[논문]고성능 모바일의 전송율 향상을 위한 무선 통신 시스템의 물리계층 선형에러 성능 검증

정명석; 이주연; 정태경

doi:10.9723/jksiis.2017.22.3.019

[국내논문] 고성능 모바일의 전송율 향상을 위한 무선 통신 시스템의 물리계층 선형에러 성능 검증
High-performance Mobile Transmission Rate and Physical Layer Linear Error Correction Performance Verification 원문보기

한국산업정보학회논문지 = Journal of the Korea Industrial Information Systems Research, v.22 no.3, 2017년, pp.19 - 26

정명석 (아주대학교 산업공학과) , 이주연 (아주대학교 산업공학과) , 정태경 (서울여자대학교 디지털미디어학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 차세대 무선통신 시스템기술에 적용 가능한 선형에러정정(Linear Error Correction Code)코드를 고성능 모바일 전송률 향상을 위하여 제한적인 시스템의 전제하에 성능 비교 및 전송에 따른 실제적 확인으로 구성하였다. 디지털 통신 및 방송기술의 물리계층에서 사용되고 있는 리드-솔로먼(Reed-Solomon) 코드와 선형에러코드(LDPC)코드에서 전송율이 중요한 이슈로 부각되고 있기 때문이다. 그러므로 본고에서는 디지털 통신과 방송에서의 모바일 방송 DVB(Digital Video Broadcasting) 시스템과 휴대이동방송에 적용된 리드-솔로먼코드와 선형에러코드의 성능을 시뮬레이션하여 고성능 모바일 전송률 성능 향상에 대하여 분석하였다. 이때 기존 리드-솔로먼코드를 대체한 선형에러코드의 전송효율 및 성능에 대한 기술적 부분을 효율관점에서 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a Linear Error Correction Code, Which is Applicable to Next Generation Wireless Communication System Technology, is Constructed Based on Performance Comparison and Transmission Based on the Premise of High Performance Mobile Rate Enhancement System. This is Because Data Rates are Becoming an Important Issue in Reed-Solomon Codes and Linear Error Code (LDPC) Used in the Physical Layer of Digital Communication and Broadcasting Technologies. Therefore, this paper Simulates the Performance of Reed - Solomon Code and LDPC Applied to Mobile Broadcasting DVB (Digital Video Broadcasting) System and Mobile Broadcasting in Digital Communication and Broadcasting, At this time, Technical Aspects of the Transmission Efficiency and Performance of the LDPC Replacing the Existing Reed-Solomon Code have been Verified from the Viewpoint of Efficiency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 고성능 모바일에 적용되어 서비스가 실행되어 전송률 향상이 이루어진 DVB-T2(Digital Video Broadcasting - the 2nd Generation Terrestrial) 과 DVB-H (Digital Video Broadcasting Handheld)에서 채택한 선형 에러정정코드와 기존의 RS코드의 전송효율 비교분석을 토대로 설명하고 이를 4G에서 5G로 넘어가는 시점에서 휴대이동방송시스템의 데이터 전송률과 미디어 콘텐츠의 제공이 얼마큼 중요한 요소로 작용하는지를 논하고자 한다 [5].
본 논문에서는 고성능 시스템의 효율을 중심으로 고찰하기 위하여 리드-솔로먼코드와 선형에러정정코드를 모바일 통신 및 방송시스템에 적용하여 다중경로인 가산성 백색 가우시안 잡음(AWGN) 환경과 DVB-H 시스템에서의 속도에 따른 전송률에 대한 효율 및 에러 정정의 성능향상에 대하여 비교하였다.
본 장에서는 모바일 휴대이동방송시스템의 근간을 이루는 유렵형 지상파 서비스를 중심으로 설명하기 위하여 이를 보다 심도 있게 다루기 위하여 DVB-T와 DVB-T2에 대해 구조적 상태를 살펴보고 기술하기로 한다.

제안 방법

그럼 1과 같이 압축 된 데이터를 MUX 적용에너지 확산 부에서 동일한 비트가 반복되는 것을 방지하기 위해 데이터를 분산한다. 그리고 채널부호화에서 물리계층의 FEC 코드를 적용한다.
선형에러정정코드는 군집형 데이터와 분산데이터를 방지하기 위해 외 부호와 내 부호의 기능을 통합하여 수행하는 반면 리드-솔로먼 코드는 컨볼류션 코드를 블록 내부에 추가해야 한다. 그리고 변조방식(QPSK, 16QAM, 64QAM)에 의하여 부 반송파에 변조가 행하여 진 후 채널에 대한 간섭을 피하기 위해 직교 부호화주파수분할 다중방식 (COFDM)의 신호기법인 고속 푸리에 변환(FFT)으로 반송파를 변조와 다중 경로에 대응하기 위해 보호구간(Guard Interval)을 삽입하여 송신 한다 [12].
이에 대한 근거는 선형에러정정코드 코드가 취약한 다중경로 채널환경에서 성능을 비교하면 선형에러정정코드의 성능을 입증 할 수 있기 때문이다. 그리고 선형에러정정코드의 가변 부호율을 기준으로 하여 리드-소로먼코드 가변부호율도 변경하여 시뮬레이션으로 검증하였다 [선형에러정정코드 : 1/2, 리드-솔로먼코드 : (1/2) x (188/204) ]
즉, 가산성 백색 가우시안 잡음 (AWGN) 채널에서의 에러 성능 비교를 DVB, DVB-T, DVB-T2 그리고 DVB-H 시스템별로 비교를 통하여 Matlab 코드를 이용하여 각각 비교하여 검증하였다. 다시 말하면, 선형에러정정코드와 리드-솔로먼코드의 성능을 비교하기 위해 가상의 최악의 (Worst) 환경에서 제 2장에서 시뮬레이션 조건을 가지고 에러 성능을 비교하였다. 이에 대한 근거는 선형에러정정코드 코드가 취약한 다중경로 채널환경에서 성능을 비교하면 선형에러정정코드의 성능을 입증 할 수 있기 때문이다.
이후 제 4장에서는 다른 시스템의 구성에 대하여 비교하여 성능검증을 시도하기로 한다. 마지막으로 무선통신잡음과 간섭에 대한 성능향상에 대하여 이야기하고 결어에서 이를 기존 서비스와의 차별에 대하여 언급하기로 한다.
본 장에서는 모바일 방송의 대부분을 차지하는 FEC(Forward Error Check)기법 중에 사용되는 선형에러정정과 리드-솔로먼에 대해 언급 할 것이며 또한 휴대 이동방송 시스템중 DVB 시스템 구성에 대해 설명하고자 한다, 특히, DVB-T2와 DVB-H에 선형에러정정코드를 적용하여 성능의 변화를 시뮬레이션을 바탕으로 비교 검증하기로 한다.
본 장에서는 모바일 휴대이동방송시스템중에서 새롭게 표준으로 등장하여 4G시스템에서 활성화된 프로토콜에 대하여 논하기로 한다. 아래와 같이 시스템 구성도 에서 각각의 선형에러정정고드와 리드-솔로먼코드의 성능을 비교하여 검증하기로 한다.
본 장에서는 모바일 휴대이동방송시스템중에서 새롭게 표준으로 등장하여 4G시스템에서 활성화된 프로토콜에 대하여 논하기로 한다. 아래와 같이 시스템 구성도 에서 각각의 선형에러정정고드와 리드-솔로먼코드의 성능을 비교하여 검증하기로 한다.
무선 환경 및 속도의 변화에 따른 성능 분석을 위해 무선통신시스템에서는 일반적으로 알려진 레일리 페이딩(Rayleigh Fading) 환경과 고속도로에서의 자동차가 달릴 수 있는 법규를 바탕으로 120 km에서 선형에러정정코드와 리드-솔로먼코드의 성능을 비교 하는 방법을 채택한다. 이를 객관적으로 증명하고 검증하기 위한 자료로서 시뮬레이션에 의한 표2의 조건을 가지고 성능향상이 이루어지는가 여부를 중점으로 시뮬레이션을 실행하였다.
즉, 가산성 백색 가우시안 잡음 (AWGN) 채널에서의 에러 성능 비교를 DVB, DVB-T, DVB-T2 그리고 DVB-H 시스템별로 비교를 통하여 Matlab 코드를 이용하여 각각 비교하여 검증하였다. 다시 말하면, 선형에러정정코드와 리드-솔로먼코드의 성능을 비교하기 위해 가상의 최악의 (Worst) 환경에서 제 2장에서 시뮬레이션 조건을 가지고 에러 성능을 비교하였다.

성능/효과

결론적으로 그림 5와 표 2에서 보이듯이 선형 에러정정코드의 성능을 분석하면 8 dB에서 심볼에러(1 byte)를 55개 까지 정정 할 수 있다. 이에 반면 리드-솔로먼코드는 (255,191) 즉 32개 까지 심볼 에러를 정정 할 수 있으며 8 dB에서는 심볼 에러를 완벽히 보장 할 수 없다.
결론적으로 현재로서는 미약하고 가변의 환경변수가 많은 무선 환경에서 유리하다는 것을 알 수 있다. 또한 모바일 휴대장비의 증가에 따른 영상 및 음성서비스의 만족도에 선형에러정정코드의 기여가 기대된다.
그림 2는 DVB-T 시스템을 이용한 TU6 채널에서의 선형에러정정코드와 리드-솔로먼코드의 최적의 환경을 도출한 결과이다. 시뮬레이션에서 비트오류율 (BER)이 10-3을 기준으로 캐이어-노이즈 C/N 비율(Carrier to Noise)의 값을 비교하였을 때 선형에러정정코드의 성능 향상이 두드러진 것을 볼 수 있다. 그리고 선형에러정정코드의 최적 행렬에 대한 반복 횟수에 의해 성능이 변화하는 것을 볼 수 있다.
0dB 향상 된 결과를 보여주고 있다. 즉 DVB 시스템에서 선형에러정정코드를 적용함으로서, 전송효율 및 전달지연의 개선이라는 장점을 현저하게 얻을 수 있다.

후속연구

결론적으로 현재로서는 미약하고 가변의 환경변수가 많은 무선 환경에서 유리하다는 것을 알 수 있다. 또한 모바일 휴대장비의 증가에 따른 영상 및 음성서비스의 만족도에 선형에러정정코드의 기여가 기대된다. 마지막으로 앞에서도 언급한 바와 같이, 사용자 시스템 환경에 적합하고 물리계층의 전송속도향상을 위하여 내부인터리버와 변조방식, 보호구간 연구도 상당히 필요한 부분으로 향후 활발히 진행될 필요가 있는 연구 분야이다.
또한 선형에러정정코드 이외에 터보코드(Turbo-code)도 각광을 받아 CDMA2000(코드분할다중접속방식2000)과 WCDMA(광대역 코드분할다중접속방식)에서 사용 되었지만 낮은 주파수 영역에서의 오류현상이 일어나는 문제점을 가지고 있어 차세대 모바일 이동통신시스템에서는 향상된 오류 정정기능, 채널의 용량 개선, 그리고 열약한 전송 품질 개선에 장점을 가진 선형에러 정정코드의 사용이 증가 할 것으로 예상한다.
또한 모바일 휴대장비의 증가에 따른 영상 및 음성서비스의 만족도에 선형에러정정코드의 기여가 기대된다. 마지막으로 앞에서도 언급한 바와 같이, 사용자 시스템 환경에 적합하고 물리계층의 전송속도향상을 위하여 내부인터리버와 변조방식, 보호구간 연구도 상당히 필요한 부분으로 향후 활발히 진행될 필요가 있는 연구 분야이다.
이상과 같이 살펴본 휴대이동방송서비스의 프로토콜의 코드별 성능을 분석하기 위하여 시뮬레이션에 의한 비교와 검증을 할 필요가 있다. 앞서 언급한바와 같이 선형에러정정코드는 패리티 값의 1의 위치에 따라 만들어지는 단위행렬을 이용하여 다양한 길이의 블록부호를 제공하나 가산성 백색 가우시안 잡음 (AWGN) 채널의 비교형식이 다르고, 아울러 다중 경로를 갖는 분산파일럿 위치추정인 TU6 (six tap typical urban) 채널도 다르기 때문에 각각의 비교값의 정의를 유심히 바라보아야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선형에러 정정코드의 장점은 무엇인가?	또한 선형에러정정코드 이외에 터보코드(Turbo-code)도 각광을 받아 CDMA2000(코드분할다중접속방식2000)과 WCDMA(광대역 코드분할다중접속방식)에서 사용 되었지만 낮은 주파수 영역에서의 오류현상이 일어나는 문제점을 가지고 있어 차세대 모바일 이동통신시스템에서는 향상된 오류 정정기능, 채널의 용량 개선, 그리고 열약한 전송 품질 개선에 장점을 가진 선형에러 정정코드의 사용이 증가 할 것으로 예상한다.
	DVB-T 시스템에서 송,수신 시스템은 무엇으로 구성되는가?	DVB-T 시스템에서 송, 수신시스템의 기본구성은 소스 부호화, 다중화, 채널 부호화 및 변조, 전송매체, 복조 및 복호화, 디스플레이로 구성된다 [11]. 여기에서 소스 부호화 및 다중화는 압축기술의 관한 사항이므로 본고에서는 언급하지 않는다.
	리드-솔로먼코드는 어떤 단점을 가지고 있는가?	예를 들면, 8 bit 심볼의 RS(255,223)의 경우 16개 (2 t = n - k)의 심볼에대해 분산되어 있는 에러를 정정 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 16개 이상에 대해서는 에러에 대해 보장하지 못하며, 패리트 비트 증가를 증가 할 경우 블록 코드의 가변길이가 증가하며, 군집된 에러를 정정 하기 위해서는 컨볼류션코드를 같이 사용해야 한다는 단점을 가지고 있다 [10].

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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