Currently, wireless communication systems are wide-spread among public and private areas, including wireless phones (CDMA/WCDMA/GSM), wireless networks (Wireless LAN/HiperLAN/Wibro), wireless broadcastings (DVB/DAB). The wireless channels used in the commercial systems are allocated by the corresponding regulatory agency, where high usage fee is required for each band allocation. Therefore, the subscribers of these systems are request to pay relatively high cost compared to wired line communication.
In this dissertation, we first inspect the wireless channel usage of the conventional wireless communications. Particularly, we note that the packet transmission overhead is caused by the high bit error rate due to fading channel effects or wireless interferers or local device problems. For the timing synchronization and channel estimation, every transmission packet should be guarded with a preamble. In order to reduce the effects of high bit error rates, error checking method, error correction method, link reliability protocol, and frame guard time are usually used in packet transmissions. The amount of these overhead becomes significant when the bit error rate goes up. To reduce the effect of these overhead even for high error rates in wireless communication channels, we try various approaches: frame length control, advanced repeat retransmission scheme, partial retransmission scheme, feedback scheme of received/decoded packet status, parity guarded symbol modulation, and decoding methods for error correction codes.
The reduction scheme can be categorized into three schemes: 1) transmitter-side adaptation scheme to the current channel status, 2) receiver-side adaptation scheme to mitigate the channel disturbance, and 3) decoding algorithms for the improved error correction capability. In the transmitter side, frame length control is first checked. The frame length control enhances the reception probability at the receiver, which results in the better transmission efficiency, even though the transmission overhead per each frame increases. To mitigate the increased transmission overhead of frame length control, the transmission of multiple instances in a payload is proposed to reduce the number of retransmission overhead. In this scheme, we can reduce the total transmission overhead, since the retransmission is performed prior to the receiver-request. Based on frame length control and multiple instance transmission, "minipacket" transmission scheme is proposed. In the minipacket transmission, we can achieve both the improved reception probability and reduced transmission overhead.
At the receiver, to improve the packet reception probability, novel channel decoding algorithms are proposed. The first one is erasure decoder, in which the erasure threshold is identified before the erasure decoding, while the conventional erasure decoders try to decode the received packet with incremental erasures. The proposed method gives the best shot and single pass decoding of the erased sequence. Since the transmission packet is based on the minipacket transmission, we also proposed decoding algorithm for the ECC aided by minipacket CRCs, where only the error detection capability of CRC codes are utilized to maintain the link reliability based on these CRCs. In addition to the ECC+CRC decoder, a cross puzzle decoding algorithm is also proposed to exploit the spread parity information of the same minipacket. Due to the transmission strategy of the proposed minipacket, the same minipacket can reside in several transmission packets when the corresponding minipacket fails after channel decoding. This property produces additional decoding complexity, which is similar to the conventional product codes.
The proposed algorithms are based on the conventional hybrid ARQ transmission schemes which are widely used in wireless communications. In the framework of hybrid ARQ trans-mission, I implemented the proposed control scheme, minipacket transmission, and decoding algorithms in the realistic wireless channel models. For the physical transmission systems, we chose the wireless LAN and wireless PAN with UWB transmission. For the UWB trans-mission scheme, we also applied the minipacket scheme on symbols, i.e., the coded symbol transmission, to improve the symbol detection probability, where the symbol detection is more important in the location awareness applications.
최근 무선 통신 시스템은 공공장소와 개인적 용도로 많은 활용이 되고 있다. 특히 CDMA/ WCDMA/ GSM과 같은 무선 전화, Wirless LAN/ HiperLAN/ Wibro와 같은 무선 네트워크 시스템, 그리고 DAB/ DVB와 같은 무선 디지털 방송 시스템에 많이 사용되고 있다. 이러한 시스템에 사용되는 무선 채널은 각국의 무선자원 할당국에 의해서 매우 비싼 가격에 각 사업자에게 할당되고 있다. 이 높은 비용과 많은 인프라 투자비용으로 인해서 사용자는 유선에 비해서 매우 높은 가격을 지불하고 서비스를 이용하고 있는 실정이다.
본 학위논문에서는 이러한 상용 무선 시스템에서 무선 채널이 어떻게 사용되는지 파악하고 그에 따른 비용을 관찰하였다. 무선채널의 높은 에러율로 인해서 각 전송 패킷단위들은 많은 오버헤드를 수반하게 되는데, 이를 유발하는 에러는 채널 fading이 주요한 원인이고 그 이외에 다른 채널 사용자에 의한 간섭, 혹은 각 기기 자체의 문제로 인해 발생한다. 특히 무선채널에서는 각 기기간에 시간 동기와 무선 채널 추정을 위해서 각 전송 패킷은 preamble, 에러 검사 기법, 에러 정정 기법등을 사용하게 된다. 이러한 오버헤드의 양은 채널에 의한 에러의 빈도가 높아질 수록 전체적인 통신성능에 지대한 영향을 주게 된다. 이 오버헤드의 영향을 줄이기 위해, frame 길이 조절, 선 반복 재전송 기법, 부분 재전송 기법, 수신단 상태 되돌림 기법, 에러정정 코드의 사용과 복호기법등을 다루었다.
고려된 기법들은 세가지 분류로 구분되는데, 첫째는 전송단에서 채널상태에 따라서 혹은 수신단의 상태에 따라서 가변적으로 전송하는 기법이고, 둘째는 수신단에서 송신단에게 채널의 상태나 수신패킷의 상태를 피드백하는 기법이고 셋째는 채널 부호화에 따른 부호화및 복호기법에 관한 것이다. 전송단측에서는 먼저 frame 길이 조절에 대해서 먼저 살펴보았다. frame길이를 조절함으로써 수신단에서는 수신확률을 높일 수 있는 장점이 있어 결과적으로 전체적인 throughput 향상을 기대할 수 있다. 반면, 각 전송단위인 frame들은 더 높은 전송오버헤드를 가지게 됨으로써 전송 효율 향상이 제한된다. 이 문제를 풀기 위해서 선 재전송 기법을 제안하였다. 선 재전송 기법은 평균적으로 재전송되어야 하는 회수를 추정하여 미리 반복하여 하나의 전송 단위에 전송하는 기법이다. 이렇게 함으로써 재전송에 의한 오버헤드를 줄여, frame 길이가 줄어들어서 생기는 오버헤드 증가를 어느정도 감소시킬 수 있다. 하지만 근본적인 해결책은 미니패킷을 제안함으로써 해결하였다. 미니패킷 기법은 전송단에서 frame 조절기능과 하나의 전송단위에 여러개의 sub-frame들이 들어감으로써 구현되는데 앞서의 두가지 문제를 모두 해결하는 부분 재전송 기법이다.
수신단에서는 패킷의 수신확률을 높이기 위해서 다양한 채널 복호기법을 제안하였다. 우선 erasure 복호기로, 전통적으로는 erasure 복호기들의 동작은 점차적으로 erasure의 수를 증가시켜가면서 복호될때까지 시도해보는 iterative 복호기들이었다. 본 논문에서는 그러한 단점을 없애기 위해서 최적의 erasure 경계값을 찾아냄으로써 단 한번의 복호만으로 최상의 성능을 얻을 수 있도록 하였다. 이에 추가하여, 전송단에서 미니패킷방식으로 전송할 경우, 미니패킷에 존재하는 CRC정보를 복호과정에서 이용하는 ECC+CRC 복호기를 제안하였고, 다중 패킷간에 연관성을 고려하여 cross puzzle decoding을 제안하였다.
제안된 알고리즘들은 전통적인 hybrid ARQ 시스템에 적용하였다. Hybrid ARQ 시스템의 framework안에서, 길이 조절 기법, 미니패킷 전송기법, 복호기법들을 구현하여 성능을 분석하였다. 또한 물리적인 전송기법으로는 무선랜과 UWB전송을 수행하는 무선팬을 기반으로 구현하였으며, UWB전송과 관련하여 미니패킷의 극한 크기인 심볼단위의 부호화를 구현하였다. 이러한 심볼단위의 부호화를 통해서 얻을 수 있는 것은, 위치기반서비스와 같이 위치정보가 매우 중요한 시스템에서 심볼의 에러율을 낮춤으로써 위치정보의 정확성을 향상시키는 것이다.
