New Circle-Shaped Quadrature Amplitude Modulation for Higher-Order Modulation

Abstract

In contemporary communication and broadcasting systems, higher-order modulation is required for high speed data transmission. In particular, quadrature amplitude modulation (QAM) has been widely adopted in practical systems as a method for higher-order modulation since it has more efficient transmission characteristics than other digital modulation schemes. To transmit large amounts of data with high power efficiency and reliability by using QAM, it is necessary to design an optimal signal point arrangement. Until recently, various studies for designing QAM signal constellation have been conducted. In this dissertation, a new circle-shaped QAM, circular θ-QAM (CTQAM), for higher-order modulation is proposed, which provides superior performance in terms of error probability and peak-to-average power ratio (PAPR) than the conventional QAMs. The signal constellation design method and bit-to-symbol mapping for the proposed CTQAM are presented and the symbol error rate (SER) and bit error rate (BER) in various transmission environments are analyzed. Then, a hierarchical circle-shaped QAM called 4/M-CTQAM is proposed by extending the CTQAM to hierarchical modulation that provides unequal error protection according to the relative importance of data. The signal constellation design method and constellation design parameter to control the relative amounts of protection for the proposed 4/M-CTQAM are presented. Bit-to-symbol mapping method for the base- and enhancement-layers is provided, and the BER in additive white Gaussian noise (AWGN) and Rayleigh fading channels is analyzed. Since the proposed CTQAM and 4/M-CTQAM provide superior performance in terms of error probability and PAPR over the conventional QAMs, they could enable future communication and broadcasting systems to transmit large amounts of data with higher power efficiency and reliability.|최근의 통신 및 방송 시스템에서는 대용량 데이터의 고속 전송을 위한 고차 변조가 필수적으로 요구되고 있다. 특히, 다른 디지털 변조 방식에 비해 보다 효율적인 전송 특성을 보이는 직교 진폭 변조 (QAM: Quadrature Amplitude Modulation) 방식이 실제 시스템에 주로 채택되어 사용 중에 있다. 직교 진폭 변조를 이용하여 대용량 데이터의 안정적이고 효율적인 전송을 위해서는 최적의 신호점 배치를 설계할 필요가 있으며 이를 위하여 최근까지도 다양한 직교 진폭 변조 신호 성상도 설계를 위한 연구들이 진행되어 오고 있다. 본 논문에서는 기존의 직교 진폭 변조 방식보다 오류 확률 및 최대전력 대 평균전력 비 관점에서 우수한 성능을 보이는 새로운 원형의 직교 진폭 변조 (CTQAM: Circular θ-QAM)를 제안한다. 제안한 CTQAM의 신호 성상도 설계 방법 및 비트 대 심볼 매핑 방법을 제시하며 다양한 전송 환경에서 기존의 QAM 방식과 심볼 오류 확률 (SER: Symbol Error Rate) 및 비트 오류 확률 (BER: Bit Error Rate)을 비교하고 분석한다. 다음으로 CTQAM을 데이터의 상대적인 중요도에 따라 서로 다른 보호도를 제공하는 계층 변조로 확장하여 계층적 원형 직교 진폭 변조 (4/M-CTQAM)을 제안한다. 제안한 4/M-CTQAM의 신호 성상도 설계 방법과 데이터의 상대적인 보호도를 조절하기 위한 신호 성상도 파라미터 및 기본 계층과 향상 계층에 대한 비트 대 심볼 매핑 방법을 제시한다. 또한, 기존의 SQAM 기반의 계층적 변조 방식과 BER을 비교하고 분석한다. 제안한 직교 진폭 변조 방식들은 기존의 직교 진폭 변조 방식들에 비해 오류 확률뿐만 아니라 최대 전력 대 평균 전력 비 관점에서도 우수한 성능을 보이므로 차세대 방송 및 무선 통신 시스템에 있어 보다 효율적인 대용량 데이터 전송을 가능하게 할 것으로 기대된다.