5세대 이동통신을 위한 OFDM, UFMC, FBMC 시스템의 BER과 스펙트럼의 비선형 특성 평가 Nonlinear Effect on the BER and Spectrum Shape of OFDM, UFMC and FBMC for 5G Mobile Communication원문보기
최근 5G 모바일 통신 시스템에서 요구하는 KPI(Key Performance Indicator)를 만족시키기 위해 새로운 Waveform 연구가 활발하게 진행되고 있다. 연구 중인 차세대 Waveform 중 OOB의 전력을 획기적으로 감소시킬 수 있는 기술로 UFMC 및 FBMC가 잘 알려져 있다. 본 논문에서는 OFDM, UFMC, FBMC 각 시스템의 HPA 비선형성에 대한 특성을 스펙트럼 및 BER 성능 측면에서 평가하고 분석한다. 각 시스템을 설계한 후 HPA 선형 및 비선형 조건에 대한 스펙트럼 및 BER 특성을 평가해본 결과, HPA 비선형 특성이 증가할수록 OFDM, UFMC, FBMC 신호 모두 OOB의 전력 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있으며 FBMC가 가장 큰 폭으로 OOB의 전력이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 BER 성능 측면에서 보면 HPA 비선 형성이 증가할 때, 모든 시스템의 성능이 열화 되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 논문에서는 실제 시스템을 구현할 때, HPA 비선형성에 의해서 BER 성능 및 OOB 전력 특성이 열화되어 유사한 특성을 갖게 되므로, 낮은 복잡도와 고속 처리를 할 수 있는 시스템이 유리하다는 것을 확인할 수 있다.
최근 5G 모바일 통신 시스템에서 요구하는 KPI(Key Performance Indicator)를 만족시키기 위해 새로운 Waveform 연구가 활발하게 진행되고 있다. 연구 중인 차세대 Waveform 중 OOB의 전력을 획기적으로 감소시킬 수 있는 기술로 UFMC 및 FBMC가 잘 알려져 있다. 본 논문에서는 OFDM, UFMC, FBMC 각 시스템의 HPA 비선형성에 대한 특성을 스펙트럼 및 BER 성능 측면에서 평가하고 분석한다. 각 시스템을 설계한 후 HPA 선형 및 비선형 조건에 대한 스펙트럼 및 BER 특성을 평가해본 결과, HPA 비선형 특성이 증가할수록 OFDM, UFMC, FBMC 신호 모두 OOB의 전력 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있으며 FBMC가 가장 큰 폭으로 OOB의 전력이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 BER 성능 측면에서 보면 HPA 비선 형성이 증가할 때, 모든 시스템의 성능이 열화 되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 논문에서는 실제 시스템을 구현할 때, HPA 비선형성에 의해서 BER 성능 및 OOB 전력 특성이 열화되어 유사한 특성을 갖게 되므로, 낮은 복잡도와 고속 처리를 할 수 있는 시스템이 유리하다는 것을 확인할 수 있다.
Recently, researches for new waveforms have been carried in order to satisfy KPI for 5G mobile communication system. UFMC and FBMC are well known as ways to reduce OOB power. In this paper, we analyze spectrum of OFDM, UFMC, and FBMC system under nonlinear HPA environment. And then we evaluate and a...
Recently, researches for new waveforms have been carried in order to satisfy KPI for 5G mobile communication system. UFMC and FBMC are well known as ways to reduce OOB power. In this paper, we analyze spectrum of OFDM, UFMC, and FBMC system under nonlinear HPA environment. And then we evaluate and analyze performance of these systems under the same environment. As simulation results, OOB power of OFDM, UFMC, and FBMC increases with HPA nonlinearity increasement. Especially, OOB power of FBMC is the largest increase due to HPA nonlinearity. Also, BER performance of these systems is degraded by increasement of HPA nonlinearity. Therefore, In this paper, we can confirm that a system with low-complexity and high-speed processing is advantageous, because BER performance and OOB power characteristic of these systems are degraded to similar level, when these systems are implemented in real world.
Recently, researches for new waveforms have been carried in order to satisfy KPI for 5G mobile communication system. UFMC and FBMC are well known as ways to reduce OOB power. In this paper, we analyze spectrum of OFDM, UFMC, and FBMC system under nonlinear HPA environment. And then we evaluate and analyze performance of these systems under the same environment. As simulation results, OOB power of OFDM, UFMC, and FBMC increases with HPA nonlinearity increasement. Especially, OOB power of FBMC is the largest increase due to HPA nonlinearity. Also, BER performance of these systems is degraded by increasement of HPA nonlinearity. Therefore, In this paper, we can confirm that a system with low-complexity and high-speed processing is advantageous, because BER performance and OOB power characteristic of these systems are degraded to similar level, when these systems are implemented in real world.
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문제 정의
따라서 실제 시스템을 설계할 경우 이러한 비선형성을 고려하여야 한다. 본 논문에서는 HPA 비선형성의 강도에 따라서 각 시스템의 스펙트럼과 BER 특성의 변화 추이를 비교 분석하였다. 결론적으로 UFMC 및FBMC는 선형조건에서는 매우 좋은 OOB 특성을 나타내나, 실제 환경과 같은 비선형 조건이 존재할 경우 OOB 특성이 크게 열화 되는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 각 OFDM, UFMC, FBMC 시스템에 실제 구현에서 고려되어야 할 비선형 HPA에 대한 스펙트럼 특성 분석 및 성능 평가를 하는 것이 목적이다. 따라서 각 시스템을 설계하고 송신기에 비선형 HPA 모델을 적용하였다.
본 논문에서는 보호 대역을 최소화하고, 보호 대역을 활용한 통신을 하여 스펙트럼 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있도록 하기 위하여, OFDM, UFMC, FBMC 각 시스템의 HPA 비선형성에 대한 특성을 스펙트럼 및 BER 성능을 평가하고 비교 분석한다. 각 시스템을 설계한 후 HPA 선형 및 비선형 조건에 대한 스펙트럼 및 BER 특성을 평가해본 결과, HPA 비선형 특성이 증가할수록 OFDM, UFMC, FBMC 신호 모두 OOB의 전력 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있으며 FBMC가 가장 큰 폭으로 OOB의 전력이 증가하는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 비선형 HPA가 적용된 OFDM, UFMC,FBMC 시스템의 스펙트럼 특성과 BER 성능을 평가하고 비교 분석한다. 시뮬레이션을 위한 각 파라미터는 표 1과 같다.
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 첫 번째 단계로 HPA 비선형성에 의한 FBMC, UFMC 변조신호들의 왜곡특성을 스펙트럼과 성능 측면에서 파악 것을 목표로 한다. 첫째로 OFDM, UFMC, FBMC에 대한 시스템을 각각 설계한다.
제안 방법
첫째로 OFDM, UFMC, FBMC에 대한 시스템을 각각 설계한다. 그다음 선형조건에서 각각의 시스템의 스펙트럼 특성과 BER 성능을 평가하고 비교 분석한다. 둘째로 OFDM, UFMC, FBMC 각각의 시스템에 비선형 HPA 모델을 적용한 후 스펙트럼 특성과 BER 성능을 평가하고 비교 분석한다.
그다음 선형조건에서 각각의 시스템의 스펙트럼 특성과 BER 성능을 평가하고 비교 분석한다. 둘째로 OFDM, UFMC, FBMC 각각의 시스템에 비선형 HPA 모델을 적용한 후 스펙트럼 특성과 BER 성능을 평가하고 비교 분석한다.
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 첫 번째 단계로 HPA 비선형성에 의한 FBMC, UFMC 변조신호들의 왜곡특성을 스펙트럼과 성능 측면에서 파악 것을 목표로 한다. 첫째로 OFDM, UFMC, FBMC에 대한 시스템을 각각 설계한다. 그다음 선형조건에서 각각의 시스템의 스펙트럼 특성과 BER 성능을 평가하고 비교 분석한다.
대상 데이터
시뮬레이션을 위한 각 파라미터는 표 1과 같다. 스펙트럼 평가에서는 16개의 부반송파를, BER 평가에서는 32개의 부반송파를 사용하였다.
이론/모형
본 논문에서는 각 OFDM, UFMC, FBMC 시스템에 실제 구현에서 고려되어야 할 비선형 HPA에 대한 스펙트럼 특성 분석 및 성능 평가를 하는 것이 목적이다. 따라서 각 시스템을 설계하고 송신기에 비선형 HPA 모델을 적용하였다.
본 논문에서는 각 시스템에 적용할 비선형 HPA 모델로 Saleh 모델을 사용하였다. HPA 비선형 특성은 입력 신호의 진폭에 대한 출력 신호의 진폭 특성을 나타내는 AM-AM 특성과, 입력 신호의 진폭에 대한 출력신호의 위상 천이 특성을 나타내는 AM-PM 특성이 있다.
성능/효과
(b)～그림 7. (e)를 보면 FBMC 시스템에 HPA 비선형 특성이 적용될 경우 OOB 전력의 크기가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, HPA 비선형에 의해 FBMC의 장점을 잃게 된다.
5 (e)와 같이 가장 강한 HPA 비선형 특성이 적용될 경우 OOB의 전력이 크게 증가하여 –60dB의 크기를 갖는 것을 확인할 수 있다.
이때 OOB의 전력은 약 –120dB 를 나타낸다. OFDM 및 UFMC와 비교해서 가장 낮은 OOB 전력을 갖는 것을 확인할 수 있다. 그러나 그림 7.
그림 8, 그림 9, 그림 10은 각각 OFDM, UFMC, FBMC 시스템의 선형 및 비선형 조건에 대한 BER 성능을 나타낸 것이다. OFDM, UFMC, FBMC 시스템 모두 선형 조건에서 가장 좋은 성능을 내며 비선형성이 증가할 경우 점차적으로 성능열화가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 보호 대역을 최소화하고, 보호 대역을 활용한 통신을 하여 스펙트럼 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있도록 하기 위하여, OFDM, UFMC, FBMC 각 시스템의 HPA 비선형성에 대한 특성을 스펙트럼 및 BER 성능을 평가하고 비교 분석한다. 각 시스템을 설계한 후 HPA 선형 및 비선형 조건에 대한 스펙트럼 및 BER 특성을 평가해본 결과, HPA 비선형 특성이 증가할수록 OFDM, UFMC, FBMC 신호 모두 OOB의 전력 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있으며 FBMC가 가장 큰 폭으로 OOB의 전력이 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 결과로 HPA 비선형 조건이 있을 경우 OOB 성능이 열화 되어 유사한 특성을 갖기 때문에, 선형 조건에서의 스펙트럼 특성이 좋은 것을 선택하는 것보다, 전체적인 시스템의 복잡도가 낮으면서 OOB 전력을 저감시키는 기술이 유리함을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 HPA 비선형성의 강도에 따라서 각 시스템의 스펙트럼과 BER 특성의 변화 추이를 비교 분석하였다. 결론적으로 UFMC 및FBMC는 선형조건에서는 매우 좋은 OOB 특성을 나타내나, 실제 환경과 같은 비선형 조건이 존재할 경우 OOB 특성이 크게 열화 되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 인접 주파수 대역 사이에 보호 대역을 구성하거나, 기존 보호 대역을 활용하는 통신을 할 경우 인접 어플리케이션의 주파수 대역에 간섭을 일으키지 않도록 이러한 OOB 전력의 상승을 고려하여 보호 대역의 크기를 결정하고, 현재 시스템의 OOB 전력에 따라서 인접 대역에 간섭을 일으키지 않는 크기를 갖는 보호대역을 선택하여 활용해야 할 것이다.
이러한 결과로 HPA 비선형 조건이 있을 경우 OOB 성능이 열화 되어 유사한 특성을 갖기 때문에, 선형 조건에서의 스펙트럼 특성이 좋은 것을 선택하는 것보다, 전체적인 시스템의 복잡도가 낮으면서 OOB 전력을 저감시키는 기술이 유리함을 확인할 수 있다. 또한 BER 성능 측면에서 보면 HPA 비선형성이 증가할 때, 모든 시스템의 성능이 열화 되는 것을 확인하였다. 즉, 실제 시스템을 설계하고, 주파수 할당을 함에 있어서 HPA 비선형 특성을 고려하여 요구되는 인접 대역간 보호 대역의 크기를 결정해야 할 것이며, 보호 대역을 활용하는 통신을 할 경우, HPA에 의해 열화될 OOB 전력 크기를 고려하여, 인접 대역에 간섭을 일으키지 않으면서 통신을 할 수 있는 보호 대역을 선택하도록 해야 할 것이다.
그러나 보호 대역을 활용할 때, 보호대역 양쪽의 주파수 대역에 간섭을 일으키면 안 되기 때문에 OOB를최소화 하는 것은 매우 중요하다. 본 논문의 시뮬레이션 결과와 같이 UFMC 및 FBMC와 같은 필터링 기법을 사용한 시스템은 OOB 전력의 크기를 획기적으로저감시킬 수 있음을 확인하였다. 그러나 실제 시스템을 구현함에 있어서 사용되는 다양한 RF 소자들의 Non-ideal 특성이나 특히 HPA 비선형 특성으로 인하여 신호 왜곡이 발생할 수 있다.
선형 HPA 조건에서는 FBMC가 가장 낮은 OOB 특성을 갖지만 HPA 비선형성이 증가할수록 점차적으로 UFMC 및 FBMC의 OOB가 증가하여 유사해지는 것을 확인할 수 있다.
각 시스템을 설계한 후 HPA 선형 및 비선형 조건에 대한 스펙트럼 및 BER 특성을 평가해본 결과, HPA 비선형 특성이 증가할수록 OFDM, UFMC, FBMC 신호 모두 OOB의 전력 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있으며 FBMC가 가장 큰 폭으로 OOB의 전력이 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 결과로 HPA 비선형 조건이 있을 경우 OOB 성능이 열화 되어 유사한 특성을 갖기 때문에, 선형 조건에서의 스펙트럼 특성이 좋은 것을 선택하는 것보다, 전체적인 시스템의 복잡도가 낮으면서 OOB 전력을 저감시키는 기술이 유리함을 확인할 수 있다. 또한 BER 성능 측면에서 보면 HPA 비선형성이 증가할 때, 모든 시스템의 성능이 열화 되는 것을 확인하였다.
후속연구
또한 BER 성능 측면에서 보면 HPA 비선형성이 증가할 때, 모든 시스템의 성능이 열화 되는 것을 확인하였다. 즉, 실제 시스템을 설계하고, 주파수 할당을 함에 있어서 HPA 비선형 특성을 고려하여 요구되는 인접 대역간 보호 대역의 크기를 결정해야 할 것이며, 보호 대역을 활용하는 통신을 할 경우, HPA에 의해 열화될 OOB 전력 크기를 고려하여, 인접 대역에 간섭을 일으키지 않으면서 통신을 할 수 있는 보호 대역을 선택하도록 해야 할 것이다.
결론적으로 UFMC 및FBMC는 선형조건에서는 매우 좋은 OOB 특성을 나타내나, 실제 환경과 같은 비선형 조건이 존재할 경우 OOB 특성이 크게 열화 되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 인접 주파수 대역 사이에 보호 대역을 구성하거나, 기존 보호 대역을 활용하는 통신을 할 경우 인접 어플리케이션의 주파수 대역에 간섭을 일으키지 않도록 이러한 OOB 전력의 상승을 고려하여 보호 대역의 크기를 결정하고, 현재 시스템의 OOB 전력에 따라서 인접 대역에 간섭을 일으키지 않는 크기를 갖는 보호대역을 선택하여 활용해야 할 것이다. 추가로 이러한 HPA 비선형성에 의한 OOB 전력의 상승 및 BER 특성의 열화는 높은 PAPR 특성에 의해 심화되기 때문에, PAPR을 효과적으로 저감하는 기술에 대한 연구가 추가적으로 이루어져야할 것이다.
즉, 인접 주파수 대역 사이에 보호 대역을 구성하거나, 기존 보호 대역을 활용하는 통신을 할 경우 인접 어플리케이션의 주파수 대역에 간섭을 일으키지 않도록 이러한 OOB 전력의 상승을 고려하여 보호 대역의 크기를 결정하고, 현재 시스템의 OOB 전력에 따라서 인접 대역에 간섭을 일으키지 않는 크기를 갖는 보호대역을 선택하여 활용해야 할 것이다. 추가로 이러한 HPA 비선형성에 의한 OOB 전력의 상승 및 BER 특성의 열화는 높은 PAPR 특성에 의해 심화되기 때문에, PAPR을 효과적으로 저감하는 기술에 대한 연구가 추가적으로 이루어져야할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
차세대 모바일 통신시스템은 무엇을 요구하는가?
이러한 이유로 인해 다수의 모바일 기기들이 다중접속을 하는 상황에서는 스펙트럼 자원의 낭비가 심화된다. 차세대 모바일 통신시스템은 매우 높은 수준의KPI(Key Performance Indicator)를 요구한다. OFDM 기술은 이 KPI를 만족시키기 어렵다.
KPI를 만족시키기 위한 변조기술로 무엇이 주목받고 있는가?
OFDM 기술은 이 KPI를 만족시키기 어렵다. 이 KPI를 만족시키기 위한 변조기술로 UFMC(Universal Filtered Multi-Carrier)와 FBMC(Filter Bank Multi-Carrier)가 주목받고 있다[6～7]. 이 기술들은 OFDM 기술에 필터링 기술이 결합되어 낮은 OOB 전력 특성을 갖는다.
기존 OFDM 기술이 OOB 특성을 가짐으로써 발생하는 현상은 무엇인가?
기존 다중반송파를 사용하는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기술은 높은 전력의OOB(Out-of-Band) 특성을 갖는다[5]. 이러한 특성은 인접대역에 간섭을 일으킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 OFDM 기술은 넓은 보호 대역을 사용해야 한다.
참고문헌 (13)
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Elshirkasi, A.M.; Siddiqi, M.U.; Habaebi, M.H., "Generalized Discrete Fourier Transform Based Minimization of PAPR in OFDM Systems," in Computer and Communication Engineering (ICCCE), 2014 International Conference on, pp. 205-208, 23-25 Sept. 2014.
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