[논문]나이퀴스트 율보다 빠른 전송 시스템에서 반복 MAP을 이용한 ISI 추정 기법

강동훈; 김하은; 박경원; 이아림; 오왕록

doi:10.7840/kics.2017.42.5.967

나이퀴스트 율보다 빠른 전송 시스템에서 반복 MAP을 이용한 ISI 추정 기법
ISI Estimation Using Iterative MAP for Faster-Than-Nyquist Transmission 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.42 no.5, 2017년, pp.967 - 974

강동훈 (Dept. of Information Communications Eng., Chungnam National University) , 김하은 (Dept. of Information Communications Eng., Chungnam National University) , 박경원 (Dept. of Information Communications Eng., Chungnam National University) , 이아림 (Dept. of Information Communications Eng., Chungnam National University) , 오왕록 (Dept. of Information Communications Eng., Chungnam National University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 FTN (faster-than-Nyquist) 시스템에서 MAP (maximum a posteriori) 기법을 이용한 ISI(inter-symbol interference) 추정 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 FTN 전송으로 인한 ISI를 제거하기 위하여 복조기에서 MAP 기법을 이용하여 복조를 수행한다. 또한 매우 큰 구현 복잡도를 갖는 MAP 기법의 단점을 보안하기 위하여 간단하게 구현 가능한 SIC (successive interference cancellation) 기법과 MAP 기법을 연동하여 낮은 복잡도를 가지면서도 우수한 성능을 나타내는 ISI 제거 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 MAP 기법과 비교하였을 때 낮은 복잡도를 가질 뿐만 아니라 기존에 제안된 ISI 추정 기법들보다 우수한 추정 성능을 나타내는 장점이 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an inter-symbol interference (ISI) estimation scheme based on the maximum a posteriori (MAP) algorithm for faster-than-Nyquist (FTN) systems. Unfortunately, the ISI estimator based on the MAP algorithm requires relatively high computational complexity. To reduce the complexity of the MAP based ISI estimator, we propose a hybrid ISI estimation scheme based on the MAP and successive interference cancellation (SIC) algorithms. The proposed scheme not only offers good ISI estimation performances but also requires reasonably low complexity.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 FTN 시스템에서 MAP 기법을 이용하여 ISI를 추정하기 위한 기법을 제안하였다. 제안하는 기법은 FTN 전송으로 인한 ISI를 효율적으로 제거 하기 위하여 복조기에서 MAP 기법을 이용하여 복조를 수행한다.
한편 FTN 시스템에서 특정 심볼에 ISI를 미치는 심볼들 중 전체 ISI 양에 기여하는 정도가 큰 인접 심볼들에 의한 ISI는 MAP 기법을 이용하여 추정하고 나머지 심볼들에 의한 ISI는 SIC 기법을 이용하여 추정한다면 구현 복잡도를 크게 낮출 수 있다. 본 논문에서는 FTN 전송 시스템에서 MAP 및 SIC 기법 기반의 ISI 추정 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 매우 큰 구현 복잡도를 갖는 MAP 기법의 단점을 보안하기 위하여 MAP 기법과 낮은 복잡도를 갖 SIC 기법을 연동한다.

가설 설정

제안하는 기법의 성능을 확인하기 위하여 전산 실험을 수행하였다. 전산 실험에 사용한 변수는 표 2와 같으며 M진 심볼 매퍼와 채널 부호기 사이의 인터리버는 균일 (uniform) 인터리버를 가정하였다. 전산 실험에는 SIC, RC-BCJR (reduced-complexity BCJR) 및 RC-MAP 기법의 성능을 확인하였다.

제안 방법

제안하는 기법은 FTN 전송으로 인한 ISI를 효율적으로 제거 하기 위하여 복조기에서 MAP 기법을 이용하여 복조를 수행한다. 또한 매우 큰 구현 복잡도를 갖는 MAP 기법의 단점을 보안하기 위하여 MAP 기법과 간단하게 구현 가능한 SIC 기법을 결합하여 낮은 복잡도를 가지면서도 우수한 성능을 나타내는 ISI 제거 기법을 제안하였다. 제안하는 기법은 기존에 제안된 ISI 추정 기법들과 유사한 구현 복잡도를 통해 보다 우수한 ISI 추정 성능을 나타내는 장점이 있다.
따라서 BCJR 및 제안하는 기법의 경우 간섭을 일으키는 심볼의 수가 많아지거나 고차 변조를 사용할 경우 매우 큰 구현 복잡도를 가질 것을 예상할 수 있다. 본 논문에서는 제안하는 기법의 구현 복잡도를 낮추기 위하여 ISI 추정 및 제거 과정에서 간섭을 일으키는 심볼들 중 ISI에 크게 기여하는 인접 심볼들은 MAP 기법을 이용하여 추정하고 나머지 심볼들은 SIC 기법을 이용하여 추정 및 제거하는 기법을 고려하였다.
전산 실험에 사용한 변수는 표 2와 같으며 M진 심볼 매퍼와 채널 부호기 사이의 인터리버는 균일 (uniform) 인터리버를 가정하였다. 전산 실험에는 SIC, RC-BCJR (reduced-complexity BCJR) 및 RC-MAP 기법의 성능을 확인하였다. SIC는 모든 ISI 성분을 SIC 기법만을 이용하여 추정 및 제거한 경우이고, RC-BCJR 및 RC-MAP 기법은 구현 복잡도를 고려하여 #는 BCJR 및 MAP 기법을 이용하여 추정하고 나머지 ISI 성분은 SIC 기법을 이용하여 추정 및 제거한 경우의 성능이다.
본 논문에서는 FTN 시스템에서 MAP 기법을 이용하여 ISI를 추정하기 위한 기법을 제안하였다. 제안하는 기법은 FTN 전송으로 인한 ISI를 효율적으로 제거 하기 위하여 복조기에서 MAP 기법을 이용하여 복조를 수행한다. 또한 매우 큰 구현 복잡도를 갖는 MAP 기법의 단점을 보안하기 위하여 MAP 기법과 간단하게 구현 가능한 SIC 기법을 결합하여 낮은 복잡도를 가지면서도 우수한 성능을 나타내는 ISI 제거 기법을 제안하였다.
본 논문에서 제안하는 낮은 복잡도를 갖는 MAP (reduced-complexity MAP, RC-MAP) 추정기는 그림 3과 같다. 제안하는 기법은 I_n을 추정함에 있어 n번째 송신 심볼에 인접하여 ISI에 크게 기여하는 심볼들은 MAP 기법을 이용하여 추정하고 그 이외의 심볼들로 인한 ISI는 SIC 기법을 이용하여 추정함으로써 성능 열화를 최소화하며 복잡도는 크게 낮출 수 있는 기법이다. 또한 제안하는 복잡도 감소 기법은 MAP 기법 대신 BCJR을 사용함으로써 BCJR 기반의 추정기에도 동일하게 적용 가능하다.
본 논문에서는 FTN 전송 시스템에서 MAP 및 SIC 기법 기반의 ISI 추정 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 매우 큰 구현 복잡도를 갖는 MAP 기법의 단점을 보안하기 위하여 MAP 기법과 낮은 복잡도를 갖 SIC 기법을 연동한다. 제안하는 기법은 MAP 기법보다 낮은 복잡도를 가질 뿐만 아니라 기존에 제안된 기법들보다 우수한 추정 성능을 나타내는 장점이 있다.

데이터처리

제안 하는 MAP 추정기는 매우 큰 구현 복잡도를 갖는 단점이 있다. 제안하는 MAP 추정 기법과 기존에 제안된 ISI 추정 기법들의 계산 복잡도를 계산하였으며 계산 복잡도는 표 1과 같다.
제안하는 기법의 성능을 확인하기 위하여 전산 실험을 수행하였다. 전산 실험에 사용한 변수는 표 2와 같으며 M진 심볼 매퍼와 채널 부호기 사이의 인터리버는 균일 (uniform) 인터리버를 가정하였다.

성능/효과

그림 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 RC-MAP 기법이 가장 우수한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 그 다음으로는 RC-BCJR이 우수한 성능을 나타낸다. 그림 4 및 5의 결과에서 확인할 수 있듯이 제안하는 기법을 적용한 FTN 시스템이 가장 우수한 비트오율 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한 그림 4의 결과와는 달리 그림 5의 결과에서는 RC-BCJR의 성능이 SIC 기법보다 우수한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 SIC 기법이 가장 낮은 계산 복잡도를 나타내며 BCJR과 제안하는 기법의 계산 복잡도는 각각 M^L , M^2L 에 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 BCJR 및 제안하는 기법의 경우 간섭을 일으키는 심볼의 수가 많아지거나 고차 변조를 사용할 경우 매우 큰 구현 복잡도를 가질 것을 예상할 수 있다. 본 논문에서는 제안하는 기법의 구현 복잡도를 낮추기 위하여 ISI 추정 및 제거 과정에서 간섭을 일으키는 심볼들 중 ISI에 크게 기여하는 인접 심볼들은 MAP 기법을 이용하여 추정하고 나머지 심볼들은 SIC 기법을 이용하여 추정 및 제거하는 기법을 고려하였다.
그림 4에서 확인할 수 있는 바와 같이 제안하는 기법이 가장 우수한 비트오율 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 그 다음으로는 SIC 기법이 우수한 성능을 나타낸다. 또한 RC-BCJR의 경우 d가 증가함에 따라 비트오율 성능이 열화되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 BCJR 보다 SIC 기법이 우수한 성능을 나타내는 환경, 즉 FTN factor가 커서 ISI의 양이 작은 경우에 SIC 기법을 이용하여 제거되는 간섭 심볼의 개수가 적어짐으로써 발생하는 현상이다.
그림 4 및 5의 결과에서 확인할 수 있듯이 제안하는 기법을 적용한 FTN 시스템이 가장 우수한 비트오율 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한 그림 4의 결과와는 달리 그림 5의 결과에서는 RC-BCJR의 성능이 SIC 기법보다 우수한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 FTN factor가 작아질 경우 ISI의 양이 증가되어 채널 복호기의 성능 열화가 발생되므로 복호기 출력 신호를 이용하여 ISI를 추정하는 SIC 기법의 성능이 RC-BCJR 보다 좋지 않은 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.
제안하는 기법은 I_n을 추정함에 있어 n번째 송신 심볼에 인접하여 ISI에 크게 기여하는 심볼들은 MAP 기법을 이용하여 추정하고 그 이외의 심볼들로 인한 ISI는 SIC 기법을 이용하여 추정함으로써 성능 열화를 최소화하며 복잡도는 크게 낮출 수 있는 기법이다. 또한 제안하는 복잡도 감소 기법은 MAP 기법 대신 BCJR을 사용함으로써 BCJR 기반의 추정기에도 동일하게 적용 가능하다. 수신 신호 y는 FTN 복조기 통과 후 식 (4)와 같이 â을 생성한다.
또한 그림 4의 결과와는 달리 그림 5의 결과에서는 RC-BCJR의 성능이 SIC 기법보다 우수한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 FTN factor가 작아질 경우 ISI의 양이 증가되어 채널 복호기의 성능 열화가 발생되므로 복호기 출력 신호를 이용하여 ISI를 추정하는 SIC 기법의 성능이 RC-BCJR 보다 좋지 않은 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 제안하는 RC-MAP 기법에서 d = 2를 쓰는 경우와 RC-BCJR 기법에서 d = 4를 쓰는 경우 제안하는 기법이 더 낮은 복잡도를 나타내면서 보다 우수한 성능을 보임을 확인할 수 있다.
제안하는 기법은 매우 큰 구현 복잡도를 갖는 MAP 기법의 단점을 보안하기 위하여 MAP 기법과 낮은 복잡도를 갖 SIC 기법을 연동한다. 제안하는 기법은 MAP 기법보다 낮은 복잡도를 가질 뿐만 아니라 기존에 제안된 기법들보다 우수한 추정 성능을 나타내는 장점이 있다.
또한 매우 큰 구현 복잡도를 갖는 MAP 기법의 단점을 보안하기 위하여 MAP 기법과 간단하게 구현 가능한 SIC 기법을 결합하여 낮은 복잡도를 가지면서도 우수한 성능을 나타내는 ISI 제거 기법을 제안하였다. 제안하는 기법은 기존에 제안된 ISI 추정 기법들과 유사한 구현 복잡도를 통해 보다 우수한 ISI 추정 성능을 나타내는 장점이 있다.
기법을 이용한 제거 기법과 제안하는 기법에서 공통으로 수행하는 채널 복호기 및 정합 필터의 계산량은 제외하였다. 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 SIC 기법이 가장 낮은 계산 복잡도를 나타내며 BCJR과 제안하는 기법의 계산 복잡도는 각각 M^L , M^2L 에 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 BCJR 및 제안하는 기법의 경우 간섭을 일으키는 심볼의 수가 많아지거나 고차 변조를 사용할 경우 매우 큰 구현 복잡도를 가질 것을 예상할 수 있다.
표 3에 나타낸 각 추정 기법의 계산 복잡도는 한번의 반복 복호, 하나의 변조 심볼 당 ISI 추정 및 보상에 요구되는 복잡도를 나타낸 것이며 각 기법에서 공통으로 수행하는 채널 복호기 및 정합 필터의 계산량은 제외하였다. 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 제안하는 RC-MAP 기법에서 d = 2를 쓰는 경우와 RC-BCJR 기법에서 d = 4를 쓰는 경우 RC-MAP 기법이 더 낮은 계산 복잡도를 나타내며 SIC가 가장 낮은 복잡도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
이는 FTN factor가 작아질 경우 ISI의 양이 증가되어 채널 복호기의 성능 열화가 발생되므로 복호기 출력 신호를 이용하여 ISI를 추정하는 SIC 기법의 성능이 RC-BCJR 보다 좋지 않은 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 제안하는 RC-MAP 기법에서 d = 2를 쓰는 경우와 RC-BCJR 기법에서 d = 4를 쓰는 경우 제안하는 기법이 더 낮은 복잡도를 나타내면서 보다 우수한 성능을 보임을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존에 FTN 전송으로 인한 ISI를 추정 및 보상하기 위한 기법은 무엇이 있는가?	기존에 FTN 전송으로 인한 ISI를 추정 및 보상하기 위한 기법으로 BCJR (Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv), FDE (frequency-domain equalization), DFE (decision feedback equalization) 및 SIC (successive interference cancellation) 등 다양한 기법이 제안되었다[4-13]. 격자도 기반의 BCJR 알고리듬은 변조 차수가 M, 특정 심볼에 ISI를 미치는 인접 심볼의 개수가 L일 경우 격자도의 상태 (state) 수가 ML 이 되어 간섭을 일으키는 심볼의 개수가 많아지거나 고차 변조를 고려할 경우 매우 큰 구현 복잡도를 갖는 단점이 있다[4-5].
	FDE 기법의 특성과 블록마다 CP를 삽입해야 하는 문제점은 어떤 문제점을 초래하는가?	FDE 기법은 주파수 영역에서 ISI 추정 및 보상하는 기법으로 ISI 추정에 사용되는 블록 길이(block length)에 따라 구현 복잡도가 지수적으로 증가하는 특성이 있으며 블록마다 CP (cyclic prefix)를 삽입해야하는 문제점이 있다[6-7]. 따라서 블록 길이가 길어질 경우 매우 큰 복잡도를 가지며 블록 길이가 짧아질 경우 주파수 효율이 낮아지는 문제점이 있다. SIC 기법은 채널 복호기의 출력 신호를 이용하여 ISI 추정 및 보상하는 기법으로 BCJR 기반의 기법 및 FDE 기법과 비교하였을 때 구현 복잡도가 낮은 장점이 있지만[10-13] ISI가 큰 경우에는 복호기가 정상적으로 동작하지 않아 ISI 추정 성능이 열화된다.
	BCJR 알고리듬의 단점은 무엇인가?	기존에 FTN 전송으로 인한 ISI를 추정 및 보상하기 위한 기법으로 BCJR (Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv), FDE (frequency-domain equalization), DFE (decision feedback equalization) 및 SIC (successive interference cancellation) 등 다양한 기법이 제안되었다[4-13]. 격자도 기반의 BCJR 알고리듬은 변조 차수가 M, 특정 심볼에 ISI를 미치는 인접 심볼의 개수가 L일 경우 격자도의 상태 (state) 수가 ML 이 되어 간섭을 일으키는 심볼의 개수가 많아지거나 고차 변조를 고려할 경우 매우 큰 구현 복잡도를 갖는 단점이 있다[4-5]. 또한 BCJR 알고리듬은 이산 무기억 채널 (discrete memoryless channel)을 기반으로 제안된 기법이지만[14] FTN 전송 시스템에서는 수신 신호들 간 상관관계가 발생된다[3].

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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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ETSI, Digital video broadcasting (DVB): EN 302 755 V1.2.1

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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