오차 신호의 비선형 변환을 이용한 Varying Step Size 방식의 SE-MMA 적응 등화 알고리즘의 성능 평가 Performance Evaluation of SE-MMA Adaptive Equalization Algorithm with Varying Step Size based on Error Signal's Nonlinear Transform원문보기
본 논문은 16-QAM과 같은 스펙트럼 효율적인 nonconstant modulus 신호 전송에서 채널에서 발생되는 찌그러짐에 의한 부호간 간섭을 보상하기 위한 SE-MMA (Signed Error-Multiple Modulus Algorithm) 블라인드 적응등화 알고리즘에서 오차 신호의 비선형성을 이용한 가변 적응 스텝 크기를 적용하여 등화 성능을 개선할 수 있는 VSS_SE-MMA (Varying Step Size_SE-MMA)에 관한 것이다. SE-MMA는 기존 MMA적응 등화기의 탭 계수 갱신시 오차 신호의 극성만을 이용하므로서 연산량을 줄이기 위하여 등장하였으나 이로 인한 등화 성능이 열화되는 문제점이 있다. VSS_SE-MMA에서는 이와 같은 SE-MMA의 문제점을 개선하기 위해 오차 신호를 고려한 스텝의 크기를 변화시켜 적응 등화기의 탭 계수 갱신에 이용하므로서 이의 성능을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 이의 개선된 성능을 확인하기 위하여 등화기 출력 성상도, 잔류 isi, 최대 찌그러짐과 MSE, 채널의 신호대 잡음비에 따른 SER을 적용하였으며, 시뮬레이션 결과 VSS_SE-MMA 알고리즘이 SE-MMA보다 수렴 속도에서 거의 비슷하면서도 정상 상태에서 모든 성능 지수에서 개선됨을 확인하였다.
본 논문은 16-QAM과 같은 스펙트럼 효율적인 nonconstant modulus 신호 전송에서 채널에서 발생되는 찌그러짐에 의한 부호간 간섭을 보상하기 위한 SE-MMA (Signed Error-Multiple Modulus Algorithm) 블라인드 적응등화 알고리즘에서 오차 신호의 비선형성을 이용한 가변 적응 스텝 크기를 적용하여 등화 성능을 개선할 수 있는 VSS_SE-MMA (Varying Step Size_SE-MMA)에 관한 것이다. SE-MMA는 기존 MMA 적응 등화기의 탭 계수 갱신시 오차 신호의 극성만을 이용하므로서 연산량을 줄이기 위하여 등장하였으나 이로 인한 등화 성능이 열화되는 문제점이 있다. VSS_SE-MMA에서는 이와 같은 SE-MMA의 문제점을 개선하기 위해 오차 신호를 고려한 스텝의 크기를 변화시켜 적응 등화기의 탭 계수 갱신에 이용하므로서 이의 성능을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 이의 개선된 성능을 확인하기 위하여 등화기 출력 성상도, 잔류 isi, 최대 찌그러짐과 MSE, 채널의 신호대 잡음비에 따른 SER을 적용하였으며, 시뮬레이션 결과 VSS_SE-MMA 알고리즘이 SE-MMA보다 수렴 속도에서 거의 비슷하면서도 정상 상태에서 모든 성능 지수에서 개선됨을 확인하였다.
This paper related with the VSS_SE-MMA (Varying Step Size_Signed Error-MMA) which possible to improving the equalization performance that employing the varying adaptive step size based on the nonlinearities of error signal of SE-MMA (Signed Error-MMA), compensates the intersymbol interference by dis...
This paper related with the VSS_SE-MMA (Varying Step Size_Signed Error-MMA) which possible to improving the equalization performance that employing the varying adaptive step size based on the nonlinearities of error signal of SE-MMA (Signed Error-MMA), compensates the intersymbol interference by distortion occurs at the communication channel, in the transmitting the spectral efficient nonconstant modulus signal such as 16-QAM. The SE-MMA appeared to the reducing the computational arithematic operation using the polarity of error signal in the updating the tap coefficient of present MMA adaptive equalizer, but have a problem of equalization performance degradation. The VSS_SE-MMA improves the problem of such SE-MMA, using the varying step size consider the error signal in the update the adaptive equalizer tap coefficient, and its improved performance were confirmed by simulation. For this, the output signal constellation of equalizer, the residual isi and maximum distortion, MSE and SER were applied. As a result of computer simulation, it was confirmed that the VSS_SE-MMA algorithm has nearly same in convergence speed and has more good performance in every performance index at the steady state.
This paper related with the VSS_SE-MMA (Varying Step Size_Signed Error-MMA) which possible to improving the equalization performance that employing the varying adaptive step size based on the nonlinearities of error signal of SE-MMA (Signed Error-MMA), compensates the intersymbol interference by distortion occurs at the communication channel, in the transmitting the spectral efficient nonconstant modulus signal such as 16-QAM. The SE-MMA appeared to the reducing the computational arithematic operation using the polarity of error signal in the updating the tap coefficient of present MMA adaptive equalizer, but have a problem of equalization performance degradation. The VSS_SE-MMA improves the problem of such SE-MMA, using the varying step size consider the error signal in the update the adaptive equalizer tap coefficient, and its improved performance were confirmed by simulation. For this, the output signal constellation of equalizer, the residual isi and maximum distortion, MSE and SER were applied. As a result of computer simulation, it was confirmed that the VSS_SE-MMA algorithm has nearly same in convergence speed and has more good performance in every performance index at the steady state.
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문제 정의
논문에서는 16-QAM과 같은 nonconstant modulus 신호에서 기존 MMA 적응 등화 알고리즘의 연산량을 단순화시킨 고정 스텝의 SE-MMA 알고리즘에 오차 신호의 비선형성을 이용한 VSS_SE-MMA 적응 등화 알고리즘의 성능을 평가하였다. 성능 평가 결과 정상 상태에서 VSS_SE-MMA가 SE-MMA보다 잔류 isi에서는 0.
본 논문에서는 대역폭 제한 채널에서 널리 사용되고 있는 nonconstant modulus 신호인 16-QAM 신호를 송신 신호로 사용할 때 수신측의 적응 등화 알고리즘에서 스텝 크기를 변화시키므로서 SE-MMA 적응 등화 성능을 개선할 수 있는 오차 신호의 비선형성을 이용하여 가변 스텝 크기를 갖는 VSS_SE-MMA 알고리즘에 대하여 제안하며, 이의 개선된 성능을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 성능 비교를 위한 지수로는 등화기 출력 신호 성상도, 수렴 특성을 나타내는 잔류 isi, 최대 찌그러짐과 MSE, 알고리즘의 외부 잡음에 대한 강인성을 보이기 위한 SER을 사용하였고, 정량적으로 수렴 특성 지수에서 정상 상태에 도달하기 위한 iteration 횟수가 사용되었다.
가설 설정
(1) 송신 필터와 수신 필터는 이상적이다.
(3) 미지의 SISO (Single In Single Output) 시스템인 채널 \(h_k\)는 비최소 위상 선형 시불변으로 전달 함수는 단위원상에 영점이 존재하지 않는다.
제안 방법
기존 MMA 적응 등화 알고리즘의 연산량을 줄인 SE-MMA 알고리즘에서 열화된 성능을 개선시키기 위하여 오차 신호의 비선형 특성을 이용한 varying step size를 적용한 VSS_SE-MMA 알고리즘의 성능을 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 위하여 신호대 잡음비는 30dB, SE-MMA의 고정 스텝 크기 μ=0.
본 논문에서는 대역폭 제한 채널에서 널리 사용되고 있는 nonconstant modulus 신호인 16-QAM 신호를 송신 신호로 사용할 때 수신측의 적응 등화 알고리즘에서 스텝 크기를 변화시키므로서 SE-MMA 적응 등화 성능을 개선할 수 있는 오차 신호의 비선형성을 이용하여 가변 스텝 크기를 갖는 VSS_SE-MMA 알고리즘에 대하여 제안하며, 이의 개선된 성능을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 성능 비교를 위한 지수로는 등화기 출력 신호 성상도, 수렴 특성을 나타내는 잔류 isi, 최대 찌그러짐과 MSE, 알고리즘의 외부 잡음에 대한 강인성을 보이기 위한 SER을 사용하였고, 정량적으로 수렴 특성 지수에서 정상 상태에 도달하기 위한 iteration 횟수가 사용되었다. 2 장에서는 적응 등화기를 적용한 통신 시스템의 모델을 설명한 후 3 장에서는 SE-MMA 알고리즘과 가변 스텝 크기에 대해 설명한 후, 4 장에서는 시뮬레이션의 과정과 결과를 제시한 후 5 장에서는 결론을 내리겠다.
이를 위하여 신호대 잡음비는 30dB, SE-MMA의 고정 스텝 크기 μ=0.0013과동일한 채널을 적용하였다.
그림에서는 VSS_SE-MMA가 고정 스텝의 SE-MMA보다 신호점간 거리와 신호점의 폭이 좁아 성능이 우월함을 알 수 있다. 적응 등화기의 성능을 나타내는 두 번째 내부 지수로 잔류 isi와 최대 찌그러짐 및 MSE를 사용하였다. 잔류 isi 는 통신 채널 hκ와 등화 필터 계수 fκ가 완전 보상 상태에서 발생되는 잔류 성분들의 전력 크기를 나타내며, 최대 찌그러짐은 잔류 성분들의 전압 크기를 나타내고, MSE는 적응 등화기 출력과 결정 장치 출력간의 진폭 차이의 자승치로 정의된다.
대상 데이터
적응 등화기의 성능을 나타내는 다른 지수로 잔류 isi 와 최대 찌그러짐 및 MSE를 사용하였다. 잔류 isi는 통신 채널 hκ와 등화 필터 계수 fκ가 완전 보상 상태에서 발생되는 잔류 성분들의 전력 크기를 나타내며, 최대 찌그러짐은 잔류 성분들의 전압 크기를 나타내고, MSE는 적응 등화기 출력과 결정 장치 출력간의 진폭 차이의 자승치로 정의된다.
성능/효과
논문에서는 16-QAM과 같은 nonconstant modulus 신호에서 기존 MMA 적응 등화 알고리즘의 연산량을 단순화시킨 고정 스텝의 SE-MMA 알고리즘에 오차 신호의 비선형성을 이용한 VSS_SE-MMA 적응 등화 알고리즘의 성능을 평가하였다. 성능 평가 결과 정상 상태에서 VSS_SE-MMA가 SE-MMA보다 잔류 isi에서는 0.31dB, 최대 찌그러짐에서는 0.4dB, MSE에서는 0.4dB 정도 개선됨을 알 수 있었으며, 채널의 급변동이나 순단같은 상황에서 정상 상태에 도달하기 위한 수렴 속도에 서도 거의 유사함을 알 수 있었으며, 외부 부가되는 잡음에 대한 강인성을 확인하기 위한 SER 성능에서도 우월함이 확인되었다. 이와 같은 적응 등화 알고리즘의 성능을 충분히 이용하여 고속 광대역 통신과 같은 응용 분야에서 스펙트럼 효율이 높은 신호 방식을 사용할 때 이를 효율적으로 복원하기 위한 수신기의 부가 기술로서 높은 활용이 기대된다.
그림 8은 정상 상태에서 성능 지수인 등화기 출력 신호의 성상도를 나타낸 것이다. 성상도에서 각 신호점을 명확하게 알 수 있으며, 각 신호점간의 거리가 크며 신호점의 폭이 좁을수록 등화 능력이 우수하다. 그림에서는 VSS_SE-MMA가 고정 스텝의 SE-MMA보다 신호점간 거리와 신호점의 폭이 좁아 성능이 우월함을 알 수 있다.
신호대 잡음비를 0~30dB까지 5dB 단위로 변화시키면서 20000개의 16-QAM 신호를 발생시켜 5회 반복시킬때 심볼 오류율을 계산하였으며, 시뮬레이션 결과 신호대 잡음비가 증가할수록 등화 이득이 증가됨을 알 수 있어서, 오차 신호의 비선형성을 이용한 VSS_SE-MMA가 고정 스텝의 SE-MMA보다 잡음에 강함을 알 수 있다.
후속연구
4dB 정도 개선됨을 알 수 있었으며, 채널의 급변동이나 순단같은 상황에서 정상 상태에 도달하기 위한 수렴 속도에 서도 거의 유사함을 알 수 있었으며, 외부 부가되는 잡음에 대한 강인성을 확인하기 위한 SER 성능에서도 우월함이 확인되었다. 이와 같은 적응 등화 알고리즘의 성능을 충분히 이용하여 고속 광대역 통신과 같은 응용 분야에서 스펙트럼 효율이 높은 신호 방식을 사용할 때 이를 효율적으로 복원하기 위한 수신기의 부가 기술로서 높은 활용이 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
블라인드 적응 등화를 위한 알고리즘은 무엇이 있는가?
블라인드 방식은 학습열을 사용하지 않는 대신 수신된 신호열과 송신 신호의 dispersion constant라는 통계적 사전 특성을 이용하여 고차 통계치나 비가우시안 입력열에 유효한 비선형성을 이용하여 nonminimum phase 채널의 등화가 가능하지 만, 등화 특성이 열화되는 문제점이 있다. 블라인드 적응 등화를 위하여 좋은 수렴 성능과 채널 추적 능력 및 잡음에 대한 강인성등을 들 수 있으며, 이를 위한 알고리즘으로 CMA, RCA, MMA등을 들 수 있다 [2][4] . CMA는 가장 간단하지만 채널의 진폭만 보상이 가능하며 수렴 속도가 느리다.
블라인드 방식의 장단점은 무엇인가?
학습열의 사용에 의한 채널의 대역폭 낭비와 전송 효율 저하가 발생되므로, 이에 의존하지 않는 블라인드 방식이 등장하였다. 블라인드 방식은 학습열을 사용하지 않는 대신 수신된 신호열과 송신 신호의 dispersion constant라는 통계적 사전 특성을 이용하여 고차 통계치나 비가우시안 입력열에 유효한 비선형성을 이용하여 nonminimum phase 채널의 등화가 가능하지 만, 등화 특성이 열화되는 문제점이 있다. 블라인드 적응 등화를 위하여 좋은 수렴 성능과 채널 추적 능력 및 잡음에 대한 강인성등을 들 수 있으며, 이를 위한 알고리즘으로 CMA, RCA, MMA등을 들 수 있다 [2][4] .
알고리즘으로 CMA, RCA, MMA의 특징은 어떠한가?
블라인드 적응 등화를 위하여 좋은 수렴 성능과 채널 추적 능력 및 잡음에 대한 강인성등을 들 수 있으며, 이를 위한 알고리즘으로 CMA, RCA, MMA등을 들 수 있다 [2][4] . CMA는 가장 간단하지만 채널의 진폭만 보상이 가능하며 수렴 속도가 느리다. 반면 RCA는 진폭과 위상의 동시 보상이 가능하지만 연산량이 증대되고 등화 잡음이 발생된다. 반면 MMA는 진폭과 위상의 동시 보상 및 등화 잡음이 적은 반면 알고리즘의 연산량이 증가하므로, 이의 장점을 살리면서 연산량 문제를 해결하기 위한 SE-MMA가 등장 하였다 [2][5] . 그러나 이들 방식에서는 적응 등화기의 탭 계수 갱신을 스텝 크기를 고정적으로 사용하며, 연산량 감소에 따른 등화 성능이 열화된다.
참고문헌 (9)
J.Yang, J.J.Werner, G.A.Dumont,"The Multimodulus Blind Equalization and Its Generalized Algorithms", IEEE Journal on S.A.C., Vol.20, No.3, pp.997-1015, June 2002. DOI: https://doi.org/10.1109/JSAC.2002.1007381
M.Abide D., A. Ozen, "A Novel Variable Step Size Adjustment Method Based on Autocorrelation of Error Signal for the Constant Modulus Blind Equalization Algorithm", Radio Engineering, Vol.21, No.1, pp.37-45, April 2012.
V.Weerackody, S.A.Kassam, K.R.Laker, "A simple hard-limited adaptive algorithm for bind equalization", IEEE Trans. on Circuits and System, Vol.39, No.7, pp.482-487, July 1992.
Wen si-yuan, Liu Feng, "A Computationally Efficient Multi-modulus Blind Equalization Algorithm", 2nd IEEE conf. of Infor. Eng. and Management, pp.685-687, 2010.
D.S.Kang, S.G.Lim, "Performance of SE-MMA Blind Adaptive Equalization Algorithm in QAM System", Jour. on I.W.I.T., Vol.13, No.3, pp.63-69, June 2013.
S.G.Lim, "A Performance Evaluation of VSS-MMA Adaptive Equalization Algorithm using the Non-Linear Function of Error Signal for QAM System", Jour. on I.I.B.C., Vol.15, No.1, pp.131-137, Feb. 2015.
S.G.Lim, "Performance Improvement of S-MMA Adaptive Equalization Algorithm based on the Variable Step Size", Jour. on I.I.B.C., Vol.16, No.2, pp.107-112, Apr. 2016.
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