In this thesis, we deal with the performance improvement of UWB wireless communication systems. Our main objectives are 1) to investigate the design considerations and features of UWB communication systems caused by band spectrum and target applications and 2) to design UWB communication systems which can support improved performance under the pre-described design considerations and features. To reach the objective, we are focusing on the design of modulator which can support high data rate and inherent processing and diversity gain (chapter 3); pilot insertion scheme for channel estimation and providing other advantages without the degradation of bandwidth efficiency (chapter 4 and 5); and design of preamble for improved synchronization performance (chapter 6).
As a modulator, we propose multi-coded pulse position modulation (MC-PPM) scheme. Multi-coding scheme, which uses several orthogonal codes simultaneously, is combined with PPM in order to achieve variable and high data rate and processing gain guaranteeing the advantages of PPM schemes. In addition, we also propose multi-coded bi-orthogonal PPM (MC-BPPM) scheme which is the extended version of MC-PPM in order to increase data rate by using pulse polarity. For a pilot insertion scheme, we propose an hidden pilot scheme and its application to single band direct sequence UWB (DS-UWB) and multi-band orthogonal frequency division multiplexing UWB (OFDM-UWB) systems. The hidden pilot sequence, which uses a fraction of the informative sequence's transmitting power as pilot information, is utilized for channel estimation and aiding multi-user interference (MUI) suppression in DS-UWB system; channel estimation, frequency diversity gain combined with multi-coding scheme and peak-toaverage power ration (PAPR) reduction in OFDM-UWB system guaranteeing higher bandwidth efficiency (no use of resources just for pilots). Finally, we de-sign the preamble signal in order to increase synchronization performance in the UWB energy detection receiver. By using a constrained nonlinear optimization problem, we propose a scheme to design a preamble such as pulse amplitude and length methods.
본 연구에서는 초광대역 무선 통신 시스템의 성능 향상 기법에 대하여 다루었다. 이를 위해여 우선 초광대역 무선 통신 시스템의 주파수 대역 및 응용 분야에 따른 설계시 고려사항 및 특징들을 조사하고 이를 통하여 초광대역 무선 통신 시스템의 설계시 향상된 성능을 보장해 줄 수 있는 기법들을 제시하였다. 성능 향상 기법으로 본 연구에서는 우선 고속의 데이터 전송, 내제적인 확산 이득 및 다이버시티 이득을 제공해 줄 수 있는 변조기 설계 기법을 제시하였다. 또, 초광대역 시스템에서 대역폭 또는 데이터 전송 성능의 손실 없이 채널 추정을 포함한 여타의 장점을 보장해 줄 수 있는 학습신호 설계 기법도 제시하였다. 마지막으로 일련의 학습 신호로 볼 수 있는 프리앰블을 설계하여 초광대역 무선 통신 시스템에서 향상된 동기 추정 성능을 보장할 수 있도록 하였다.
변조기 설계 기법으로 본 연구에서는 다중 코드화된 펄스 위치 변조 기법 (MC-PPM)을 제안하였다. 동시에 여러개의 직교 코드를 사용하여 데이터를 변조하는 다중 코드 기법을 펄스 위치 변조 기법과 연동하여, 펄스 위치 변조 기법의 전력 효율적인 장점은 그대로 유지하면서 동시에 높은 데이터 전송 성능 및 확산 이득을 얻을 수 있는 변조 기법을 제시하였다. 또한, 본 연구에서는 제안된 MC-PPM 기법에 펄스의 극성 변화를 이용하여 좀 더 향상된 데이터 전송 성능을 보장하는 다중 코드화된 쌍직교 펄스 위치 변조 기법 (MC-BPPM)도 제시하였다. 제안된 두가지 변조 기법들의 비트 오류 확률 (BER) 및 링크 가용량 (link capacity)을 수학적으로 분석하였고, Level Cutting 기법을 도입하여 전송 성능을 더욱 더 향상시킬 수 있도록 하였다. 모의 실험을 통하여 기존에 제안된 펄스 위치 변조 기반의 초광대역 변조 기법들 보다 향상된 데이터 전송 성능을 보여줌을 확인하였다.
학습 신호 설계 기법으로 본 연구에서는 전송하고자 하는 데이터 전력의 일부를 학습 데이터로 이용하는 은닉 학습신호 기법을 제안하였고 이를 단일 대역 직접 확산 초광대역 시스템 (singleband DS-UWB) 및 다중 대역 직교 주파수 분할 변조 초광대역 시스템 (multiband OFDM-UWB)에 적용하였다. 은닉 학습 신호를 사용하게 되면 학습 신호를 전송하기 위해서 시스템의 자원들 (주파수 대역, 시간구간)을 낭비하지 않기 때문에 향상된 데이터 전송 성능 또는 대역폭 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. DS-UWB 시스템의 경우, 은닉 학습 신호를 이용하여 채널 추정 및 수신단에서 신호를 검파하고 다른 간섭 사용자의 신호를 제거하는데 이용하였다. 모의 실험을 통하여 제안된 방식이 다중 사용자 간섭 및 다중 경로가 존재하는 상황에서 기존의 DS-UWB 기반의 맹목 수신기 및 Rake 수신기 방식에 비해 좋은 비트 오류 확률 (BER) 성능을 보이며, 학습 신호를 이용하는 최소 평균 자승 오차 (MMSE) 기반의 수신기에 근접한 BER 성능을 보임과 동시에 높은 대역폭 효율을 보장함을 확인하였다. OFDM-UWB의 경우도 제안된 은닉 학습신호 기법과 앞서 제시된 다중 코드 기법을 결합한 Affine 사전 부호화 OFDM-UWB 시스템을 제시하였다. 채널 추정 성능 , 주파수 다이버시티 이득 및 최대전력 대 평균전력비 (Peak-to-Average Power Ratio;PAPR) 감소 관점에서 4가지 설계시 고려사항을 도출하여 이를 최대한 만족할 수 있는 다상 수열 (polyphase sequencey)에 기반한 Affine 사전 부호화기를 제시하였다. 모의 실험을 통하여 제안된 Affine 사전 부호화 OFDM-UWB 시스템이 실제적인 초광대역 채널 환경에서 기존의 다중 대역 OFDM 기반의 초광대역 시스템에 비하여 향상된 대역폭 효율 및 PAPR 감소 효과를 보여줌을 확인하였다.
프리앰블 설계 기법으로 본 연구에서는 에너지 검출 기반의 수신기에서 동기화 성능을 향상시킬 수 있는 프리앰블 구조 및 설계 기법을 제시하였다. 프리앰블 설계 문제를 제한된 최적화 문제로 변형하고 펄스 크기 및 펄스 길이를 이용하여 프리앰블을 최종 설계할 수 있는 기법을 제시하였다. 그리하여, 제안된 프리앰블 설계 방식이 모든 에너지 검출 기반의 동기화 기법에서 사용되는 프리앰블 설계 시 일반화된 해를 도출할 수 있게 하였으며 몇가지 설계 예제 및 모의 실험을 통하여 초광대역 통신 환경에서 향상된 동기화 추정 성능을 보여줌을 확인하였다.
현재까지 초광대역 통신 시스템을 위한 많은 연구들이 진행되어 왔지만 아직까지도 해결되어야 할 많은 연구과제들이 남아있는 것이 현실이다. 추후과제로는 적응 변조 및 부호화 기법, 다중 안테나 기법, 등화 기법 및 초광대역 시스템의 대역폭 내 간섭 제거 기법을 본 연구에서 제안된 기법들과 연동하여 좀더 향상된 성능을 얻을 수 있게 하는 연구가 필요하다. 또, 물리 계층 뿐만 아니라 최적 라우팅과 같은 상위 계층 문제와도 연동하여 전반적인 네트워크의 성능을 향상시킬 수 있는 연구도 진행되어야 한다.
