Mobile Worldwide interoperability for Microwave Access(WiMAX) is a wireless communication technology that provides high speed data services through the wireless broadband channel, based on the IEEE 802.16e standard. In the mobile WiMAX system, orthogonal frequency division multiplexing(OFDM) scheme is adopted in both downlink and uplink transmission. In the OFDM scheme, one of main problems is the high peak-to-average power ratio(PAPR) of the transmission signal due to the superposition of many subcarriers. The high PAPR leads power and cost inefficiency at the transmitter. Specially, in the uplink transmission, the PAPR problem is more serious because a mobile station operates by a small battery.
To reduce PAPR, several methods have been proposed. The distortion based methods include amplitude clipping, iterative clipping and filtering, tone injection(TI), and active constellation extension(ACE). These methods generate distortions at peak positions which cause a bit error rate(BER) degradation and interference to adjacent subcarriers. The scrambling based methods such as interleaving, partial transmit sequence(PTS), and selective mapping(SLM) require a high computational complexity due to the exhaustive searching. The coding based methods, which use code books to map the data sequences to the low PAPR sequences, cause a lot of redundancy and data rate loss. Another category is the tone reservation(TR) based methods. TR based methods cause no distortion to the data signal and require no additional processing at the receiver, but they cause data rate loss and increase the average power due to using the reserved subcarriers.
In this thesis, an approach to reduce PAPR based on TR method is proposed for the mobile WiMAX systems. This approach guarantees a certain bound of PAPR reduction gain by using only one reserved subcarrier. The basic idea is how to decide the magnitude and phase of a symbol for that reserved subcarrier. Since the resources are allocated by a group of multiple subcarriers in common multi-carrier systems, the basic idea should be expanded to use multiple subcarriers. However, an expanded method without any modification to the basic idea has the limited PAPR reduction gain. Therefore, two iterative methods which are conceptually horizontal and vertical expansions with the modified approach are proposed to get more PAPR reduction gain using multiple reserved subcarriers. The simulation results according to IEEE 802.16e standard are also presented.
Mobile Worldwide interoperability for Microwave Access(WiMAX)는 IEEE 802.16e 표준을 기반으로 광대역 무선 채널을 통해 고속의 데이터 서비스를 제공하는 무선 통신 기술이다. Mobile WiMAX 시스템에서는 상향링크와 하향링크에 orthogonal frequency division multiplexing(OFDM) 방법이 사용되고 있다. OFDM 방법은 여러 개의 부반송파들의 중첩으로 인해 높은 peak-to-average power ratio(PAPR)이 발생한다는 문제점을 가진다. 높은 PAPR은 송신부에서 전력 효율과 비용 효율을 떨어뜨리며, 특히 상향링크에서 작은 배터리로 전력을 공급받는 단말기의 경우 더 큰 문제가 된다.
PAPR을 줄이기 위해서 다양한 방법들이 연구되어 왔다. 왜곡 기반의 방법에는 amplitude clipping, iterative clipping and filtering, tone injection(TI), active constellation extension(ACE)과 같은 방법이 있다. 이러한 방법들은 첨두값 또는 그 주변에 임의의 왜곡을 가함으로써 PAPR을 낮추는 방법으로, 가해진 왜곡은 bit error rate(BER) 감소나 인접 채널에 간섭을 일으킨다. Interleaving, partial transmit sequence(PTS), selective mapping(SLM)과 같은 스크램블링 기반의 방법들은 소모적인 검색을 함으로 인해 높은 계산량을 필요로 한다. 원래의 데이터 열을 낮은 PAPR을 갖는 데이터 열로 맵핑하는 코드북 등을 사용하는 코딩 기반의 방법은 많은 양의 추가 정보를 필요로 하고 데이터 전송률의 손실을 가져온다. 또 다른 분류는 tone reservation(TR) 기반의 방법이다. 이 방법은 원래의 데이터 신호에 왜곡을 주지 않으며 수신부에서 추가적인 과정을 거치지 않아도 된다는 장점을 가진다. 하지만 추가적인 부반송파의 사용으로 인해 데이터 전송 속도의 손실과 평균 전력값의 증가를 야기시킨다.
본 논문에서는 mobile WiMAX 시스템을 위한 TR 기반의 PAPR 감소에 대한 접근 방법을 제안한다. 기본 아이디어는 오직 하나의 부반송파만을 이용하여 일정량의 PAPR 감소 이득을 얻을 수 있도록 심볼의 크기와 위상을 결정하는 것이다. 일반적인 다중 반송파 시스템에서 자원의 할당은 여러 개의 부반송파의 집합을 단위로 이루어지기 때문에 제안한 기본 아이디어는 여러 부반송파를 사용하는 경우로 확장할 필요가 있다. 하지만 기본 아이디어를 그대로 확장할 경우 PAPR 감소 이득의 한계가 발생한다. 따라서 여러 부반송파를 이용할 때 PAPR 감소 이득을 더 얻기 위해서 기본 아이디어를 수정하고 두 가지 반복적인 확장 방법을 제안한다. 또한 IEEE 802.16e 표준을 따르는 시뮬레이션 결과를 함께 제시한다.
