DUSTs OFDM의 성능분석

국문 초록 (Abstract)

OFDM은 사용하고자 하는 주파수 대역을 여러 개의 작은 주파수 대역(부반송파)으로 분할하여 데이터를 전송하는 주파수 분할 다중화 (FDM : Frequency Division Multiplexing) 방식의 일종으로 대역폭을 효율적으로 사용하게 하고, Multi-path fading과 ISI에 강한 장점을 가지고 있어 최근에 무선 LAN (Local Area Network), DAB (Digital Audio Broadcasting) / DVB (Digital Video Broadcasting), ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), 그리고 Wibro (Wireless Broadband Internet)등 다방면에 응용되고 있다[1,2]. 그러나 OFDM은 같은 위상을 가진 여러 부반송파들의 중첩으로 인한 순간 peak power의 증가로 높은 PAPR (Peak-to-Average Power Ratio)이 발생하므로, 증폭기의 포화영역에서 왜곡이 발생하고, 채널에 의한 선택적인 deep fading과 interference에 대해 좋지 않은 성능을 보이는 문제점을 가지고 있다.
OFDM 시스템은 데이터를 여러 개의 부반송파로 나누어 동시에 전송하는 방식이므로 만약 어느 특정 부반송파가 채널 특성으로 인해 deep fading과 interference를 겪었다면, 그 특정 부반송파의 진폭은 현저히 감쇄된다. 그로인해 시스템에 높은 SNR을 야기 시키게 되고 이러한 결과는 전체 OFDM 시스템의 BER 성능을 저하시키는 결과를 초래한다.
본 논문에서는 OFDM의 문제점 중에서 앞서 설명한 deep fading과 interference에 대해 저하된 OFDM 시스템의 BER 성능을 향상시킬 수 있는 여러 가지 해결책들 중에서 간단하면서도 효과적인 기술인 spreading 기술을 이용한 Walsh-Hadamard Transform (이하 WHT) OFDM과 Disambiguating Unitary Spreading Trasnforms (이하 DUSTs) OFDM을 소개하고 그에 따른 모의실험은 특정 부반송파에서 deep fading이나 interference를 겪었을 때와 그렇지 않았을 때로 나누어서 성능분석을 한다.
2장에서는 전체 OFDM 시스템 모델의 간략한 설명과 OFDM 신호의 processing 및 deep fading을 해결하기 위해 제안된 방법들에 대해서 설명하고 3장에서는 본 논문에서의 핵심 기술인 “spreading" 변환 기법을 이용한 WHT과 DUSTs에 대해서 설명한다. 4장에서는 모의실험에 사용된 채널 환경에 대한 설명과 WHT / OFDM과 그보다 향상된 DUSTs / OFDM의 BER 성능을 분석한다. 마지막으로 5장에서는 모의실험 결과에 대하여 논의한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

OFDM can be seen as either a modulation technique or a multiplexing technique. One of the main reasons to use OFDM is to increase the robustness against frequency selective fading or narrowband interference. In a single carrier system, a single fade or interferer can cause the entire link fail, but in a multi-carrier system, only a small percentage of the sub-carriers will be affected. But the deep fading can seriously degrade the OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) transmission in the fading environment. So, we are introducing "spreading technique" (WHT, DUSTs…) to overcome deep selective fading.
In this paper several well known and recently presented techniques used to combat the impact of deep fading on the OFDM system performance have been compared. And this paper introduce a new class of symbol-spreading transforms, Disambiguating Unitary Spreading Transforms (DUSTs). That is well-suited for use in error-control coding system operating in fading channels. These unitary transforms have the property that they allow for the unambiguous determination of input symbols from just a single correctly received output symbol. Our simulation show that on multi-path fading channels using Jakes’model with deep fading or interference, system based on these new transforms can greatly outperform (about 2dB at BER 10-3) previously proposed systems that use Walsh-Hadamard transforms. And show that the DUSTs / OFDM’s BER performance is approximately 6dB greater than the conventional OFDM.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• Abstract
• 목차
• 그림목차
• 제 1 장 서 론
• 제 2 장 OFDM 시스템 모델
• 2.1 OFDM 시스템 개요
• 2.2 OFDM signal processing
• 2.3 선택적인 deep fading을 극복하기 위한 여러 가지 OFDM 모델
• 2.3.1 MSE equalizer를 사용한 OFDM 수신기
• 2.3.2 OFDM 신호의 Pre-equalization
• 2.3.3 Walsh-Hadamard Transform을 이용한 OFDM 시스템
• 제 3 장 Spreading Transforms
• 3.1 WHT / OFDM 시스템
• 3.2 DUSTs / OFDM 시스템
• 제 4 장 Spreading Transforms 적용에 따른 성능분석
• 4.1 모의 실험의 채널환경
• 4.2 모의 실험의 시스템 환경
• 4.3 모의 실험
• 4.3.1 WHT / DUSTs의 spreading 효과
• 4.3.2 특정 부반송파에서의 deep fading에 대한 실험
• 4.3.3 BER (Bit Error Rate) 성능
• 제 5 장 결 론
• 참고문헌
• Thanks to
• 그 림 목 차
• [그림 2.1] 다중경로 전파환경
• [그림 2.2] 전송 속도에 따른 수신신호의 특성
• [그림 2.3(a)] Single-carrier와 Multi-carrier의 시간 축에서의 비교
• [그림 2.3(b)] 다수 반송파를 사용하는 주파수 분할 다중화 방식(OFDM)의 송신기
• [그림 2.4] (a) 하나의 OFDM 부채널 (b) OFDM 신호의 전송 스펙트럼
• [그림 2.5] (a) FDM 시스템 (b) OFDM 시스템의 비교
• [그림 2.6] 주파수 응답
• [그림 2.7] OFDM 수신기의 블록 다이어그램
• [그림 2.8] 보호구간 내에 ‘0’을 삽입한 다중경로의 영향
• [그림 2.9] Cyclic prefix
• [그림 2.10] 2-ray 다중경로 채널에서 3개의 부반송파를 가진 OFDM 신호
• [그림 2.11] 시간-주파수 축에서의 OFDM 신호
• [그림 2.11] MSE equalizer를 사용한 OFDM 시스템의 블록 다이어그램
• [그림 2.12] 송신기에 Pre-equalizer를 사용한 OFDM 시스템의 블록 다이어그램
• [그림 2.13] WHT를 이용한 OFDM 시스템
• [그림 3.1] 2x2 WHT 행렬을 이용한 입력 심볼의 "spreading" 과정
• [그림 3.2] 2x2 DUSTs 행렬을 이용한 입력 심볼의 "spreading" 과정
• [그림 3.3] 2x2 "butterfly" factor node
• [그림 3.4] 8x8 DUSTs 행렬 구현에 대한 factor 그래프
• [그림 3.5] 2x2 DUSTs 행렬의 두 출력 단에서 가질 수 있는 가능한 출력 값에 대한 constellation points
• [그림 4.1] WHT를 한 후 첫 번째 출력 단에서 보이는 신호의 constellation points
• [그림 4.2] WHT를 한 후 두 번째 출력 단에서 보이는 신호의 constellation points
• [그림 4.3] DUSTs를 한 후 첫 번째 출력 단에서 보이는 신호의 constellation points
• [그림 4.4] DUSTs를 한 후 두 번째 출력 단에서 보이는 신호의 constellation points
• [그림 4.5] 7번째와 4번째 부반송파의 signal points (a),(b) 일반 OFDM 시스템 (c),(d) DUSTs/OFDM 시스템 (e),(f) WHT/OFDM 시스템
• [그림 4.6] Multi-path Rayleigh fading 채널에서 일반적인 OFDM 시스템과 WHT / DUSTs OFDM 시스템과의 (a) 8개의 부반송파 (b) 4개의 부반송파 (c) 2개의 부반송파일 때 BER 성능비교
• [그림 4.7] Fading 겪지 않았을 경우, 일반적인 OFDM 시스템과 WHT / DUSTs OFDM 시스템과의 BER 성능비교