OFDM 시스템 성능 향상을 위한 송신 전력 제어 및 다이버시티 알고리즘

Abstract

최근 다양한 멀티미디어통신 요구의 증가에 따라 많은 정보(data)를 전달하는 통신이 필요하게 되었다. 특히, 음성통신 위주에서 영상통화와 같이 많은 양의 정보(data)를 전송하는 4세대에서 더욱더 증가하게 될 것이다. 이러한 요구에 부응하기 위해서 본 논문에서는 송신 전력제어 및 송신 다이버시티를 이용한 Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)성능 향상을 연구한다. 효율적인 전력제어를 위해 적응변조(Adaptive Modulation Scheme, AMS)OFDM시스템에 적용하여 전송속도(throughput)의 향상을 얻었고, 송신 다이버시티를 위해 단위행렬을 이용하여 하드웨어의 복잡도를 감소시키면서도 주파수 다이버시티 이득으로 Bit Error Rate(BER)의 성능을 향상시킨다. AMS/OFDM시스템에 주파수 심볼 확산 블록을 적용하여 효율적으로 송신 전력제어(Transmission Power Control, TPC)를 하는 송신 전력제어(TPC-AMS/OFDM)알고리즘을 연구하였다. 송신 전력제어 알고리즘은 송신기에서 각 S/P(Serial-to-Parallel)변환된 신호에 대하여 일정한 개수로 묶을 수 있는 주파수 심볼 확산 블록을 만들어 그 내부에서 직교 확산 부호에 의해 확산된 후 결합하므로 그 블록의 부 반송파들은 동일한 전력율을 가지게 된다. 수신된 신호를 각 주파수 심볼 확산블록에 대하여 역확산시켜서 검출하면, 송신기의 각 주파수 심볼 확산 블록 내의 부 반송파는 수신기에서 동일한 SINR(Signal Interference to Noise Ratio)을 얻게 된다. 그러므로 송신기의 각 주파수 심볼 확산 블록에 대해서 동일한 변조레벨(modulation level)과 송신전력을 할당할 수 있다. 기존에는 수신기로부터 오는 궤환정보(Feedback Information, FBI)량이 많아서 OFDM 프레임의 정보(data)영역을 많이 점유하였으나, 개선한 알고리즘은 송신기에서 하나의 SINR만을 필요로 한다. 하나의 SINR정보를 갖는 수신기의 궤환정보(FBI)는 단순제어(one piece control)로 정보량이 감소하고, 궤환정보(FBI)에 따라 제어되는 송신기의 변조레벨정보(MLI)도 단순(one piece control)해져 정보량이 감소한다. 목표 BER을 만족시키는 동일한 송신전력을 주파수 심볼 확산 블록단위로 할당하여 잉여전력(redundancy power)을 감소시켜 전체 전송속도(throughput)를 향상시키는 효율적인 전력제어가 가능하다. 효율적인 송신 다이버시티를 위해서 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output, MIMO)시스템 중 시·공간 블록부호(Space-Time Block Code, STBC)는 복호 구조가 간단하나, 수신기에서 수신된 신호를 분리 시에 선형연산을 해야 하는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해서 단위행렬변조(Unitary Matrix Modulation, UMM)를 이용하는 시·공간 단위행렬변조(Unitary Space-Time Modulation, USTM)가 연구되어왔다. 이 방식은 대각성분을 제외한 나머지는 0으로 구성되어 있어서 수신된 신호를 선형연산없이 바로 분리할 수 있다. 2개의 송신 안테나를 적용하고 있는데, 이를 개선하기 위해서 송신 다이버시티 기법을 적용한다. OFDM시스템의 송신기에서 UMM의 대각행렬에 대해서 동기대역(coherence bandwidth) 만큼의 간격(splitting)을 두어 주파수 다이버시티를 얻고, 기존 2개의 송신 안테나 대신에 1개의 송신 안테나를 사용하여 하드웨어의 복잡성을 감소시켰다. 특히 최근에 채널 부호화 기법 중 복호 방법이 간단하고 좋은 성능을 갖는 LDPC(Low Density Parity Check)부호를 적용하여 채널부호화를 통한 부호이득으로 효율적인 송신 다이버시티의 성능을 더욱 향상시켰다. 검증은 다중경로 레일레이 채널환경에서 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 수행하였다.; Recently, high data rate and high quality multimedia services are demanded in a fourth generation mobile communication, since application services are increasing. To meet this demand, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is attractive and widely studied in recent years. In this dissertation, we propose transmission power control and diversity algorithm for improving performance of OFDM systems, Adaptive Modulation Scheme (AMS) for power control and Multiple Input Multiple Output (MIMO) for transmission diversity. We propose the Transmit Power Controlled Adaptive Modulated OFDM with Frequency Symbol Spreading and equalization (TPC-AMS/FSS-OFDM) system. In the transmitter of the TPC-AMS/FSS-OFDM, each S/P transformed signal is spread by orthogonal spreading codes and combined, so the detected signals obtain the same SINR for each frequency symbol spreading block. In this case, we can assign the same modulation level and transmission power for each frequency symbol spreading block. Thus, the proposed system provides the increased throughput performance with reducing the total transmit power, Feedback Information (FBI) and Multi-Level Information (MLI). Space-Time Block Code (STBC) is simple in decoding structure. But, it has a weak point of linear operation for separating received signals. To compensate them, Unitary Space-Time Modulation (USTM) employing Unitary Matrix Modulation (UMM) is proposed, it separates immediately the received signals by Maximum Likelihood (ML) detector. Namely, UMM is investigated in multiple antennas system that is called Unitary Space-Time Modulation (USTM). In an OFDM, the diagonal components of UMM with splitting over the coherence bandwidth (UMM-S/OFDM) have been proposed. Recently, LDPC code is strongly attended and studied due to simple decoding property with good error correction property. In this dissertation, we propose LDPC coded UMM-S/OFDM for increasing the system performance. Our proposed system can obtain frequency diversity using UMM-S/OFDM like USTM/OFDM, and large coding gain using LDPC code. UMM/S-OFDM reduces hardware complexity by replacing two antennas into one antenna. The superior characteristics of the proposed UMM-S/OFDM are demonstrated by extensive computer simulations in multi-path Rayleigh fading channel.