Performance Analysis of PSSK/QAPM system with Diversity Reception in Fading Channels

국문 초록 (Abstract)

휴대 이동통신 단말기의 대중화와 더불어 상당한 근거리 통신 업무용 무선기기들이 보급되었다. 그러나 저전력 통신 업무용 무선기기는 융합산업의 도래로 인한 다양한 QoS 요구를 현 IEEE 802 표준만으로 만족하는 데 한계가 따른다. 이러한 배경으로 인하여, 비표준 연합을 중심으로 독자적인 저전력 통신업무용 무선기술에 관한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 산업적 트렌드의 수용 및 해결을 위하여 전력효율 변조기법인 PSSK, QAPM 시스템에 SC, EGC, MRC와 같은 다이버시티 기법을 채택한 무선통신기법을 제안하고자 한다.
PSSK(QAPM) 방식은 PPM과 PSK(QAM) 결합한 통신기법으로 전력효율 데이터 전송이 가능하다. 심볼 주기에 무음 구간을 포함하며, 한 단계 낮은 변조 차수를 사용하기 때문에 동일 변조차수의 PSK(QAM) 대비3~4 ㏈ 이상의 성능 향상이 있다. 그러나 이러한 PSSK(QAPM) 변조는 심볼 주기 내 유효 심볼의 듀티­사이클의 증분 만큼 점유대역폭이 확장되는 취약점을 가진다. 본 논문에서는 PSSK, QAPM 변조 신호를 ‘시간영역’ 과 성상도에 재현하였고, 백색잡음 환경에서 PSK, QAM 변조와 SER을 비교함으로써 성능 향상을 확인하였다.
전자기파를 사용하는 무선통신은 방향성 없이 대기중으로 복사되기 때문에 동일한 신호가 여러 경로를 경유하여 수신단 무선국에 도달한다. 이러한 다중경로를 경유한 신호들이 합성될 경우 포락선의 급격한 변화가 발생한다. 본 논문에서는 레일리 페이딩에서 PSSK, QAPM 시스템의 SER을 추출한 결과 Eb/N0=20 ㏈에서 조차 약 SER=10-2으로 저조한 성능을 보였다.
본 논문에서는 이러한 페이딩 영향을 억제하기 위하여 다이버시티 기법을 PSSK, QAPM 방식에 적용한다. SC, EGC, MRC와 같은 다이버시티 기법은 각 브렌치의 수신 신호들을 취급하는 방법에 차이는 있지만, 공통적으로 페이딩 영향을 경감하여 시스템의 전반적 성능 향상을 위한 수단을 제공한다. 본 논문에서는 다이버시티 기법을 적용한 PSSK, QAPM 시스템에 대하여 라이시안 페이딩 채널에서 SER을 비교함으로써 제안하는 시스템의 성능 향상을 확인하였다. 여기서, 다이버시티 이득은 PSK(QAM) 방식과 PSSK(QAPM) 방식 사이의 성능 차이를 더욱 크게 한다. 이러한 성능 향상(이득)을 확인하기 위하여 라이시안 K값 별, 변조 차수 별, 다이버시티 기법 별로 PSK(QAM) 시스템과 PSSK(QAPM) 시스템의 SER을 비교하였다. 동일 변조 차수의 시스템 대비 3~4 ㏈ 의 성능 향상이 있음으로, 결국 PSSK, QAPM 방식은 다이버시티 이득에 의한 추가적인 성능 이득이 존재함이 확인되었다.
본 논문에서는 고효율 변조 방식에 다이버시티 기법을 채택하여 추가적인 성능 이득을 확보하였으며, 이러한 추가적인 성능 이득은 저전력 통신 업무용 무선국이 다양한 QoS 요구에 대응할 여력을 가져다준다. 본 논문에서는 BCH/콘볼루션 코드와 같은 채널 코딩 기법을 다루지는 않지만, 제안하는 통신 기법에 채널 코딩 기법을 결합·연동할 경우 저전력 통신 업무용 무선기기의 활용성은 더욱 높아질 것으로 기대된다. 이러한 채널 코딩 기법과 연동을 통한 성능 향상은 향후 과제로 남겨둔다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT ⅰ
• List of Figures ⅲ
• List of Tables ⅷ
• List of Abbreviations ⅸ
• Ⅰ. Introduction 1
• 1. Background 1
• 2. Problems and Limitations 2
• 3. Research Goal 3
• Ⅱ. Power efficient Modem 5
• 1. Wireless Channel Environment 5
• 2. Conventional Modulation for Low-Power Communication 6
• 2.1 Prior Research and Status 6
• 2.2 Problems and Limitations 7
• 2.3 Latest Modulation Techniques 7
• 3. PSSK System 8
• 3.1 Modulation Technique 8
• 3.2 Modulator Structure 8
• 3.3 Transmitted Signal Analysis 10
• 3.4 Simulation Results 10
• 3.4.1 Simulation Process and Condition 10
• 3.4.2 Modulated Signal Representation 12
• 3.4.3 Performance Analysis of M-PSSK system 13
• 4. QAPM System 15
• 4.1 Modulation Technique 15
• 4.2 Modulator Structure 15
• 4.3 Transmitted Signal Analysis 16
• 4.4 Simulation Results 17
• 4.4.1 Simulation Process and Condition 17
• 4.4.2 Modulated Signal Representation 18
• 4.4.3 Performance Analysis of M-QAPM system 19
• 5. Summary 21
• Ⅲ. Power-efficient Modem with Diversity Scheme 22
• 1. Channel Environment and Related Diversity Technique 22
• 1.1 Channel Environment 22
• 1.2 Problems and Limitations 22
• 1.3 Latest Diversity Techniques 23
• 1.3.1 Selection Combining 23
• 1.3.2 Equal Gain Combining 24
• 1.3.3 Maximum Ratio Combining 25
• 1.3.4 Simulation Environment 26
• 1.3.4.1 Simulation Procedure 26
• 1.3.4.2 Simulation Condition 27
• 1.3.4.3 Simulation Results 28
• 2. PSSK Modem with Diversity Scheme 32
• 2.1 PSSK modem with SC Diversity 32
• 2.1.1 Technical Overview 32
• 2.1.2 Mathematical Analysis 32
• 2.1.3 Simulation Results 34
• 2.1.3.1 Simulation Process and Condition 34
• 2.1.3.2 Performance Analysis of PSSK system with SC diversity 34
• 2.2 PSSK Modem with EGC Diversity 38
• 2.2.1 Technical Overview 38
• 2.2.2 Mathematical Analysis 38
• 2.2.3 Simulation Results 40
• 2.2.3.1 Simulation Process and Condition 40
• 2.2.3.2 Performance Analysis of PSSK system with EGC diversity 40
• 2.3 PSSK Modem with MRC Diversity 44
• 2.3.1 Technical Overview 44
• 2.3.2 Mathematical Analysis 44
• 2.3.3 Simulation Results 45
• 2.3.3.1 Simulation Process and Condition 45
• 2.3.3.2 Performance Analysis of PSSK system with MRC diversity 45
• 3. QAPM Modem with Diversity Scheme 49
• 3.1 QAPM Modem with SC Diversity 49
• 3.1.1 Technical Overview 49
• 3.1.2 Mathematical Analysis 49
• 3.1.3 Simulation Results 52
• 3.1.3.1 Simulation Process and Condition 52
• 3.1.3.2 Performance Analysis of QAPM system with SC diversity 52
• 3.2 QAPM Modem with EGC Diversity 56
• 3.2.1 Technical Overview 56
• 3.2.2 Mathematical Analysis 56
• 3.2.3 Simulation Results 59
• 3.2.3.1 Simulation Process and Condition 59
• 3.2.3.2 Performance Analysis of QAPM system with EGC diversity 59
• 3.3 QAPM Modem with MRC Diversity 63
• 3.3.1 Technical Overview 63
• 3.3.2 Mathematical Analysis 63
• 3.3.3 Simulation Results 66
• 3.3.3.1 Simulation Process and Condition 66
• 3.3.3.2 Performance Analysis of QAPM system with MRC diversity 66
• 4. Summary 70
• Ⅳ. Performance Verification 71
• 1. Simulation Condition 71
• 2. Simulation Results 72
• 2.1 Performance Analysis by Modulation Technique 72
• 2.1.1 SER comparison of M-PSSK system with SC divsersity 72
• 2.1.2 SER comparison of M-QAPM system with SC divsersity 73
• 2.1.3 SER comparison of M-PSSK system with EGC divsersity 76
• 2.1.4 SER comparison of M-QAPM system with EGC divsersity 76
• 2.1.5 SER comparison of M-PSSK system with MRC divsersity 80
• 2.1.6 SER comparison of M-QAPM system with MRC divsersity 80
• 2.2 Performance Analysis by Fading channel depth 84
• 2.2.1 SER comparison of M-PSSK system without diversity 84
• 2.2.2 SER comparison of M-PSSK system with SC diversity 85
• 2.2.3 SER comparison of M-PSSK system with EGC diversity 86
• 2.2.4 SER comparison of M-PSSK system with MRC diversity 87
• 2.2.5 SER comparison of M-QAPM system without diversity 88
• 2.2.6 SER comparison of M-QAPM system with SC diversity 89
• 2.2.7 SER comparison of M-QAPM system with EGC diversity 90
• 2.2.8 SER comparison of M-QAPM system with MRC diversity 91
• 2.3 Performance Analysis by Diversity Technique 92
• 2.3.1 SER comparison of M-PSK and M-PSSK systems 92
• 2.3.2 SER comparison of M-QAM and M-QAPM systems 96
• 2.3.3 SER comparison of M-PSSK/M-QAPM system in White Noise 99
• 3. Summary 101
• Ⅴ. Conclusion 103
• Reference 106
• Appendix. A 109
• Appendix. B 111
• Appendix. C 113
• Appendix. D 115

참고문헌 (Reference)

1 송기홍, "이동통신 채널 실험", ㈜솔루원스, pp. 135-146, 년, 2002

2 천재영, 김언곤, "Performance of PSSK, QAPM system in Rayleigh Fading Environment,", 한국통신학회 하계학술대회논문집, pp. 1015- 1016, 2015년 6월, 2015

3 김기만, 한정우, 장철희, 이성로, "수중 센서 네트워크에서 저전력 통신을 위한 변조 기법의 적용성 연구,", 한국통신학회, 한국통신학회논문지 '11-06, 제36권, 6호, pp. 689-696, 년 6월, 2011

4 김기윤, 최형진, 최일묵, 원경훈, "의료용 In-Body WBAN 시스템을 위한 Offset Phase Rotation Shift Keying 및 Phase Silence Rotation Shift Keying 변조 방식,", 한국통신학회논문지 제37권, 5호, pp. 290-297, 년 5월, 2015

5 천재영, 김언곤, "페이딩 영향 극복을 위한 SC 다이버시티와 BCH 부호 화 기법을 적용한 PSSK 시스템의 성능에 관한 연구,", 제 18회 전자정보 통신 학술대회 CEIC , pp. 9-10, 2016년 12월, 2016