With the growth of wireless personal communication systems and wireless local area networks, the demand for reliable voice and data transmissions has become evident. The code division multiple access (CDMA) system meets the demand to a large number of users. A transmitted signal is affected severely by fading, and the reliable transmission is dominated by the bit error rate (BER) in wireless channels. In wireless channels with CDMA systems, the signals are corrupted severely by the interference due to other users who are not a desired user as well as the fading phenomenon. They are also polluted by background Gaussian noise somewhat. The standard CDMA adopts convolutional coding as encoding scheme, however the BER performance could be increased by using a trellis coded modulation (TCM) scheme with no parallel paths that has the shortest error event path in a trellis diagram as long as possible and the branch distance product of the path as large as can be. In particular, the line-of-sight (direct) component of a signal is more dominant than the scattered component in a satellite channel. In this case, Nakagami''s m-distribution is appropriate to model the channel. The Nakagami fading channel also includes Rayleigh, and approximates Rician distributions for a given value of m in comparatively small areas.
In this dissertation, an analytical approach to improve the BER and throughput performance on direct sequence CDMA (DS-CDMA) in a Nakagami fading mulitpath channel is presented. To obtain this object, convolutional coding or TCM scheme is considered. The binary phase shift keying (BPSK) is also considered. It is assumed that the fading parameters and average signal powers per diversity branch are identical. The distance between diversity branches is so small that the correlation between them may occur. The occurrence of correlation deteriorates the BER performance. It is assumed to be equally correlated between diversity branches. In case of correlation occurrence between diversity branches, the correlation coefficient $\rho$ is also considered for comparison besides the above mentioned factors.
The results are compared with different values of diversity order L, processing gain $N_c$, the number of users N, and fading parameter m. The BER performance increases by using RAKE receiver in DS-CDMA employing maximal ratio combining (MRC) with diversity order. Particularly, the results show that the improvement of the BER performance can be significantly obtained by using the TCM scheme mentioned above without system complexity. When the direct component is dominant, that is, the value of m is large, the results illustrate the BER performance is significantly improved. In case of correlation occurrence, the extent of deterioration of the performance due to the correlation between diversity branches is larger as the value of correlation coefficient is larger. The correlation for convoltional coding and Ungerboeck''s TCM with parallel paths don''t occur for $L=1$ since just one diversity branch can not generate correlation. However, the correlation for TCM with the shortest error event path which has more than two branches occurs since the different time distances look like different diversity branches. The deterioration of BER performance due to correlation can be compensated by increasing processing gain. For instance, the BER performance of TCM for $N_c=1,024$, is compensated about 2 dB compared with for $N_c=512$ between ρ=0 and 0.7 at N=20, m=2, and the bit error probability $P_b=10^{-6}$. It can also be compensated using a larger number of diversity branches. In this dissertation, the most important factor to improve the BER performance is the length and branch distance product of the shortest error event path in a trellis diagram for high signal-to-noise ratio (SNR). The results illustrate that the BER performance of TCM scheme with effective length 3 is more improved about 1 dB and 5 dB than convolutional coding at the same complexity at $P_b=10^{-6}$ and $P_b=10^{-7}$, respectively, for N=30, $N_c=512$, L=3, and m=2.
As the throughput defined by the average number of successfully received packets in a packet radio network is based on the BER performance, the higher the BER performance becomes, the higher throughput becomes. A signal bit error in a packet generates an error in an entire packet. The differential PSK (DPSK) and BPSK are considered. The convolutional coding and TCM schemes are also introduced to improve throughput performance. The case of throughput analysis includes packet size as well as the factors mentioned above for BER performance. The throughput of coded system is compared with uncoded case. It is assumed that there are a large number of users enough to get Poisson distribution. Most of the results obtained from the BER performance analysis are also suitable for the throughput performance. The results for throughput performance also take packet size into account, and show that the throughput performance decreases as the packet size increases. In case of throughput performance, the results illustrate the most important factor to improve the performance is the number of diversity branches for both coded and uncoded cases. Thus the throughput performance is further improved by choosing optimal values of packet size and diversity order in a certain environment.'
무선 개인통신시스템 및 근거리통신 네트워크의 성장과 더불어 신뢰 있는 음성 및 데이타 전송에 대한 요구는 당연하다. 무선통신로에서 전송신호는 페이딩현상에 의하여 심각하게 영향을 받고, 신뢰있는 전송은 비트오류율 (BER)에 의하여 결정된다. 페이딩채널에서, 부호분할 다원접속 (CDMA) 시스템은 이 요구 조건을 많은 사용자에게 제공한다. 부호분할 다원접속 시스템을 가지고 있는 무선채널에서 신호들은 페이딩 뿐 아니라 원하는 사용자가 아닌 타 사용자에 의한 간섭현상에 의하여 크게 비트오류율 성능이 저하된다. 이 신호들은 다른 한편으로 배경 가우시안 잡음에 의하여 다소 비트오류율 성능의 저하를 받는다. 표준 부호분할 다원접속 방식은 부호화 방식으로 컨벌루션부호를 채택하였다. 그렇지만, 비트오류율 성능은 시스템을 복잡하게 하지 않고도 트럴리스부호변조 (TCM) 방식에서 트럴리스도의 병렬가지 없이 오류를 갖는 가장 짧은 경로의 가지수가 많을수록, 또한 그 경로의 가지의 거리의 곱이 클수록 크게 향상된다. 특히, 위성채널에서는 신호의 직선성분이 산란성분보다 더 우세하다. 나카가미 분포는 이 위성채널의 모델링에 적합하다. 나카가미 페이딩채널은 또한 비교적 작은 공간에서 어떤 값에 대하여 레일리분포를 갖고, 라이시안분포에 접근한다.
이 학위논문에서는 나카가미 페이딩 다경로 채널에서 직접 부호분할 다원접속 (DS-CDMA)에 관한 비트오류율 및 처리율의 성능 향상에 관한 해석적 방법을 제시하였다. 비트오류율 성능을 향상시키기 위하여 컨벌루션부호화 혹은 트럴리스부호변조 (TCM) 방식을 고려하였다. 이진위상편이변조 방식이 또한 사용되었다. 다이버시티 가지당 페이딩 파라미터와 평균 신호전력은 같다고 가정하였다. 다이버시티 가지들 간의 거리가 너무 작으면 가지들 간에 상관관계가 발생하고, 그리고 이것은 비트오류율의 저하를 초래한다. 이 경우 다이버시티 가지들 간의 상관관계는 일정하다고 가정하였다. 다이버시티 가지들 간에 상관관계가 있을 때는, 위의 모든 값들 뿐 아니라 상관계수도 비교를 위하여 포함되었다.
이 학위논문에서의 결과들은 다이버시티 경로수, 처리이득, 사용자수 및 페이딩 파라미터들의 여러가지 값들에 대하여 비교하였다. 비트오류율 성능을 다이버시티 경로수를 가지고 있는 직접 부호분할 다원접속 레이크 (RAKE) 수신기에서 최대율결합 (MRC) 방식을 사용하여 향상시켰다. 특히, 결과들은 위에서 언급된 요소를 가진 트럴리스부호변조 방식을 사용하여 높은 신호 대 잡음비 (SNR)에서 비트오류율 성능의 향상을 크게 얻었다. 신호에서 직선성분이 클 때, 즉 페이딩 파라미터의 값이 클 때, 성능이 많이 향상 됨을 보여 주고 있다. 다이버시티 가지들 간의 상관현상에 의한 비트오류율 성능의 감소는 상관계수가 커질수록 더 증가 함을 볼 수 있다. 한 개의 다이버시티를 갖는 시스템에서 컨벌루션부호와 병렬경로를 가지고 있는 엉글바크의 트럴리스부호변조 방식에서는 상관현상이 일어나지 않는다. 그렇지만, 가장 짧은 경로가 두 개 이상의 가지에서 오류를 갖는 트럴리스부호변조 방식에서는 비록 다이버시티 경로수가 한 개일지라도 그 경로의 가지들 간에 상관관계가 발생한다. 이렇게 감소된 비트오류율 성능은 처리이득을 크게 함으로써 보상된다. 예를 들면 사용자수 20, 페이딩 파라미터 2, 비트오류확률 $10^{-6}$ 에서 처리이득이 1,024인 TCM의 비트오류율은 처리이득이 512보다 상관계수가 0-0.7 사이에서 약 2 dB가 보상된다. 또한 이것은 큰 값의 다이버시티 가지수로도 보상할 수 있다.
이 학위논문은 나카가미 채널에서 시스템을 복잡하게 하지 않고, 비트오류율 성능을 향상시키는 가장 중요한 요소가 높은 신호 대 잡음비에서, 트럴리스부호변조 방식의 트럴리스도에서 병렬을 가지고 있지 않고 오류를 갖는 가장 짧은 경로의 가지수 및 가지의 거리곱이라는 것을 보여 주고 있다. 본 논문의 결과는 트럴리스도의 가지수 3을 가지고 있는 TCM의 비트오류율 성능이 사용자수 30, 처리이득 512, 다이버시티 경로수 3, 페이딩 파라미터 2의 경우에 같은 복잡도를 가지는 컨벌루션부호보다 비트오류확률이 $10^{-6}$ 및 $10^{-7}$ 에서 각각 약 1 dB 및 5 dB 더 향상됨을 보여 준다.
패킷 라디오 네트워크에서 성공적으로 수신된 패킷의 평균수로 정의된 처리율은 비트오류율 성능에 기반을 두고 있기 때문에, 비트오류율 성능이 커질수록 처리율 역시 커지게 된다. 하나의 비트오류는 전 패킷의 오류를 초래한다. 부호화 되지 않은 차등위상편이변조 및 이진위상편이변조 방식이 처리율 성능을 위하여 고려되었다. 컨벌루션부호 및 트럴리스 부호 변조 방식이 비트오류율 성능 향상 때와 같이 도입되었다. 처리율 성능 향상 해석에서는 비트오류율 성능 향상 해석에서 고려되었던 모든 요소들 뿐 아니라 패킷크기도 포함된다. 부호화된 시스템의 처리율을 부호화되지 않은 경우와 비교하였다. 사용자의 확률분포가 포아슨분포가 되도록 많은 사용자가 본 시스템에서 있다고 가정하였다. 비트오류율 성능 향상으로부터 얻어진 결과가 처리율 성능에도 거의 비슷하게 적용된다. 단지 처리율 성능에서는 패킷크기가 고려되어야 하고, 그 성능은 패킷크기가 작을수록 증가된다. 처리율 성능 향상에서 제일 중요한 요소는 부호화에 관계없이 다이버시티 가지수 임을 결과들에서 알 수 있다. 따라서 처리율 성능은 어떤 환경 속에서 최적의 패킷크기와 다이버시티 가지수를 선정 함으로써 극대화 시킬 수 있다.
