HPA 비선형 특성을 고려한 SSD(Simultaneous Single Band Duplex) 시스템의 설계와 성능 분석 Design and Performance Evaluation of SSD (Simultaneous Single Band Duplex) System with HPA Nonlinearity원문보기
본 논문에서는 RF Cancellation과 Digital Cancellation을 사용하는 SSD(simultaneous single band duplex) 시스템을 설계하고 여기에서 HPA의 비선형 특성이 고려될 경우의 자기 간섭 신호 제거 성능 및 시스템의 전체적인 성능을 분석한다. 또한 일반적으로 잘 알려져 있는 전치 왜곡기를 사용하여 HPA 비선형 특성을 보상할 경우에 자기 간섭 신호 제거 성능 및 전체적인 시스템의 성능을 분석한다. 선형적인 조건에서는 Digital Cancellation에서 잔류 자기 간섭 신호 성분 약 40dB가 모두 제거 되어 좋은 성능이 나오지만 HPA 비선형 특성이 존재할 경우 이를 보상하지 않으면 자기 간섭 신호가 상대국에서 보낸 목표신호에 비하여 월등히 커지기 때문에 상대국에서 보낸 목표 신호를 수신할 수 없다. 그러나 여기에 전치 왜곡기를 사용하면 HPA 비선형성을 대부분 보완하여 상대국에서 보낸 신호를 수신할 수 있는 것을 확인하였다. 또한 전치왜곡기를 사용한다고 하더라도 HPA 비선형 특성을 완전하게 보완할 수 없기 때문에 HPA 비선형성이 증가함에 따라 Digital Cancellation의 자기 간섭 신호 감쇄 성능이 감소되는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 RF Cancellation과 Digital Cancellation을 사용하는 SSD(simultaneous single band duplex) 시스템을 설계하고 여기에서 HPA의 비선형 특성이 고려될 경우의 자기 간섭 신호 제거 성능 및 시스템의 전체적인 성능을 분석한다. 또한 일반적으로 잘 알려져 있는 전치 왜곡기를 사용하여 HPA 비선형 특성을 보상할 경우에 자기 간섭 신호 제거 성능 및 전체적인 시스템의 성능을 분석한다. 선형적인 조건에서는 Digital Cancellation에서 잔류 자기 간섭 신호 성분 약 40dB가 모두 제거 되어 좋은 성능이 나오지만 HPA 비선형 특성이 존재할 경우 이를 보상하지 않으면 자기 간섭 신호가 상대국에서 보낸 목표신호에 비하여 월등히 커지기 때문에 상대국에서 보낸 목표 신호를 수신할 수 없다. 그러나 여기에 전치 왜곡기를 사용하면 HPA 비선형성을 대부분 보완하여 상대국에서 보낸 신호를 수신할 수 있는 것을 확인하였다. 또한 전치왜곡기를 사용한다고 하더라도 HPA 비선형 특성을 완전하게 보완할 수 없기 때문에 HPA 비선형성이 증가함에 따라 Digital Cancellation의 자기 간섭 신호 감쇄 성능이 감소되는 것을 확인하였다.
In this paper, we design a SSD(simultaneous single band duplex) system using RF cancellation and digital cancellation. And then, we analyze performance of the SSD system using pre-distorter with HPA non-linearity. Also, we analyze digital cancellation performance of the SSD system using pre-distorte...
In this paper, we design a SSD(simultaneous single band duplex) system using RF cancellation and digital cancellation. And then, we analyze performance of the SSD system using pre-distorter with HPA non-linearity. Also, we analyze digital cancellation performance of the SSD system using pre-distorter with HPA non-linearity. Additionally, digital cancellation cancels residual self-interference. In linear conditions, digital cancellation can cancel self-interference of 40dB. Therefore, the SSD system has good BER performance because most of self-interference is canceled. But, in HPA non-linearity conditions, digital cancellation cancels residual self-interference of 25dB. In this conditions, self-interference is greater than desired signal. Therefore, bit informations of distant station can not be received. But, we confirm that if the proposed system uses pre-distorter then bit information of distant station can be received by HPA non-linearity compensation. Also, we confirm that even though the proposed system uses pre-distorter, if HPA non-linearity increases then digital cancellation performance is degraded by imperfect compensation of HPA non-linerity.
In this paper, we design a SSD(simultaneous single band duplex) system using RF cancellation and digital cancellation. And then, we analyze performance of the SSD system using pre-distorter with HPA non-linearity. Also, we analyze digital cancellation performance of the SSD system using pre-distorter with HPA non-linearity. Additionally, digital cancellation cancels residual self-interference. In linear conditions, digital cancellation can cancel self-interference of 40dB. Therefore, the SSD system has good BER performance because most of self-interference is canceled. But, in HPA non-linearity conditions, digital cancellation cancels residual self-interference of 25dB. In this conditions, self-interference is greater than desired signal. Therefore, bit informations of distant station can not be received. But, we confirm that if the proposed system uses pre-distorter then bit information of distant station can be received by HPA non-linearity compensation. Also, we confirm that even though the proposed system uses pre-distorter, if HPA non-linearity increases then digital cancellation performance is degraded by imperfect compensation of HPA non-linerity.
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문제 정의
일반적으로 HPA의 비선형 특성은 PAPR이 높은 OFDM 시스템에서 시스템 성능을 열화시키는 중요한 요인으로 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그러나 본 논문에서는 단일 반송파를 사용하는 SSD 시스템에서 의도하지 않은 증폭기의 이득 확장 현상으로 인하여 신호가 선형 증폭 구간을 벗어나 비선형 증폭 구간으로 이동되었을 경우의 시스템 성능 특성을 분석한다. 본 논문에서는 HPA 비선형 모델로 Saleh 모델을 사용하였다.
따라서 본 논문에서는 RF Cancellation과 Digital Cancellation을 사용하는 SSD 시스템을 설계하고 여기에서 HPA의 비선형 특성이 고려될 경우의 자기 간섭 신호 제거 성능 및 시스템의 전체적인 성능을 분석한다. 또한 일반적으로 잘 알려져 있는 전치 왜곡기를 사용하여 HPA 비선형 특성을 보상할 경우에 자기 간섭 신호 제거 성능 및 전체적인 시스템의 성능을 분석한다.
제안하는 시스템은 등화기로 적응 알고리즘을 사용한 적응 등화기를 사용하였다. 본 논문에서는 BS와 MS에서 동일한 시스템 구조를 사용하여 전체적인 단일 대역 동시 전 이중통신 시스템을 구성하였다.
각각의 안테나는 송신 안테나와 수신 안테나로 사용한다. 본 논문에서는 HPA에서 비선형 특성을 고려하였을 경우 SSD 시스템 의 성능을 분석한다. 제안하는 시스템은 QAM 변조를 사용하며 HPA 비선형 특성을 보상하기 위한 Predistorter가 있다.
전치 왜곡된 신호는 DAC를 거쳐 HPA로 진행하고 HPA에 의한 비선형 특성을 통과 하더라도 최종 적으로는 선형 증폭이 된 것 같은 효과를 낼 수 있다. 본 논문에서는 HPA의 비선형성을 보상하기 위한 전치 왜곡기를 사용하였을 경우 제안하는 SSD시스템의 성능을 확인한다.
본 논문에서는 단일 대역 동시 송수신 시스템인 SSD시스템에서 HPA 비선형에 의한 성능 특성을 분석한다. HPA는 무선 통신 시스템의 송신기에서 RF 신호를 고출력 증폭하는 역할을 한다.
본 논문에서는 단일 대역 동시 송수신을 위한 SSD 시스템을 설계하고 HPA 비선형성이 존재할 경우의 신호 특성 및 성능을 분석하였다. 본 논문에서 설계한 SSD 시스템의 경우 송수신을 위한 분리된 2개의 안테나를 가지고 있다.
34이다. 본 논문에서는 입력 신호의 크기에 대하여 출력 신호의 크기가 비선형적으로 증폭되는 AM-AM 특성과 입력 신호의 크기에 대한 출력 신호의 위상이 비선형적으로 증가하는 AM-PM 특성을 갖는 HPA를 고려하였다. 그림 5에서 AM-AM 비선형 특성으로 인하여 0.
제안 방법
본 논문에서는 HPA 비선형 모델로 Saleh 모델을 사용하였다. HPA의 출력 특성은 입력 신호와 출력 신호의 크기 특성을 나타내는 AM-AM 특성과 입력 신호의 크기와 출력 신호의 위상 특성을 나타내는 AM-PM 특성을 사용 하여 모델의 비선형 특성을 나타낸다. HPA의 AM-AM 특성과 AM-PM 특성을 식으로 나타내면 다음과 같다[14].
직접 자기 간섭 신호와 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 만들기 위하여 자국 송신기의 RF 영역 신호를 위상 천이기를 이용하여 위상을 180° 천이시킨다. 그다음 직접 자기 간섭 신호와 크기가 같도록 만들기 위하여 감쇄기를 이용하여 그 크기를 조절한다. 이러한 방법을 이용하여 직접 자기 간섭 신호와 크기는 같고 위상이 반대인 신호를 만들고 이 신호를 자국 수신기의 LNA앞에 Combiner를 이용하여 결합해 준다.
본 논문에서는 SSD 시스템의 비선형 특성에 대한 분석을 하기 위하여 AM-AM 특성과 AM-PM 특성을 갖는 HPA 비선형 모델을 사용하였다. 또한 HPA의 비선형성을 보완하기 위하여 전치 왜곡기 모델을 사용하였다.
따라서 본 논문에서는 RF Cancellation과 Digital Cancellation을 사용하는 SSD 시스템을 설계하고 여기에서 HPA의 비선형 특성이 고려될 경우의 자기 간섭 신호 제거 성능 및 시스템의 전체적인 성능을 분석한다. 또한 일반적으로 잘 알려져 있는 전치 왜곡기를 사용하여 HPA 비선형 특성을 보상할 경우에 자기 간섭 신호 제거 성능 및 전체적인 시스템의 성능을 분석한다.
그 다음 RF Chain을 통과하고 최종적으로 HPA에 의해 증폭되어 송신 안테나를 통해 송신된다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 단일 대역에서 동시에 전 이중 통신을 하기 때문에 자국의 송신 신호가 자국의 수신 안테나를 통해 수신되고 상대국에서 보낸 목표 신호를 왜곡시키게 된다. 제안하는 시스템은 이러한 자기 간섭 신호를 제거하기 위하여 RF Cancellation과 Digital Cancellation을 사용한다.
본 논문에서는 자기 간섭 신호 제거를 효과적으로 제거하기 위하여 시간 영역의 프레임 구조를 이용한다. Digital Cancellation에서 자기 간섭 채널 추정을 할 때, 상대국에서 보낸 수신 신호와 자기 간섭 신호가 함께 수신되면 자기 간섭 채널을 명확하게 추정하기가 어렵다.
본 논문에서는 제안하는 SSD 시스템이 HPA에 비선형 특성을 갖을 경우와 이를 전치 왜곡기를 이용하여 보상했을 경우의 성능을 분석하기 위하여 Simulink 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 제안하는 모델을 설계하였다. 시뮬레이션의 세부 사항은 표 1과 같다.
그다음 직접 자기 간섭 신호와 크기가 같도록 만들기 위하여 감쇄기를 이용하여 그 크기를 조절한다. 이러한 방법을 이용하여 직접 자기 간섭 신호와 크기는 같고 위상이 반대인 신호를 만들고 이 신호를 자국 수신기의 LNA앞에 Combiner를 이용하여 결합해 준다.
E는 자기 간섭 채널 추정 구간을 나타낸다. 제안하는 시스템은 BS에서 최초로 송신을 하고 자기 간섭 채널을 추정한다. 이때 MS에서는 신호를 송신하지 않고 수신만 한다.
본 논문에서는 HPA에서 비선형 특성을 고려하였을 경우 SSD 시스템 의 성능을 분석한다. 제안하는 시스템은 QAM 변조를 사용하며 HPA 비선형 특성을 보상하기 위한 Predistorter가 있다. 그 다음 RF Chain을 통과하고 최종적으로 HPA에 의해 증폭되어 송신 안테나를 통해 송신된다.
자기 간섭 신호를 2단계에 거쳐 제거 한 뒤에 수신 신호를 등화하고 상대국에서 보낸 정보를 수신하게 된다. 제안하는 시스템은 등화기로 적응 알고리즘을 사용한 적응 등화기를 사용하였다. 본 논문에서는 BS와 MS에서 동일한 시스템 구조를 사용하여 전체적인 단일 대역 동시 전 이중통신 시스템을 구성하였다.
본 논문에서 제안하는 시스템은 단일 대역에서 동시에 전 이중 통신을 하기 때문에 자국의 송신 신호가 자국의 수신 안테나를 통해 수신되고 상대국에서 보낸 목표 신호를 왜곡시키게 된다. 제안하는 시스템은 이러한 자기 간섭 신호를 제거하기 위하여 RF Cancellation과 Digital Cancellation을 사용한다. 상대국에서 보낸 목표 신호는 자기 간섭 신호에 의하여 왜곡되어 자국 수신기에 수신된다.
또한 자국 송신기에서 출력되는 신호의 크기는 약 15dB의 크기를 갖고, 상대국에서 보낸 목표 신호의 경우 약 –75dB의 신호 크기를 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉 본 논문에서는 자기 간섭 신호 성분과 상대국에서 보낸 목표 신호와의 차이가 약 80dB인 상황을 고려하였다.
직접 자기 간섭 신호와 크기가 같고 위상이 반대인 신호를 만들기 위하여 자국 송신기의 RF 영역 신호를 위상 천이기를 이용하여 위상을 180° 천이시킨다.
대상 데이터
여기에서 BS와 MS는 각각 base station과 mobile station을 의미한다. 본 논문에서 제안하는 시스템은 분리된 2개의 안테나를 사용한다. 각각의 안테나는 송신 안테나와 수신 안테나로 사용한다.
자기 간섭 채널의 추정은 적응 알고리즘을 사용하여 추정한다. 여기에서 적응 알고리즘의 입력은 자국 송신기의 Digital 영역의 신호를 사용하고, 목표 신호는 자기 간섭 신호가 포함된 수신 신호를 사용한다. 입력 신호와 목표 신호로 자기 간섭 채널을 추정한다.
이론/모형
그러나 본 논문에서는 단일 반송파를 사용하는 SSD 시스템에서 의도하지 않은 증폭기의 이득 확장 현상으로 인하여 신호가 선형 증폭 구간을 벗어나 비선형 증폭 구간으로 이동되었을 경우의 시스템 성능 특성을 분석한다. 본 논문에서는 HPA 비선형 모델로 Saleh 모델을 사용하였다. HPA의 출력 특성은 입력 신호와 출력 신호의 크기 특성을 나타내는 AM-AM 특성과 입력 신호의 크기와 출력 신호의 위상 특성을 나타내는 AM-PM 특성을 사용 하여 모델의 비선형 특성을 나타낸다.
본 논문에서는 HPA의 비선형성을 보완하기 위하여 디지털 전치 왜곡기 모델을 사용한다. 전치 왜곡기는 송신기의 HPA 전 DAC 이전에 디지털 영역에 위치하게 된다.
추정 프레임이 끝난 후에 SSD 방식으로 동일 대역에서 동시에 전 이중 통신을 한다. 본 논문에서는 SSD 시스템의 비선형 특성에 대한 분석을 하기 위하여 AM-AM 특성과 AM-PM 특성을 갖는 HPA 비선형 모델을 사용하였다. 또한 HPA의 비선형성을 보완하기 위하여 전치 왜곡기 모델을 사용하였다.
그 다음 궤환된 신호에서 비선형 특성을 추정한다. 본 논문에서는 비선형 특성을 추정하기 위한 알고리즘으로 MLSE 알고리즘을 사용하였다[15]. 비선형 특성을 추정한 뒤 전치 왜곡기에서는 추정된 비선형 특성을 기반으로 신호를 전치 왜곡시킨다.
시뮬레이션의 세부 사항은 표 1과 같다. 본 논문에서는 자기 간섭 채널 추정을 위하여 LMS 알고리즘을 사용하였다. 자기 간섭 채널 추정은 600 프레임에 걸쳐 추정한다.
그리고 생성된 신호를 수신 신호에서 빼줌으로써 자기 간섭 신호를 제거 한다. 본 논문에서는 자기 간섭 채널 추정을 위한 적응 알고리즘으로 LMS 알고리즘을 사용하였다.
그림 8은 그림 6과 같은 HPA 비선형 특성이 발생하였을 경우 송신 신호의 성상도를 나타낸다. 본 논문에서는 제안하는 시스템의 변조 방식으로 4-QAM 신호를 사용하였다. 그러나 HPA 비선형 특성으로 인하여 비선형적인 출력 신호 크기 변화와 위상 회전이 발생하였음을 확인할 수 있다.
Digital Cancellation에서는 가장 먼저 자기 간섭 채널을 추정한다. 자기 간섭 채널의 추정은 적응 알고리즘을 사용하여 추정한다. 여기에서 적응 알고리즘의 입력은 자국 송신기의 Digital 영역의 신호를 사용하고, 목표 신호는 자기 간섭 신호가 포함된 수신 신호를 사용한다.
성능/효과
HPA의 비선형 특성으로 인하여 원래의 송신 신호의 대역폭 외부 OOB(out of band)에 혼변조 성분으로 인하여 비선형 왜곡이 발생하였음을 확인할 수 있다. OOB에 발생하는 비선형 왜곡에 의한 신호 성분은 HPA의 비선형성이 증가할수록 더욱 크게 발생하게 된다.
선형적인 조건에서는 Digital Cancellation에서 잔류 자기 간섭 신호 성분 약 40dB가 모두 제거 되어 좋은 성능이 나오지만 HPA 비선형 특성이 존재할 경우 이를 보상하지 않으면 자기 간섭 신호가 상대국에서 보낸 목표신호에 비하여 월등히 커지기 때문에 상대국에서 보낸 목표 신호를 수신할 수 없다. 그러나 여기에 전치 왜곡기를 사용하면 HPA 비선형성을 대부분 보완하여 상대국에서 보낸 신호를 수신할 수 있는 것을 확인하였다. 또한 전치왜곡기를 사용한다고 하더라도 HPA 비선형 특성을 완전하게 보완할 수 없기 때문에 HPA 비선형성이 증가함에 따라 Digital Cancellation의 자기 간섭 신호 감쇄 성능이 감소되는 것을 확인하였다.
또한 자국 송신기에서 출력되는 신호의 크기는 약 15dB의 크기를 갖고, 상대국에서 보낸 목표 신호의 경우 약 –75dB의 신호 크기를 갖는 것을 확인할 수 있다.
그러나 여기에 전치 왜곡기를 사용하면 HPA 비선형성을 대부분 보완하여 상대국에서 보낸 신호를 수신할 수 있는 것을 확인하였다. 또한 전치왜곡기를 사용한다고 하더라도 HPA 비선형 특성을 완전하게 보완할 수 없기 때문에 HPA 비선형성이 증가함에 따라 Digital Cancellation의 자기 간섭 신호 감쇄 성능이 감소되는 것을 확인하였다.
그림 11은 표 2의 비선형성 조건에 따른 제안하는 시스템의 BER 성능을 나타낸다. 본 논문에서 제안하는 단일 대역 동시 전 이중통신을 위한 SSD 시스템의 경우 HPA 비선형 특성이 없을 경우 가장 좋은 성능을 나타내며 10dB에서 약의 성능을 낸다. 여기에서 HPA 비선형 특성이 있고 이를 전치 왜곡기를 통하여 보상하지 않을 경우 자기 간섭 신호를 제거하지 못하여 상대국에서 보낸 정보를 수신하지 못하는 것을 확인할 수 있다.
여기에서는 신호의 크기가 약 4000∼6000되는 자기 간섭 신호와 크기가 작은0.6∼0.9에 이르는 상대국에서 보낸 목표 신호에 모두 HPA 비선형 특성이 적용되었음을 확인할 수 있다.
그림 6은 제안하는 시스템의 송신 신호 특성을 나타낸다. 제안하는 시스템은 0.4에서 0.65사이의 입력 신호가 인가되었을 경우 출력 신호의 크기가 비선형적으로 증폭되며 입력 신호의 크기가 커질수록 비선형적으로 위상 회전이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
그러나 상대국에서 보낸 목표신호의 크기는 약 –60dB로 자기 간섭 신호 성분이약 20dB 더 크기 때문에 상대국에서 보낸 정보를 수신할 수 없다. 즉, HPA에 비선형 특성이 존재할 경우Digital Cancellation의 자기 간섭 신호 감쇄 성능이열화되는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
즉, 시스템에 비선형성이 발생하게 되면 자기 간섭 제거 성능을 감소시키게되고 결국 전체적인 시스템의 성능을 열화 시키는 요인이 된다. 이러한 비선형 특성으로 인하여 발생되는 성능 열화를 보완하기 위하여 기존의 전치 왜곡기 및 Digital cancellation이 보완되어야 함을 확인할 수 있다. 여기에서 Digital cancellation은 비선형 특성까지 효과적으로 추정하는 Digital cancellation 알고리즘이 요구되는 것을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SSD 시스템이란 무엇인가?
SSD 시스템은 단일 대역에서 동시에 송수신을 하기 위한 시스템이다. SSD 시스템은 단일 대역에서 동시에 전 이중통신을 할 수 있기 때문에 스펙트럼 효율이 크게 향상된다.
SSD 시스템의 장점은 무엇인가?
SSD 시스템은 단일 대역에서 동시에 송수신을 하기 위한 시스템이다. SSD 시스템은 단일 대역에서 동시에 전 이중통신을 할 수 있기 때문에 스펙트럼 효율이 크게 향상된다. SSD 시스템은 단일 대역에서 송신신호와 수신 신호가 동시에 존재하게 된다.
LNA 앞에서 RF Cancellation을 통해 1차적으로 자기 간섭 신호를 감쇄시키는 것은 어떤 상황을 방지하기 위한 것인가?
RF Cancellation은 수신기의 LNA 앞단 RF 영역에서 자기 간섭 신호를 제거하는 방법이다[10]. 수신기에 크기가 큰 자기 간섭 신호가 인가될 경우 LNA가 포화되어 어떠한 수신 신호도 LNA를 통과할 수 없다. 이러한 상황을 방지하지 위해 LNA 앞에서 RF Cancellation을 통해 1차적으로 자기 간섭 신호를 감쇄시킨다.
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