Wireless data transmission requires robust and spectrally efficient communication techniques for fading channels. Mobile communication channels suffer from impairments such as multipath propagation, multiplicative distortion, Doppler frequency shift, and noise. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is an attractive modulation technique in the fading channel environment. In the OFDM system on frequency-nonselective fading channels, Doppler spread destroys orthogonality between subchannels and introduces interchannel interference (ICI) similar to that resulting from frequency offset. ICI degrades the system performance and causes the error floor for coherent detection. The wideband channel transfer function can be modeled as frequency-selective fading channels [2,5]. Multipath propagation causes intersymbol interference (ISI) between consecutive symbols and introduces the error floor. In the OFDM system, the ISI problem can be overcome by the insertion of a guard interval between two OFDM blocks when the guard interval is longer than delay spread of the radio channel [13, 15]. In this dissertation, we analyze the performance of the OFDM system on multipath Rayleigh fading channels.
It is well known that the performance of the OFDM system on frequency-nonselective Rayleigh fading channels is improved when the normalized Doppler frequency N $f_D$ $T_s$ is increased where N is the number of subchannels, $f_D$ the maximum Doppler frequency, and $T_s$ the sampling interval. In this dissertation, we derive eaxt expressions for the symbol error probability of the MMSE equalizer with ideal interleaving in the space diversity reception. The analysis results show that the symbol error probability of the MMSE equalizer is dependent on the number of subchannels N. The performance improvement with ideal interleaving for N=8192 is 14dB at symbol error rate (SER) of $10^{-3}$ compared with that of a single carrier system with coherent detection, i.e. N=1. The performance of the MMSE equalizer with maximum ratio combining (MRC) is improved by 3dB at SER of $10^{-3}$ with the number of diversity channels $L=2$. But, the SER improvement with the increased L is reduced when L is greater than 2. We proposed an OFDM symbol interleaver with pilot symbol-aided channel estimation and low-order Gaussian interpolation in time domain. The proposed technique is well suited for the voice and data communications having different design criterions for processing delay and system performance. The proposed technique can be efficiently implemented with low hardware complexity with the ratio of $log_2(N_I/2)$/$log_2(N/2)$ where $N_I$ is the number of subchannels in an OFDM symbol interleaver.
In the wideband channel, the noncoherent differential detection (NDD) scheme such as an MDPSK modulation is used when N $f_DT_s$ ≪ 1 and the channel is slowly time-varying. We derive exact expressions for the bit error probability of Gray-encoded MDPSK/OFDM for M=2 and 4 on frequency-selective Rayleigh fading channels. We assume that the guard interval is sufficiently larger than delay spread of channel to solve the ISI problem on the demodulated OFDM signal. In this case, the system performance depends on the Doppler spread of fading channel. Analysis results show that the bit error probability of MDPSK/OFDM is determined by the normalized maximum Doppler frequency $(N+N_G )f_DT_s$ where $N_G$ the length of the guard interval. Therefore, the optimum value of the number of subchannels N at the target bit error rate (BER) can be calculated for the normalized Doppler spread $f_DT_s$ on condition of $N_G$ ＞ $τ_{L-1}$. When the normalized Doppler frequency is increased, the system performance is degraded as the power of ICI is increased. Channel sounding can be used to overcome the error floor occurring in NDD at fast fading. We also derive the closed form expressions for the bit error probability of MPSK/OFDM with low-order Gaussian interpolations relative to the system parameters of the interpolation order and frame length. Analysis results show that the system performance of the coherent detection of MPSK is dependent on $(N+N_G )f_DT_s$. In fast fading, the coherent detection improves the system performance but cannot eliminate the error floor determined by $(N+N_G)f_DT_s$. Therefore, the number of subchannels N should be limited to reduce the effects of Doppler spread on the system performance.
Trellis coded modulation (TCM) is a power and bandwidth efficient signaling scheme. We derive the system performance of TCM/OFDM on frequency-selective Rayleigh fading channels. We assume that the interleaving is ideal and the gain of the multiplicative fading signal has a Rayleigh distribution. Analysis results show that the TCM code design criterion is the same as that of TCM in a single carrier system on frequency-nonselective Rayleigh fading channels. We proposed trellis-coded (TC) 8DPSK/OFDM with decision-directed (DD) channel estimation in temporal direction. The proposed scheme has a good performance at fast fading. Theoretical analysis results and the system performance of the proposed technique in this dissertation are confirmed by computer simulations.
이동통신망을 통한 이동멀티미디어 서비스에 대한 사용자의 요구가 증대됨에 따라 무선통신채널에서 주파수 이용효율이 높은 전송방식에 관한 수 많은 연구가 이루어지고 있다.이동통신채널은 채널을 통한 데이터 전송속도가 저속인 경우 주파수 비선택형 페이딩 채널(frequency-nonselective fading channel), 고속 데이터 전송인 경우 주파수 선택형 페이딩 채널 (frequency-selective fading channel)로 구분된다. 또한, 사용자 단말의 이동속도에 따라 도플러 효과에 의한 페이딩 현상이 나타난다. 직교성 주파수 분할 다중화(orthogonal frequency division multiplexing : OFDM) 방식은 다중 반송파 변조방식(multi carrier modulation : MCM)의 일종으로 전송심볼을 역이산퓨리어변환(inverse discrete Fourier transform : IDFT)을 사용하여 다중 반송파로 효율적으로 변조한다.
주파수 비선택형 페이딩 채널을 통한 수신신호에는 백색가우션잡음(additive white Gaussian noise :AWGN) 신호에 더하여 페이딩에 의해 전송신호에 곱해지는 왜곡신호가 나타난다. 주파수 영역에서 복조된 OFDM 신호에는 전송신호에 곱해진 왜곡신호에 의한 부채널간섭(interchannel interference :ICI)신호가 나타난다. 페이딩에 의한 부채널간섭신호를 제거하여 좋은 시스템 성능을 얻기 위해 채널예측기와 결합되는 등화기(equalizer)가 사용되어야 한다. 본 논문에서는 이상적인 인터리빙을 가정하여 최저평균자승오류 등화기(minimum mean square error : MMSE equalizer)의 심볼오류 확률을 부채널의 수 N에 대해 구하였다. 또한, 최대비율결합기(maximum ratio combining : MRC)의 심볼오류 확률을 다이버시티 안테나의 수에 따라 구하였다.
이론적인 분석결과는 이상적인 인터리빙에서 MMSE 등화기는 부채널 수 N이 증가함에 따라 좋은 성능을 얻지만 N이 256 보다 커지면서 성능 증가가 포함됨을 나타낸다. 또한, MRC 성능은 다이버시티 안테나수가 L=2인 경우 3dB의 이득을 얻지만 L이 3보다 커지면서 성능증가가 포화됨을 나타낸다. 또한, 본 논문에서는 하드웨어 구현이 간단하면서 무선 데이터 통신에 적합한 OFDM 심볼 인터리버를 제안하였다. 페이딩 채널을 예측하기 위해 파일럿 심볼을 이용한 채널 예측과 저차수 가유션 인터폴레이션(low-order Gaussian interpolations)을 사용하였다. 예를 들어, 제안한 방식에서 음성통화를 위해서는 N=256을 사용하고, 데이터통신을 위해서는 N=256과 interleaving depth M=32을 사용함으로써 N=8192와 같은 성능을 얻을 수 있다. 제안한 방식은 변조와 벽조를 위한 IFFT와 FFT의 하드웨어 복잡도를 결정하는 곱셈기의 수를 $log_2(N_I /2)$/$log_2(N)$의 비율 줄일수 있다. 이상적인 인터리빙을 갖는 최대비율결합기의 성능분석 결과는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
시간영역에서 주파수 선택형 페이딩 채널을 통한 수신신호는 다중경로를 통해 수신되는 전송신호에 의해 심볼간 간섭신호(intersymbol interference : ISI)가 나타난다. OFDM 방식에서는 OFDM 심볼에 보호구간(guard interval)을 삽입하여 ISI를 효율적으로 제거한다. 주파수 영역에서 복조된 OFDM 신호에는 전송신호에 곱해진 왜곡신호에 의한 부채널간섭(interchannel interference : ICI)신호가 나타난다. 즉, 주파수 영역에서 복조된 OFDM 신호에는 OFDM 심볼기간($T_sym$ = $NT_s$) 동안 시변하는 페이딩채널 샘플들이 주파수영역으로 변환된 왜곡신호에 전송신호가 곱해진 신호로 나타난다. 저속으로 변하는 페이딩 채널(slow fading channel)에서는 noncoherent detection 방식으로 다중경로페이딩에 의한 왜곡신호를 보상할 수 있다. 본 논문에서는 Gray-encoded MDPSK/OFDM의 성능을 정규화된 최대도플러주파수 $(N+N_G)f_DT_s$로 정확히 유도하였다. 성능분석결과 정규화된 최대도플러주파수(normalized maximum Doppler frequency) $(N+N_G)f_DT_s$가 증가함에 따라 ICI 신호에너지가 증가하여 시스템 성능이 저하됨을 알 수 있었다. 성능분석 결과는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 페이딩의 변화속도가 빨리지면 MDPSK의 성능은 저하되고 error floor가 나타난다. 이와 같은 성능저하를 막기 위해 채널예측을 이용한 coherent detection이 사용된다. 본 논문에서는 Gray-encoded MPSK/OFDM의 성능을 $(N+N_G)f_DT_s$에 대해 구하였다. 본 논문에서 채널예측을 위해 파이럿 심볼과 저차수 가유션 인터폴레이션을 사용하였다. 성능분석결과로부터 가우션 인터폴레이션의 차수, 서브프레임 길이 등에 대해 시스템 성능을 분석하였다. 성능분석결과는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
페이딩 채널에서 주파수 이용효율을 높이기 위해 trellis coded modulation(TCM) 방식을 사용한다. 본 논문에서는 주파수 선택형 페이딩 채널에서 TCM 방식의 성능을 유도하였다. 정규화된 최대 도플러주파수 값이 적은 경우 OFDM 심볼구간동안 페이딩 채널의 변화가 적으면 페이딩 채널의 진폭은 레일레이 분포로 모델링할 수 있다. 본 논문에서는 주파수 영역에서 페이딩 채널의 진폭이 레일레이 분포를 갖는다고 가정하고 TCM/OFDM 방식의 성능을 분석하였다. 분석결과 TCM/OFM의 성능은 single carrier 시스템에서 주파수 비선택형 페이딩 채널에서 결과와 같은 결론에 도달한다. 단, 복조된 OFDM 신호에 나타나는 페이딩으로 인한 ICI 때문에 시스템 성능 저하가 나타난다. 또한, 본 논문에서는 trellis-coded(TC) 8DPSK 성능향상을 위해 decision-directed(DD) 채널예측 방식과 결합되는 TC 8DPSK 방식을 제안하였다. DD 채널예측 방식은 survival path의 데이터를 사용하여 LMS 알고리즘으로 구하였다. 또한 제안된 방식에서는 시스템 성능향상을 위해 OFDM 심볼구간내에서 인터리빙을 사용하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 제안된 시스템이 다중경로페이딩에 의한 error floor를 줄일 수 있음을 확인하였다.
