A critical issue in wireless orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) transmission systems is their ability to synchronize, and mitigate the fading propagation channel effects. Since pragmatic wireless links entail channel-induced interference, as well as frequency offsets, it is necessary to account for these effects when designing wireless communication systems. To remove these effects, pilot-aided scheme makes sense since it simplifies the challenging task of receiver design for unknown channels. Therefore, we design pilot symbol assisted modulation for frequency synchronization and channel estimation. Because we separate carrier frequency offset (CFO) and channel estimation from symbol detection, the novel pilot patterns, especially targeting multi-input multi-output OFDM (MIMO-OFDM) system, lead to low-complexity CFO and channel estimators. In addition, we develop the pilot pattern, which is not only suitable for single- and multi-carrier systems, but also for synchronization and channel estimation in wireless sensor networks.
Finally, assuming the perfect synchronization, we introduce a new iterative channel estimator combined with low-density parity-check (LDPC) decoding for OFDM systems, where pilot symbols are encoded by an LDPC systematic encoder. Since exploiting the channel coding scheme can result in significantly enhanced channel estimates, and can lower the required amount of pilots for a given performance level, it is well motivated to perform iterative channel estimation and decoding. In this dissertation, we will show that pilot symbols inserted along with information data improve the performance of an LDPC decoder in frequency selective channels. The resulting iterative receiver also can give a good channel estimate with the small number of pilots. The performance of our algorithms is investigated analytically, and then compared with an existing approach by simulations.
직교주파수 분할 다중전송 방식(OFDM)은 다중경로(Multi-path)에 강인하고 무선 채널에서 고속의 데이터 전송이 가능한 기술로써 무선 지역망(WLAN)이나 차세대 이동 통신 시스템(4G)과 같은 여러 표준안에서 고려되고 있는 기술이다. 이러한 여러가지 장점을 가지고 있는 OFDM을 사용하는 시스템에서 수신신호로 부터 송신신호를 복원하기 위해서는 주파수 동기 및 채널을 추정하는 과정은 필수라 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 OFDM 시스템에서 주파수 동기와 채널 추정을 위한 알고리즘을 제안하였다. 본 연구에서 접근한 방식은 송수신기단에서 서로 알고 있는 학습신호를 사용하는 방식으로, 송신단에서는 효율적으로 학습신호를 디자인하고 수신단에서는 디자인된 학습신호를 이용한 추정기를 도출하였다. 특히 단일 안테나를 사용하는 OFDM 시스템보다 페이딩에 강인하고 데이터 전송의 속도를 높일 수 있는 다중 안테나를 사용하는 MIMO-OFDM 시스템에 적합한 학습신호와 추정기를 제안하였다.
먼저 송신단과 수신단에서 다중 안테나를 갖춘 OFDM 시스템, 즉 MIMO-OFDM에서 도약 학습신호(Hopping Pilot)를 디자인 하였다. MIMO-OFDM 시스템은 단일 안테나를 사용하는 OFDM 시스템(SISO-OFDM)과 마찬가지로 반송파 주파수 편위(CFO)에 민감하고 안테나수가 증가할수록 추정해야 할 채널이 증가함에 따라 채널 추정의 문제가 어렵게 된다. 본 연구에서 디자인 된 도약 학습신호란 OFDM 블록 마다 다른 위치에 학습신호를 넣는 방식으로써 MIMO 채널에 상관없이 반송파 주파수 편위를 항상 추정할 수 있도록 디자인 된 것이다. 그리고 반송파 주파수 편위를 보상한 다음 MIMO 채널을 효과적으로 추정할 수 있도록 하였다. 또한 기존의 논문에서는 다루지 않았던 잔여 주파수 편위를 추정하기 위해서도 도약학습신호를 사용할 수 있음을 보였으며, 이로써 비트 오류률(BER) 성능이 향상됨을 보였다. 이렇게 제안된 학습신호 패턴은 IEEE 802.11a 또는 IEEE 802.11n과 같은 표준안에 쉽게 적용 가능하다.
한편 최근 들어 새로운 네트워크 패러다임으로써 무선 센서 네트워크에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 네트워크의 특징은 여러 곳에 분포되어 있는 센서들로부터 데이터를 수집하여 신뢰도가 높은 통신 네트워크를 구성할 수 있다는 점이다. 이러한 특징으로 인해 상업적, 군 통신용 네트워크에서 많은 관심을 가지고 있으며, 무선 센서 네트워크와 관련한 표준화 작업도 활발히 진행 중에 있다. 이러한 무선 센서 네트워크는 각 센서가 데이터를 주고받기 위한 하나의 안테나를 가지고 있고 센서들의 데이터를 수집하는 게이트웨이(Gateway)는 다중 안테나를 가지고 있다고 가정한다. 이러한 환경 설정에서 전체 센서 네트워크는 다중 입출력 (MIMO) 시스템으로 볼 수 있다. 이러한 MIMO 무선채널에서는 채널로 인한 간섭이 발생하고 반송파 주파수 편위 문제가 발생하기 마련이므로 무선 센서 네트워크 시스템을 디자인할 때 이러한 요소들을 고려하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 무선 센서 네트워크에서 반송파 주파수 편위와 채널을 동시에 협력하여 추정할 수 있는 협력 학습신호(Cooperative Pilots)를 제안하였다. 즉 다중 주파수 편위와 채널을 추정하기 위한 학습신호 패턴을 시분할 다중 접속 방식(TDMA)에 기반을 두고 디자인 하였다. 이미 존재하고 있는 연구 결과와 비교해 보았을 때 본 연구에서 제안된 주파수 편위 추정기는 전 영역에서 주파수 편위를 추정할 수 있다는 장점이 있고, 이렇게 제안된 주파수 편위 및 채널 추정기는 무선 센서 네트워크뿐만 아니라 MIMO-OFDM 시스템과 같이 어느 MIMO 시스템에서도 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
마지막으로 OFDM 시스템에서 부호화된 학습신호(Encoded Pilot)를 제안하였다. 여기서는 앞서 제안한 도약 학습신호와 협력 학습신호를 어떤 방식으로 시스템에 삽입하는가의 문제를 다루었다. 일반적으로 무선 통신시스템은 송신단에서 무선채널에서 발생하는 오류를 정정할 수 있는 능력을 가질 수 있도록 송신단에서 채널 부호기(Encoder)를 사용하고 수신단에서는 채널 복호기(Decoder)를 사용하여 채널에서 발생한 오류를 정정한다. 이에 반송파 주파수 편위와 채널을 추정하기 위해 디자인 된 알고 있는 학습신호를 채널 복호기에서도 사용을 해보자는 의도에서 부호화된 학습신호를 제안하였다. 즉 채널 부호기 이전에 이미 디자인된 도약 학습신호 및 협력 학습신호를 삽입함으로써 학습신호 역시 데이터와 함께 패러티(Parity)에 의해서 보호되는 것이다. 본 연구에서는 이렇게 알고 있는 학습신호가 채널 복호기(LDPC decoding)에 긍정적인 영향을 줄 수 있음을 Density Evolution을 통해 증명해 보였으며 아울러 반복적 수신기법과 함께 쓰여 학습신호의 개수가 작더라도 신뢰성 있는 BER 성능을 가짐을 보였다.
추후 과제로는 먼저 도약 학습신호와 협력 학습신호를 결합한 형태의 학습신호를 사용한 주파수 편위 및 채널 추정 알고리즘을 연구할 예정이다. 그리고 5장에서 소프트 디코딩(Soft Decoding) 알고리즘 기반의 Density Evolution 을 유도함으로써 부호화된 학습신호의 사용이 BER 성능을 향상시킬 수 있음을 보일 필요가 있다. 그리고 이 부호화된 학습신호를 MIMO-OFDM 시스템에서 사용할 수 있도록 하는 연구가 진행되어야 한다. 마지막으로 최근 개인영역 무선통신(WPAN)의 물리계층으로 주목 받고 있는 다중 밴드(Multi-band) OFDM에서 학습신호를 이용한 동기와 및 채널 추정도 고려할 예정이다.
