Digital transmission of information over a radio communication channel suffers from distortions arising from the time-varying multipath propagation of signal, and there has been a large number of research activities for reliable communication over such channels around the world. Among them, the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technique has been attracting great attention in mobile radio communication fields because of its inherent advantages over other modulation schemes in fading multipath channels.
OFDM is one of the possible realizations of multi-carrier modulation (MCM) scheme. In OFDM, information is transmitted over several narrowband subchannels by frequency division multiplexing. It allows spectral overlapping between adjacent subchannels but maintains the orthogonality between them. The modulation and demodulation of OFDM can be easily implemented with the discrete Fourier transform (DFT). OFDM can achieve high spectral efficiency even though it has a long symbol duration compared to single carrier modulation. The long symbol duration and narrow frequency band occupied by each subchannel result in great advantages to the communication over multipath channels.
This dissertation investigates the maximum-likelihood (ML) receivers to improve the performance of OFDM when it is employed in the transmission of information over time-varying multipath fading channels. In this dissertation, we derive the distortions resulting from these channels and propose several compensation and detection techniques that can improve the performance of OFDM.
First, we examine the detection problem of signal from unknown random channel. We derive the ML receiver for OFDM for combating the effects of multipath propagation. Under the assumption of slow fading condition, the demodulated OFDM signal at each subchannel experiences the multiplicative fading, that is, frequency nonselective fading distortion. Based on this type of distortion, differential modulation and detection schemes in temporal direction or in frequency domain can be applied to the detection of OFDM signal. The differential detection methods, however, reveal irreducible error floors in case of high Doppler rate or severe multipath spread. Under the assumption of Rayleigh fading and MPSK modulation on each subchannel, it is shown that the ML receiver has a form of the linear predictor. The ML receiver can be implemented recursively by a bank of finite impulse response (FIR) filters and the Viterbi algorithm (VA). The proposed ML receiver for GSM channel models results in the improved performance compared with that of noncoherent differential detection method. It also lowers the irreducible error floors occurred when severe multipath condition or high Doppler rate exists.
Finally, we address OFDM receiver structures for the frequency nonselective fading channel based on the minimum-distance criterion under the assumption of the perfect knowledge of channel response. The fast fades, which arise in signaling over the frequency nonselective fading channels and resemble the impulsive noise, can be averaged over a long symbol duration of OFDM. It is the advantage of OFDM over the single carrier modulation. On the other hand, the time domain multiplicative fading results in spectral broadening of OFDM signal which causes interchannel interference (ICI) in the demodulated OFDM signal. This spectral broadening is an obstacle to the detection of OFDM signal. It is shown that the minimum-distance receiver has the form of a matched filter (MF) followed by a sequence detector in frequency domain. Since the MF output is an sufficient statistics for the received signal, we also derive linear and decision feedback equalizers, and equalized maximum-likelihood sequency detector (Equalized-MLSD) from the MF output with finite complexity based on the minimum mean square error criterion (MMSE). We confirm their performance by computer simulation.
무선 통신 채널에서의 정보 전송은 시간에 따라 변화하는 채널의 다중경로 전파 특성으로부터 기인되는 여러가지 장애를 겪게 된다. 오늘날 통신기술과 신호처리 기술의 발전으로 이러한 채널에서 보다 더 효율적인 통신을 위한 연구노력이 세계 도처에서 진행되고 있다. 이중 다중경로 페이딩 채널에서 여러가지 장점을 갖고 있는 직교성 주파수 분할 다중 (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) 통신 방식이 이동통신 분야에서 큰 주목을 받고 있다.
직교성 주파수 분할 다중 방식은 다중 반송파 변조 (multi-carrier modulation, MCM) 방식의 일종으로 주어진 대역폭 (bandwidth) 을 여러개의 좁은 부채널 (subchannel) 로 나누어 정보를 각각의 부채널로 전송하는 방식이다. 이 방식은 각각의 주파수 부채널간에 직교성을 유지하면서 스펙트럼의 중첩을 허용하여 주파수 사용 효율을 극대화할 수 있다. 직교성 주파수 분할 다중 방식의 변조와 복조는 이산 푸리어 변환 (discrete Fourier transform, DFT)으로 용이하게 구현될 수 있으며, 단일 반송파 변조 방식 (single carrier modulation, SCM) 에 비해서 상대적으로 심볼의 주기가 증가하게 된다. 이러한 긴 심볼 주기와 각 부채널이 차지하는 좁은 대역폭은 다중 경로 페이딩 채널에서의 통신에 큰 장점으로 작용하게 된다.
이 논문에서는 직교성 주파수 분할 다중 방식이 시간적으로 특성이 변화하는 다중 경로 페이딩 채널에 정보 전송 방식으로 사용될 때 최우 (maximum-likelihood, ML) 수신 기법을 적용하여 성능을 향상 시키는 것을 목표로 하였다. 무선 채널에서 발생하는 여러가지 신호의 왜곡 현상을 분석하고 이를 바탕으로 직교성 주파수 분할 다중 방식 신호의 보상 기법과 검파 기법에 대해서 연구하였다.
첫째로 직교성 주파수 분할 다중 방식을 주파수 선택적 페이딩 채널 (frequency selective fading channel) 에 적용하였을 때 복조된 신호의 왜곡 형태를 유도하였다. 채널이 서서히 변화한다는 가정하에 복조된 신호에 나타나는 왜곡 형태는 각 부채널의 송신 심볼과 그 부채널에 해당하는 채널응답의 곱으로 나타난다. 즉, 각 부채널은 주파수 비선택 페이딩을 받게 된다. 이러한 왜곡 현상을 기반으로 주파수 또는 시간 방향으로 차동 검파 (differential detection) 을 적용할 수 있음을 보였고 최우 수신기를 유도하였다. 일반적으로 최적 수신기 구조는 정합 필터 수신기 (matched filter receiver) 또는 상관 수신기 (correlation detector) 형태를 갖는다. 그러나 페이딩 채널에서는 채널의 응답을 미리 알 수 없으므로 채널의 통계적 특성으로부터 채널을 추정하고 이를 수신 신호와 상관시키는 추정기-검파기 (estimator-detector) 형태를 갖는다. 이 논문에서는 채널이 레일라이 페이딩이라 가정하였다. 즉, 가우시안 랜덤 채널에서의 신호 검파 문제로 놓고 유도된 최우 수신기는 선형 예측기 (linear predictor) 형태를 갖는다. 이 선형 예측 수신기는 유한 임펄스 응답 (finite impulse response, FIR) 필터와 비터비 알고리즘으로 실제 구현가능함을 보였다. 제안된 최우 수신 알고리즘을 GSM 채널 모델에 적용하여 그 성능을 검증하였다. 이 경우 제안된 최우 수신기는 도플러 주파수가 높거나 다중경로 지연이 큰 경우 기존의 차동 검파방식에서 나타나는 error floor를 낮출 수 있고 개선된 성능을 나타낸다.
마지막으로 직교성 주파수 분할 다중 방식을 주파수 비선택적 페이딩 (frequency nonselective fading) 채널에 적용하였을 때 최소 거리 기준 (minimum-distance criterion) 에 의한 수신기 구조를 유도하였다. 주파수 비선택 페이딩 채널에 신호를 전송할 때 나타나는 빠른 페이딩은 임펄스 잡음과 유사하며 이는 직교성 주파수 분할 다중 통신방식의 긴 심볼 구간동안 평균되어 진다. 이는 직교성 주파수 분할 다중 방식이 단일 주파수 변조방식에 비해 큰 장점으로 작용하게 된다. 그러나 시간영역에서의 승산성 왜곡 (multiplicative fading) 은 복조 후 직교성 주파수 분할 다중 방식의 부채널간 신호 간섭으로 작용하게 되며 이는 신호 검파에 장애가 된다. 채널의 응답을 완전히 알고 있다는 가정하에 최소거리 기준으로 유도된 수신기는 정합 필터와 시퀀스 검파기로 구성된다. 정합 필터 출력이 수신신호에 대한 모든 통계적인 정보 (a set of sufficient statistics) 를 갖고 있다는 사실로 부터 선형 등화기 (linear equalizer, LE), 결정 궤환 등화기 (decision feedback equalizer, DFE), 그리고 최우 시퀀스 검파기 (maximum-likelihood sequence detector, MLSD) 를 MMSE (minimum mean square error) 기준에 의해서 유도하고 그 성능을 모의실험으로 검증하였다.