본 논문에서는 MIMO(multiple input multiple output) 시스템을 위한 저복잡도 FFT(fast Fourier transform) 프로세서의 설계 및 구현 결과를 제시하였다. 무선랜을 이용한 다양한 멀티미디어 서비스 등을 이용하기 위해 높은 채널 용량과 Gbps급 전송이 가능한 시스템에 대한 요구와 함께 IEEE 802.11ac 규격이 채택되었다. MIMO-OFDM (orthogonal frequency duplex multiplexing) 기술을 사용하는 IEEE 802.11ac 규격의 무선랜 시스템은 최대 8개의 안테나 구성 및 20-160 MHz 대역폭을 지원해야한다. 따라서, 제안된 FFT 프로세서는 8채널 64, 128, 256, 512 point 가변길이를 지원한다. 또한, 비단순 승산기의 수를 감소시키기 위해서 MRMDC(mixed-radix multipath delay commutator) 구조를 적용하였고, 이로 인해 제안된 FFT 프로세서는 기존 FFT 프로세서에 비해 현저히 낮은 복잡도로 구현 가능하다. 구현 결과, 제안된 FFT processor는 기존 방식인 radix-2 SDF 구조 대비 gate count가 50 % 감소 가능하였고, 8 채널 MR-2/2/2/4/2/4/2 MDC 구조와 8채널 MR-2/2/2/8/8 MDC 구조 대비 logic gate 수를 각각 18 %와 17 % 감소 가능함이 확인되었다.
본 논문에서는 MIMO(multiple input multiple output) 시스템을 위한 저복잡도 FFT(fast Fourier transform) 프로세서의 설계 및 구현 결과를 제시하였다. 무선랜을 이용한 다양한 멀티미디어 서비스 등을 이용하기 위해 높은 채널 용량과 Gbps급 전송이 가능한 시스템에 대한 요구와 함께 IEEE 802.11ac 규격이 채택되었다. MIMO-OFDM (orthogonal frequency duplex multiplexing) 기술을 사용하는 IEEE 802.11ac 규격의 무선랜 시스템은 최대 8개의 안테나 구성 및 20-160 MHz 대역폭을 지원해야한다. 따라서, 제안된 FFT 프로세서는 8채널 64, 128, 256, 512 point 가변길이를 지원한다. 또한, 비단순 승산기의 수를 감소시키기 위해서 MRMDC(mixed-radix multipath delay commutator) 구조를 적용하였고, 이로 인해 제안된 FFT 프로세서는 기존 FFT 프로세서에 비해 현저히 낮은 복잡도로 구현 가능하다. 구현 결과, 제안된 FFT processor는 기존 방식인 radix-2 SDF 구조 대비 gate count가 50 % 감소 가능하였고, 8 채널 MR-2/2/2/4/2/4/2 MDC 구조와 8채널 MR-2/2/2/8/8 MDC 구조 대비 logic gate 수를 각각 18 %와 17 % 감소 가능함이 확인되었다.
In this paper, a low complexity fast Fourier transform(FFT) processor is proposed for multiple input multiple output(MIMO) systems. The IEEE 802.11ac standard has been adopted along with the demand for a system capable of high channel capacity and Gbps transmission in order to utilize various multim...
In this paper, a low complexity fast Fourier transform(FFT) processor is proposed for multiple input multiple output(MIMO) systems. The IEEE 802.11ac standard has been adopted along with the demand for a system capable of high channel capacity and Gbps transmission in order to utilize various multimedia services using a wireless LAN. The proposed scalable FFT processor can support the variable length of 64, 128, 256, and 512 for 8x8 antenna configuration as specified in IEEE 802.11ac standard with MIMO-OFDM scheme. By reducing the required number of non-trivial multipliers with mixed-radix(MR) and multipath delay commutator(MDC) architecture, the complexity of the proposed FFT processor was dramatically decreased. Implementation results show that the proposed FFT processor can reduced the logic gate count by 50%, compared with the radix-2 SDF FFT processor. Also, compared with the 8-channel MR-2/2/2/4/2/4/2 MDC processor and 8-channel MR-2/2/2/8/8 MDC processor, it is shown that the gate count is reduced by 18% and 17% respectively.
In this paper, a low complexity fast Fourier transform(FFT) processor is proposed for multiple input multiple output(MIMO) systems. The IEEE 802.11ac standard has been adopted along with the demand for a system capable of high channel capacity and Gbps transmission in order to utilize various multimedia services using a wireless LAN. The proposed scalable FFT processor can support the variable length of 64, 128, 256, and 512 for 8x8 antenna configuration as specified in IEEE 802.11ac standard with MIMO-OFDM scheme. By reducing the required number of non-trivial multipliers with mixed-radix(MR) and multipath delay commutator(MDC) architecture, the complexity of the proposed FFT processor was dramatically decreased. Implementation results show that the proposed FFT processor can reduced the logic gate count by 50%, compared with the radix-2 SDF FFT processor. Also, compared with the 8-channel MR-2/2/2/4/2/4/2 MDC processor and 8-channel MR-2/2/2/8/8 MDC processor, it is shown that the gate count is reduced by 18% and 17% respectively.
본 논문에서는 8x8 MIMO-OFDM 시스템에 저 복잡도 FFT 프로세서를 제안하고, IEEE 802.11ac 무선랜 시스템에서 규정하는 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz, 160 MHz의 대역폭을 지원 가능한 64, 128, 256, 512 point 가변 길이 8채널 FFT 프로세서의 최적 하드웨어 구조를 제안한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
제안 방법
11ac 무선랜 규격에서 MIMO-OFDM을 위한 FFT 프 로세서의 크기는 64/128/256/512-point이다. 따라서 제안된 MIMO-OFDM 기반의 무선랜 시스템을 위해서 하나의 FFT 프 로세서로 64/128/256/512-point를 가변적으로 지원할 수 있어야 하므로 MR-4/2/8/8 분해 방법을 제안한다. 이 분해 방법을 이용 하면 다양한 길이의 FFT 연산을 지원할 수 있고, 발생하는 twiddle factor(TF) 비단순 승산 수를 최소화 할 수 있다.
제안된 구조는 가변 길이의 FFT 프로세서를 지원하며 제안 한 분해 방법을 통해 복소수 승산 수를 줄임으로써 하드웨어 비용을 줄일 수 있고, 구현도 간단해진다. 제안된 가변 길이 FFT 프로세서는 각 point 연산에 수행되는 연산과정의 수식을 통해 공통으로 사용되는 연산 블록을 공유하게 함으로써 하드웨어 복잡도를 줄일 수 있는 하드웨어 구조를 제안하였다. 또한 다수개의 하드웨어 자원을 사용하는 대신 다수개의 입력 데이터를 이용한 연산을 통해 하드웨어 효율성을 높였다.
제안된 구조를 갖는 FFT 프로세서의 복잡도 비교를 위해 R2SDF 구조, MR-2/2/2/4/2/4/2 구조, MR-2/2/2/8/8 구조, 제안 MRMDC 구조의 FFT 프로세서를 구현하였다. 그 결과 제안된 프로세서는 R2SDF 방식의 FFT 프로세서 구조보다 50%의 gate count를 감소시킬 수 있다.
대상 데이터
11ac 무선랜 시스템을 위한 제안된 64/128/256/512-point FFT 프로세서의 하드웨어 구조를 도시하였다. 제안된 FFT 프로세서의 하드웨어 구조는 data mapping module1 (DMM1), DMM2, DMM3, data reordering module (DRM), radix-4 butterfly module (R4BM), radix-2 butterfly module (R2BM), radix-8 butterfly module1 (R8BM1), R8BM2으로 구성된다. 동작 원리는 처음 1-8개의 입 력 data가 DMM1을 통해 FFT 크기에 맞는 정확한 길이로 재구성 되어 다음 단에 입력된다.
데이터처리
제안된 구조의 FFT 프로세서는 Matlab을 이용한 부동점 FFT 연산과 Verilog-HDL로 설계 후, 65nm의 CMOS 스탠다드 셀 라이브러리를 이용하여 논리합성 하였다. 표 2는 내부 데이터의 비트수에 따른 SQNR 값을 정리하여 보여준다.
성능/효과
제안된 구조를 갖는 FFT 프로세서의 복잡도 비교를 위해 R2SDF 구조, MR-2/2/2/4/2/4/2 구조, MR-2/2/2/8/8 구조, 제안 MRMDC 구조의 FFT 프로세서를 구현하였다. 그 결과 제안된 프로세서는 R2SDF 방식의 FFT 프로세서 구조보다 50%의 gate count를 감소시킬 수 있다. 또한 MR-2/2/2/4/2/4/2 와 MR-2/2/2/8/8 구조와 비교하면 각각 18% 및 17%의 감소된 gate count로 구현이 가능함을 확인할 수 있었다.
그 결과 제안된 프로세서는 R2SDF 방식의 FFT 프로세서 구조보다 50%의 gate count를 감소시킬 수 있다. 또한 MR-2/2/2/4/2/4/2 와 MR-2/2/2/8/8 구조와 비교하면 각각 18% 및 17%의 감소된 gate count로 구현이 가능함을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
OFDM 방식의 특징은?
MIMO 기술은 채널 대역폭을 증가시키지 않고 시스템의 용량을 증대시킬 수 있는 장점을 가지고 있으며, OFDM 방식은 N개의 부반송파를 사용하여 병렬로 전송하기 때문에 다중 경로 페이딩 채널 환경에 강한 장점을 가진다. 이로 인해, MIMO와 OFDM을 결합한 MIMO-OFDM 기술이 고속 데이터 전송을 위한 핵심 기술로 각광 받고 있다 [1]-[4].
MIMO-OFDM 시스템의 문제점을 해결하기 위한 방법은?
하지만, 병렬 구조는 하드웨어 복잡도가 데이터 경로 수에 따라 선형적으로 증가하는 문제가 생긴다. 이를 해결하기 위해, MDC(multi- path delay commutator) 방식의 FFT 프로세서를 사용하여 다중 데이터 경로를 하나의 FFT 프로세서로 처리함으로써 복잡도를 감소시키는 방법이 제안 되었다 [9]. Sansaloni에 따르면, 8 채널 FFT의 경우 radix-8 MDC 방식의 FFT 프로세서가 가장 면적이 효율적인 것으로 밝혀졌다 [10].
MIMO 기술의 장점은?
MIMO 기술은 채널 대역폭을 증가시키지 않고 시스템의 용량을 증대시킬 수 있는 장점을 가지고 있으며, OFDM 방식은 N개의 부반송파를 사용하여 병렬로 전송하기 때문에 다중 경로 페이딩 채널 환경에 강한 장점을 가진다. 이로 인해, MIMO와 OFDM을 결합한 MIMO-OFDM 기술이 고속 데이터 전송을 위한 핵심 기술로 각광 받고 있다 [1]-[4].
참고문헌 (12)
H. Sampath, S. Talwar, J. Tellado, V. Erceg, and A. Paulraj, "A fourth-generation MIMO-OFDM: broadband wireless system: Design, performance, and field trial results," IEEE Communica tions Magazine, vol.40, No.9, pp.143-149, Sep.2002.
A. van Zelst, Tim C. W. Schenk, "Implementation of a MIMO OFDM-Based wireless LAN system," in IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 52, no. 2, pp. 483-494, Feb. 2004.
G. L. Stuber, J. R. Barry, S. W. McLaughlin, Y. Li, M. A. Ingram, and T. H. Pratt, "Broadband MIMO-OFDM wireless communications," in Proceedings of the IEEE, vol.92, no.2, pp.271-297, Feb.2004.
IEEE Std. 802.11n, "Wireless LAN medium access control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications," 2005.
Standard for wireless LAN medium access control(MAC) and physical layer(PHY) Specifications : Enhancements for very high Throughput for Operation in Bands below 6 GHz, IEEE I. Std. P802.11ac, 2014
M. Dali, R. M. Gibson, A. Amira, A. Guessoum and N. Ramzan, "An efficient MIMO-OFDM radix-2 SDF FFT implementation on FPGA," in proceeding of Conference on Adaptive Hardware and Systems, Montreal, pp. 1-7, 2015.
S. Lee and S. C. Park, "Modified SDF Architecture for Mixed DIF/ DIT FFT," in Proceeding of IEEE international Symposium Circuit and Systems, New Orleans, pp. 1-5, 2006
L. R. Rabiner and B. Gold. "Theory and Application of Digital Signal Processing," Prentice-Hall, 1975.
T. Sansaloni, A. Perex-Pascual, V. Torres, and J. Valls, "Efficient pipeline FFT processors for WLAN MIMO-OFDM systems," Electronics Letters, vol. 41, no. 19, pp. 1043-1044, Sep. 2005.
Y. Jung, H. Yoon, and J. Kim, "New efficient FFT algorithm and pipeline implementation results for OFDM/DMT applications," IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol.49, no.1, pp.14- 20, Feb.2003.
S. Yoshizawa, K. Nishi and Y. Miyanaga "An Area and Power Efficient Pipeline FFT Processor for 8x8 MIMO-OFDM Systems," in IEEE International Symposium on Circuits and Systems, pp.1248-1251, May 2008.
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