치는 인접 심볼의 개수를 많이 고려하거나 고차 변조 기법이 적용된 시스템에서도 큰 복잡도 증가 없이 적용이 가능하다.
본 논문에서는 반복 복호가 가능한 터보부호와 고차 변조가 사용된 시스템에 적용이 용이한 ISI 추정 및 보상 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 기존의 BCJR 알고리듬 및 SIC 기법을 적용한 ISI 추정 기법보다 구현 복잡도가 낮을 뿐만 아니라 고차 변조 기법이 적용된 시스템에서도 큰 복잡도 증가 없이 ISI를 제거하는 것이 가능하다.
제안하는 기법은 반복 복호가 가능한 채널 부호화 기법과 고차 변조가 적용된 시스템에서 복호 과정 중 생성한 정보에 대한 경판정 또는 연판정 결과를 이용하여 ISI를 추정하고 수신신호에서 ISI를 제거한다. 제안하는 기법은 기존의 BCJR 알고리듬 및 SIC 기법을 적용한 ISI 추정기법보다 낮은 구현 복잡도를 나타낼 뿐만 아니라 낮은 SNR 영역에서도 안정적으로 성능을 제공한다. 또한 변조 차수가 증가하더라도 하드웨어 복잡도가 크게 증가하지 않는 장점이 있다.
표 1에 나타낸 계산량은 하나의 변조 심볼 당 ISI 추정 및 보상에 요구되는 계산량을 나타낸 것이며, 기존의 BCJR 등화기를 이용한 제거 기법과 제안하는 기법에서 공통으로 수행하는 터보 복호기 및 정합 필터의 계산량은 제외하였다. 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 BCJR 등화기를 이용한 ISI 제거 기법의 경우 계산 복잡도가 M^L에 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 간섭을 일으키는 심볼의 수가 많아지거나 고차 변조를 사용할 경우 매우 큰 구현 복잡도를 가질 것을 예상할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	M-BCJR 알고리듬의 단점은 무엇인가?	BCJR 알고리듬의 구현 복잡도를 감소시키기 위한 방안으로 격자도에서 상태 수를 감소시켜 복잡도를 감소시키는 M-BCJR 알고리듬이 제안되었다[4]. M-BCJR 알고리듬은 L개의 간섭을 일으키는 심볼 중 일부만을 고려하여 ISI를 추정하는 기법으로 BCJR 알고리듬과 비교하였을 때 성능 저하를 피할 수 없으며 고차 변조를 사용할 경우 여전히 매우 높은 구현 복잡도를 갖는 단점이 있다.
	FTN 전송기법이란?	최근 통신 시스템에서는 주파수 효율 증대에 대한 요구사항이 증대되고 있으며 주파수 효율 증대 기법 중 하나로 FTN (Faster than Nyquist) 기법을 이용하여 전송 효율을 높이기 위한 방안이 대두되고 있다. 일반 적인 통신 시스템에서는 심볼간 간섭이 발생하지 않도록 나이퀴스트 (Nyquist) 율로 신호를 전송하지만 FTN 전송기법은 나이퀴스트 율 보다 더 빠르게 신호를 전송 하는 기법이며 필연적으로 ISI (Inter Symbol Interference)가 발생한다[1]. 따라서 시스템의 성능을 확보하기 위해서는 수신기에서 ISI 추정 및 보상이 필수적으로 수행되어야 한다.
	FTN 전송기법에서 시스템 성능을 확보하기 위해 어떠한 것이 필수적으로 수행되어야 하는가?	일반 적인 통신 시스템에서는 심볼간 간섭이 발생하지 않도록 나이퀴스트 (Nyquist) 율로 신호를 전송하지만 FTN 전송기법은 나이퀴스트 율 보다 더 빠르게 신호를 전송 하는 기법이며 필연적으로 ISI (Inter Symbol Interference)가 발생한다[1]. 따라서 시스템의 성능을 확보하기 위해서는 수신기에서 ISI 추정 및 보상이 필수적으로 수행되어야 한다. 기존에 FTN 시스템에서 ISI를 제거하기 위한 여러 기법들이 제안되었다[2-5].

참고문헌 (5)

J. E. Mazo, "Faster-than-Nyquist signaling," Bell Syst. Tech. J., vol. 56, pp. 1451-1462, Oct. 1975.
A. Prlja, J. B. Anderson and F. Rusek, "Receivers for Faster-than-Nyquist signaling with and without turbo equalization," ISIT 2008, pp. 464-468, July 2008.
C. Douillard, A. Picart, P. Didier, M. Jezequel, C. Berrou, and A. Glavieux, "Iterative correction of intersymbol interference: Turbo equalization," Eur. Trans. Telecommun., vol. 6, pp. 507-511, Sep.-Oct. 1995.

상세보기
J. B. Anderson and A. Prlja, "Turbo equalization and an M-BCJR algorithm for strongly narrowband intersymbol interference," in Proc. Int. Symp. Inf. Theory Appl., pp. 261-66, Taichung, Taiwan, Oct. 2010.
D. Dasalukunte, F. Rusek and V. Owall, "Multicarrier faster-than-Nyquist signaling transceivers: Hardware architecture and performance analysis," IEEE Trans. Circuits and System I: Regular Papers, vol. 58, no. 4, pp. 827-838, Apr. 2011.

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저자의 다른 논문 :

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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