DFT Spreading을 사용한 5세대 이동통신 후보 변조기술의 PAPR 평가 및 분석

안창영(Changyoung An),유흥균(Heung-Gyoon Ryu) 한국전자파학회 2015 한국전자파학회논문지 Vol.26 No.12

5세대 이동통신을 위한 후보 변조기술들로 다수의 부반송파를 사용하는 UFMC(Universal-Filtered Multi-carrier) 및 FBMC(Filter Bank Multi-carrier)가 주목받고 있다. 그러나 이러한 변조기술들은 다수의 부반송파 신호의 중첩으로 인하여 높은 PAPR(Peak to Average Power Ratio) 특성을 갖는다. 본 논문은 5세대 이동통신을 위한 후보 변조기술들의 PAPR 문제를 해결하기 위하여 DFT(Discrete Fourier Transform) spreading 기법을 응용한 DFT-s(spreading)-UFMC 및 DFT-s-FBMC 시스템을 제안한다. 제안하는 시스템들의 PAPR 성능을 비교 평가하기 위하여 기존의 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing), UFMC, FBMC, DFT-s-OFDM 시스템과 제안하는 DFT-s-UFMC, DFT-s-FBMC 시스템을 설계하고, 시뮬레이션을 통해 신호 특성 확인과 PAPR 성능 평가 및 비교 분석을 수행하였다. 시뮬레이션의 결과로 DFT-s-OFDM과 같이 UFMC 및 FBMC에 DFT spreading 기법을 응용할 경우, 기존의 시스템 대비 각각 OFDM은 2.7 dB, UFMC는 2.8 dB, FBMC는 1.1 dB 정도 PAPR 성능이 향상되는 것을 확인하였다. UFMC(Universal-Filtered Multi-carrier) and FBMC(Filter Bank Multi-carrier) system are receiving attention as candidate waveforms for 5G mobile communication system. But, these systems have high PAPR(Peak to Average Power Ratio) problem because these systems use a number of subcarrier. In this paper, we propose DFT(Discrete Fourier Transform) spreading based DFT-s(spreading)-UFMC system and DFT-s-FBMC system in order to overcome the PAPR drawback. In order to evaluate PAPR performance of the proposed systems, we design and simulate OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing), UFMC, FBMC, DFT-s-OFDM, DFT-s-UFMC, DFT-s-FBMC system. As simulation results, each PAPR performance of DFT-s-OFDM system, DFT-s-UFMC system, and DFT-s-FBMC system rise by 2.7 dB, 2.8 dB, and 1.1 dB respectively by DFT spreading technique.

위상 잡음 보상과 PAPR 저감을 고려한 DFT-Spread OFDM 통신 시스템 설계와 성능 평가

이영선,김남일,김상우,유흥균,Li Ying-Shan,Kim Nam-Il,Kim Sang-Woo,Ryu Heung-Gyoon 한국전자파학회 2006 한국전자파학회논문지 Vol.17 No.7

최근에 PAPR(Peak to Average Power Ratio)을 저감하기 위하여 DFT-Spread OFDM(Discrete Fourier Transform-Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 이 많이 연구되고 있다. 그러나 DFT-Spread OFDM 시스템에서는 발진기에서 발생하는 위상 잡음에 의한 DFT 확산 코드의 위상 오프셋 불일치로 인하여 기존 OFDM 시스템에 비하여 상대적으로 더 많은 간섭 즉 ICI(Inter-sub-Carrier-Interference)와 SCI(Self-Channel- Interference) 성분이 발생하여 성능이 나빠진다. 본 논문에서는 먼저 DFT-Spread OFDM 시스템의 위상 잡음에 의한 통신 성능의 영향을 분석한다. 그리고 위상 잡음 보상을 위한 기존의 ICI 제거 기법 (ICI self-cancellation method)을 검토하고, 2 가지 새로운 ICI 제거 기법을 제안한다. 또한, PAPR을 저감하고 동시에 위상 잡음에 의해 간섭을 제거하기 위하여, 기존 방법과 새로이 제안한 ICI 제거 기법을 사용하는 새로운 시스템을 구성하고 그 성능을 비교 분석한다. 분석 결과, DFT-Spread OFDM 시스템에 ICI 제거 기법을 적용한 새로운 시스템은 낮은 PAPR 특성을 유지하면서 위상 잡음에 의한 성능 악화를 최소화할 수 있다. 그 중에서 data-conjugate 기법과 새로 제안한 symmetric data-conjugate 기법을 적용한 DFT-Spread OFDM 시스템이 제일 우수하여 DFT-Spread OFDM 보다 크게 성능이 개선되며, data-conjugate 기법을 적용한 DFT-Spread OFDM이 좀 더 우수하다. Recently, the DFT-Spread OFDM has been studied for the PAPR reduction. However, the DFT-Spread OFDM produces more ICI and SCI problems than OFDM because phase offset mismatch of the DFT spreading code results from the random phase noise in the oscillator. In this paper, at first, phase noise influence on the DFT-Spread OFDM system is theoretically analyzed in terms of the BER performance. Then, the conventional ICI self-cancellation methods are discussed and two kinds of ICI self-cancellation methods are newly proposed. Lastly, a new DFT-Spread OFDM system which selectively adopts the ICI self-cancellation technique is proposed to resolve the interference problem and PAPR reduction simultaneously. Proposednew DFT-Spread OFDM system can minimize performance degradation caused by phase noise, and still maintain the low PAPR property. Among the studied methods, DFT-Spread OFDM with data-conjugate method or newly proposed symmetric data-conjugate method show the significant performance improvements, compared with the DFT-Spread OFDM without ICI self-cancellation schemes. The data-conjugate method is slightly better than symmetric data-conjugate method.

OFDMA 상향 링크 시스템에서 PAPR 저감을 위한 선택적 DFT Spreading 기법의 설계와 성능 평가

김상우,유흥균,Kim, Sang-Woo,Ryu, Heung-Gyoon 한국전자파학회 2007 한국전자파학회논문지 Vol.18 No.3

본 논문에서는 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 상향 링크 시스템에서 발생하는 높은 PAPR(Peak to Average Power Ratio) 문제를 해결하기 위한 방법으로 선택적 DFT(Discrete Fourier Transform) spreading 기법을 새롭게 제안한다. 제안된 방법은 기존의 DFT spreading 기법에 선택적 특성을 추가한 것으로, SLM(Selective Mapping) 기법과 DFT spreading 기법이 혼합된 형태를 갖는다. 그러나 제안된 기법은 copy branch를 사용함에 있어 그 복잡도의 증가를 최소화하기 위해 하나의 DFT만을 사용하고, DFT출력 신호에 여러 개의 각기 다른 matrix를 곱함으로써 여러 개의 copy branch를 생성한다. 여기서 사용된 matrix는 DFT 앞에서의 입력 데이터 위상 회전을 선형 변환함으로써 얻어진 것으로, 각각의 matrix는 그 복잡도가 하나의 DFT보다 매우 낮게 설계된다. 성능 분석을 위해 QPSK 변조 및 512 point IFFT의 사용을 가정하고 한 사용자에게 할당된 sub-carrier 수는 각각 75, 100인 두 가지 경우를 고려하였다. 성능 분석 결과에서, 제안된 선택적 DFT spreading 기법은 copy branch 수가 4일 때 약 5.2 dB 이상의 PAPR 저감 효과를 가지며, 이는 기존의 DFT spreading만을 사용하는 경우 보다 약 1.8 dB 이상, 그리고 32 copy branch를 사용하는 SLM보다도 약 0.95 dB 이상의 뛰어난 PAPR 저감 성능이다. 또한 복잡도의 비교에서도 사용자에게 할당된 sub-carrier의 수가 100일 때, 제안된 기법은 기존의 DFT spreading 기법 보다는 증가되었으나 제안된 기법의 성능에 가장 근접하는 32 copy branch의 SLM보다 약 91.79 % 저감된 곱셈 량을 갖는다. 제안된 기법의 효율성을 확인할 수 있으며, 사용자에게 할당된 sub-carrier의 수가 증가되어 단일 사용자가 모든 sub-carrier를 사용하는 경우, 즉 일반적인 OFDM과 같은 상황에서도 유사한 성능적 이득을 예상할 수 있다. In this paper, we propose a selective DFT spreading method to solve a high PAPR problem in uplink OFDMA system. A selective characteristic is added to the DFT spreading, so the DFT spreading method is mixed with SLM method. However, to minimize increment of computational complexity, differently with common SLM method, our proposed method uses only one DFT spreading block. After DFT, several copy branches are generated by multiplying with each different matrix. This matrix is obtained by linear transforming the each phase rotation in front of DFT block. And it has very lower computational complexity than one DFT process. For simulation, we suppose that the 512 point IFFT is used, the number of effective sub-carrier is 300, the number of allowed sub-carrier to each user's is 1/4 and 1/3 and QPSK modulation is used. From the simulation result, when the number of copy branch is 4, our proposed method has more than about 5.2 dB PAPR reduction effect. It is about 1.8 dB better than common DFT spreading method and 0.95 dB better than common SLM which uses 32 copy branches. And also, when the number of copy branch is 2, it is better than SLM using 32 copy branches. From the comparison, the proposed method has 91.79 % lower complexity than SLM using 32 copy branches in similar PAPR reduction performance. So, we can find a very good performance of our proposed method. Also, we can expect the similar performance when all number of sub-carrier is allocated to one user like the OFDM.

LMS 알고리즘과 DFT와의 관계

노영환 우송대학교 부설 산업연구원 1999 산업연구 Vol.1 No.2

본 논문에서 디지털 프리어 변환(DFT)과 적응 최소 평균값을 제곱한 최소값(LMS)간에 관계를 나타내는데 DFT 연산을 LMS 알고리즘을 이용하여 계산될 수 있음을 보여주는데 있다. 여기서 LMS 스펙트럼 분석기(spectrum analyzer)는 DFT연산을 하는 데 사용된다. DFT는 정해진 시간에 순차계산을 하기 위해 프리어 변환의 신호를 일정한 간격으로 표본화시킨 값과 일치한다. LMS는 선형 적응 프로세서의 가중치 값을 적응시키는데 가장 간단한 구조를 가지고 있다. LMS 스펙트럼 분석기는 일정한 값(dc)으로부터 샘플링 주파수로 일정하게 분할하는데 N개의 주기적인 복소수 값을 사용한다. 이 복소수 값은 신호를 재생시키기 위하여 가중신호와 입력신호간에 최적의 최소값으로 가중되고 더해진다. This paper is to give a connection between the Digital Fourier Transform (DFT) and adaptive least Mean Square (LMS) and is to represent relationships between the DFT and the LMS algorithm by showing how the DFT can be calculated by making use of the LMS algorithm. Here, the 'LMS spectrum analyzer' is used for the calculation of the DFT. The DFT is a Fourier representation of a finite length sequence which is itself a sequence rather than a continuous function, and it corresponds to sample equally spaced in frequency of the Fourier transform of the signal. The LMS is the simplest scheme for adjusting the weights in a linear adaptive processor. The methode of the LMS spectum analyzer uses a set of N periodic complex phasors whose frequencies are equally divided from dc to the sampling frequency. The phasors are weighted and then are summed to initialize a reconstructed signal. The weights are adjusted to find a best least squares between this reconstructed signal and input signal.

Efficient DFT/DCT Computation for OFDM in Cognitive Radio System

진주(Zhu Chen),김정기(Jeong Ki Kim),얀이얼(Yier Yan),이문호(Moon Ho Lee) 대한전자공학회 2008 電子工學會論文誌-TC (Telecommunications) Vol.45 No.-

본 논문에서는 Cognitive Radio 시스템에서의 DFT와 DCT에 근거한 OFDM을 제시한다. 적응 OFDM은 허가된 사용자의 주파수 간섭을 피하기위해서 개별적인 반송파를 무효화시키는 capacity를 갖는다. 그러므로 OFDM 송신기에서 IDFT/DFT, IDCT/DCT의 입력과 출력이 상당수의 0값을 갖는다. 따라서 DFT와 DCT의 표준 방법은 0에서 필요치 않은 연산 때문에 더이상 효율적이지 않을 수 있다. 이러한 고찰에 근거하여, 본 논문은 IDFT/DFT, IDCT/DCT를 위한 2차원적(2-D) 단축된 정렬변환 분해 방법을 보이고, 이 알고리즘이 Cognitive Radion 시스템 환경의 OFDM의 계산을 효율적으로 수행 할 수 있는 방법을 제시한다. In this paper, we address the OFDM based on DFT or DCT in Cognitive Radio system. An adaptive OFDM based on DFT or DCT in Cognitive Radio system has the capacity to nullify individual carriers to avoid interference to the licensed users. Therefore, there could be a considerably large number of zero-valued inputs/outputs for the IDFT/DFT or IDCT/DCT on the OFDM transceiver. Hence, the standard methods of DFT and DCT are no longer efficient due to the wasted operations on zero. Based on this observation, we present a transform decomposition on two dimensional (2-D) systolic array for IDFT/DFT and IDCT/DCT, this algorithm can achieve an efficient computation for OFDM in Cognitive Radio system.

엘레멘트 인버스 재킷 변환과 유사한 DFT의 새로운 희소 행렬 분해

이광재,박대철,이문호,최승제,Lee, Kwang-Jae,Park, Dae-Chul,Lee, Moon-Ho,Choi, Seung-Je 한국통신학회 2007 韓國通信學會論文誌 Vol.32 No.4C

This paper addresses a new representation of DFT matrix via the Jacket transform based on the element inverse processing. We simply represent the inverse of the DFT matrix following on the factorization way of the Jacket transform, and the results show that the inverse of DFT matrix is only simply related to its sparse matrix and the permutations. The decomposed DFT matrix via Jacket matrix has a strong geometric structure that exhibits a block modulating property. This means that the DFT matrix decomposed via the Jacket matrix can be interpreted as a block modulating process. 본 논문은 엘레멘트 인버스 처리에 근거한 재킷 변환을 통한 DFT 행렬의 새로운 표현을 다룬다. DFT 행렬의 역을 단지 재킷 변환의 소행렬 분해에 따라 표현하며 이러한 결과는 DFT 행렬의 역이 단지 이의 희소 행렬과 치환 행렬에만 관련됨을 보여준다. 재킷 행렬을 통한 DFT 행렬의 분해는 블록 변조 특성을 나타내는 강한 기하 구조를 갖는다. 이는 재킷 행렬을 통해 분해된 DFT 행렬은 블록 변조 과정으로 해석할 수 있음을 의미한다.

순환 행렬 분해에 의한 DCT/DFT 하이브리드 구조 알고리듬

박대철 한국융합신호처리학회 2007 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.7 No.2

This paper proposes a hybrid architecture algorithm for fast computation of DCT and DFT via recursive factorization. Recursive factorization of DCT-II and DFT transform matrix leads to a similar architectural structure so that common architectural base may be used by simply adding a switching device. Linking between two transforms was derived based on matrix recursion formula. Hybrid acrchitectural design for DCT and DFT matrix decomposition were derived using the generation matrix and the trigonometric identities and relations. Data flow diagram for high-speed architecture of Cooley-Tukey type was drawn to accommodate DCT/DFT hybrid architecture. From this data flow diagram computational complexity is comparable to that of the fast DCT algorithms for moderate size of N. Further investigation is needed for multi-mode operation use of FFT architecture in other orthogonal transform computation. 본 논문은 순환 행렬 분해에 의한 DCT 와 DFT의 고속 계산을 위한 하이브리드 아키텍쳐 알고리듬을 제안한다. DCT-II 와 DFT 변환 행렬의 순환 분해는 알고리듬적으로 구현하기가 유사한 구조를 제공하며 이것은 단순히 스위칭 모드의 제어에 의해 공통 아키텍쳐를 사용할 수 있게한다. 두 변환간의 연계는 행렬 순환 공식에 기초하여 유도되었다. DCT/DFT 행렬 분해를 위한 하이브리드 구조 설계를 가능하도록 생성 행렬, 삼각함수 항등식 과 관계식을 사용하여 유도되었다. DCT/DFT 하이브리드 아키텍쳐를 수용하는 쿨리-투키 유형의 고속처리 아키텍쳐에 대한 데이터 흐름도를 작성하였다. 이 데이터 흐름도로부터 적절한 크기의 N에 대해 제안한 알고리듬의 계산 복잡도는 기존의 고속 DCT 알고리듬과 비교할만하다. 다른 직교변환 계산에 FFT 구조의 다중 모드 사용 확장을 위해 좀더 확장된 연구가 필요하다.

Cognitive Radio 시스템의 OFDM을 위한효율적 DCT/DFT 계산에 관한 연구

진주,얀이얼,이문호,김정기 대한전자공학회 2008 電子工學會論文誌-TC (Telecommunications) Vol. No.

In this paper, we address the OFDM based on DFT or DCT in Cognitive Radio system. An adaptive OFDM based on DFT or DCT in Cognitive Radio system has the capacity to nullify individual carriers to avoid interference to the licensed users. Therefore, there could be a considerably large number of zero-valued inputs/outputs for the IDFT/DFT or IDCT/DCT on the OFDM transceiver. Hence, the standard methods of DFT and DCT are no longer efficient due to the wasted operations on zero. Based on this observation, we present a transform decomposition on two dimensional (2-D) systolic array for IDFT/DFT and IDCT/DCT, this algorithm can achieve an efficient computation for OFDM in Cognitive Radio system 본 논문에서는 Cognitive Radio 시스템에서의 DFT와 DCT에 근거한 OFDM을 제시한다. 적응 OFDM은 허가된 사용자의 주파수 간섭을 피하기위해서 개별적인 반송파를 무효화시키는 capacity를 갖는다. 그러므로 OFDM 송신기에서 IDFT/DFT, IDCT/DCT의 입력과 출력이 상당수의 0값을 갖는다. 따라서 DFT와 DCT의 표준 방법은 0에서 필요치 않은 연산 때문에 더 이상 효율적이지 않을 수 있다. 이러한 고찰에 근거하여, 본 논문은 IDFT/DFT, IDCT/DCT를 위한 2차원적(2-D) 단축된 정렬 변환 분해 방법을 보이고, 이 알고리즘이 Cognitive Radion 시스템 환경의 OFDM의 계산을 효율적으로 수행 할 수 있는 방법을 제시한다.

개선된 DFT-s-SSB OFDM 설계와 다수 사용자 환경에서의 스펙트럼 효율

안창영(Changyoung An),이준구(Jungu Lee),장경수(Kyeongsoo Jang),유흥균(Heung-Gyoon Ryu) 한국전자파학회 2018 한국전자파학회논문지 Vol.29 No.3

본 논문은 기존 DFT-s-SSB(Discrete Fourier Transform spread Single Sideband) OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템이 가지는 문제점을 해결하는 개선된 DFT-s-SSB OFDM 시스템을 제안한다. 기존 DFT-s-SSB 시스템은 SSB 변조를 적용하기 위하여 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 변조를 사용한다. 때문에 변조레벨이 높아질수록 BER(Bit Error Rate) 성능열화가 심각해진다. 그리고 오직 LSB(Lower Sideband) 스펙트럼을 통해서만 송신이 가능하며 LSB와 USB(Upper Sideband) 스펙트럼을 동시에 사용하여 송신하는 경우, 간섭이 발생하고 스펙트럼 복구가 올바르게 이루어지지 않는다. 제안하는 시스템은 이러한 문제를 해결하기 위해 2/3 convolution coding을 적용하여 BER 성능을 개선하고 DFT 크기를 조절하고 USB 스펙트럼을 선택하는 방법을 제시하여 남은 스펙트럼 자원을 이용할 수 있도록 한다. 또한 다중사용자를 지원하는 환경 혹은 제한적인 대역폭을 갖는 환경에서 이 시스템을 이용하는 경우 스펙트럼을 절반만 사용하기 때문에 남은 스펙트럼 자원을 이용할 수 있고 스펙트럼 효율을 향상시킬 수 있다. This paper proposes an improved discrete Fourier transform spread single sideband(DFT-s-SSB) orthogonal frequency division multiplexing(OFDM) system that solves the problems of conventional DFT-s-SSB OFDM systems. Conventional DFT-s-SSB systems use pulse amplitude modulation(PAM) for applying SSB modulation. The higher the modulation level, the worse is the BER performance. Further, transmission is possible only through the lower sideband(LSB) spectrum. When transmitting using the LSB and upper sideband(USB) spectra simultaneously, interference occurs and spectrum recovery is not performed correctly. To solve this problem, the proposed system applies the 2/3 convolution coding to improve the bit error rate(BER) performance, adjusts the DFT size, and selects the USB spectrum to utilize the remaining spectrum resources. In addition, when using this system in an environment that supports multiuser or limited bandwidth, it uses only half of the spectrum; therefore, it can utilize the remaining spectrum resources and improve the spectral efficiency.

DFT와 Goertzel 알고리즘의 계산 량 비교와 ECG의 잡음 제거

김정국 한국정보기술학회 2014 한국정보기술학회논문지 Vol. No.

Digital spectrum analysis has been applied to analyses of radar, sonar, speech, electrocardiogram, and so on. The spectrum analysis is required to transfer, from discrete time domain data to frequency domain data by using DFT. As the transform length N increases, the computational amount increases dramatically in DFT. Hence, DFT uses FFT based on N, which needs to be an integer power of 2. If not, the usual approach is to fill zeros to the time domain data to bring it up to the required length. It causes the peak processing loss because of the spectral leakage effects. This study hence suggests an algorithm for reducing the number of iterations for DFT in the case that N is not given as an integer power of 2. The algorithm uses the Goertzel filter, which reduces the number of iterations. For proving its effectiveness, its flow chart was introduced. By comparing Goertzel algorithm with DFT, in terms of the number of iterations, Goertzel algorithm is proved more effective. It is then verified by applying this method to ECG signal noise elimination. 디지털 스펙트럼 분석은 ECG, 음성, radar, sonar 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 디지털 스펙트럼 분석은 이산 시간 데이터를 주파수 영역의 데이터로 변환하는 이산 푸리에 변환 DFT가 요구된다. DFT는 변환 길이 N이 증가하면 계산 량이 급격하게 증가하여 고속 푸리에 변환 FFT가 제안되었다. 표준 FFT의 경우 N은 2의 정수 지수를 요구한다. N이 2의 정수 지수로 주어지지 않는 경우, 나머지 항들의 0을 삽입으로, 처리하고자 하는 신호 대역의 중심 주파수를 벗어나는 주파수 누설 현상으로 최대 처리의 손실을 발생시킨다. 본 논문은 변환 길이 N이 2의 정수 지수로 주어지지 않는 경우라도 Goertzel 알고리즘으로 계산 량을 감소시키고 제안된 이론의 타당성을 DFT와 계산 량을 정량적으로 비교할 수 있는 흐름 선도를 제공하여 생체신호 ECG에 포함된 잡음을 제거하고 원 신호를 복원하는데 응용하여 증명하였다.