The demand for high capacity wireless mobile communication is rapidly growing. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technology promises to be a key technique for achieving the high data capacity and spectral efficiency requirements for wireless communication systems of the next generation. However, it is suffering from inter-carrier interference (ICI) caused by carrier frequency offset (CFO) and Doppler spread (DS). So, this thesis is mainly divided into two investigations: Capacity improvement and ICI cancellation.
In the first investigation, we propose subcarrier multilevel transmit power allocation scheme and switching-level control scheme to increase bandwidth efficiency and to guarantee a required bit error rate. The system considered is OFDM-code division multiplexing under slowlyvarying frequency-selective fading channels. In the proposed schemes, modulation level and transmit power for each subcarrier are simultaneously controlled corresponding to channel condition to maximize transmitted bits per symbol while keeping both total transmit power and bit error rate constant. Simulation results and complexity analyses will verify that the proposed schemes are effective in terms of throughput and complexity.
In the second investigation, we numerically analyze the negative effects of ICIs caused by CFO and DS on system performance in frequency domain, followed by the modelling of ICI components by only DS in time domain. This allows us to design a relatively simple receiver scheme that iteratively cancels the ICI. On the condition that DS exists alone, we propose new time domain equalizers to cancel the ICI in OFDM systems. One equalizer is more suitable for unignorably wide DS, and the other is more robust to highly wider DS. These equalizers consist of the following two-stages similar to each other. The first stage applies a suboptimal linear minimum mean squared error (MMSE) recursively employing partial rank of time impulse response matrix to mitigate the ICI and to decrease complexity. The second stage uses a new parallel interference cancellation with hard-decision feedback to remove the residual ICI. Simulation results and complexity analyses will show that the bit error rate and signal-to-interference-plus-noise ratio performances of the proposed equalizers are very close to those of the classical frequency domain linear MMSE equalizer with much reduced complexity.
고속 이동 무선통신 서비스에 대한 욕구가 급속하게 증가하고 있다. 직교 주파수 분할다중(OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing)기술은 차세대 무선 통신 시스템에 대한 대용량과 주파수 고효율을 성취하기 위한 핵심 기술이다. 그러나 이 기술은 반송주파수 오프셋과 도플러 확산에 의해 발생하는 인접 부반송파간 간섭(ICI : Inter-Carrier Interference)에 의해 전체 시스템 성능을 저하시키는 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 학위 논문에서는 용량 증대 기술과 ICI 제거 기술과 같이 두가지 관점에서 기존의 기술들을 조사하였고, 이를 통해 새로운 기법을 제안하였다.
첫번째 관점에서는 주파수 효율을 높이고 요구된 비트에러율을 보장하기 위해 부반송파간 다중 변조레벨 및 송신전력 할당 방법(MTPA : Multilevel Transmit Power Allocation)과 변조방식별 필요로 되는 최소 SINR을 결정하는 방법(Switching-Level Control)을 제안하였다. 고려된 시스템은 매우 느리게 변하는 주파수-선택적 다중경로 페이딩 환경 하에 있는 OFDM-code division multiplexing 시스템이다. 제안된 MTPA 기법은 주어진 총 송신전력과 비트에러율을 일정하게 유지하면서, 부반송파별 채널 상태에 따라 변조 방식과 송신전력을 동시에 조정함으로써, 용량을 극대화할 수 있다. 시뮬레이션 결과로부터 MTPA방법은 기존의 적응변조 기법보다 15~20% 높은 용량을 성취할 수 있고, 훨씬 낮은 계산량으로 최적 방법이 얻을 수 DT는 용량에 근접하였다. 또한 최대 도플러 주파수가 최소 1Hz에서 최대 10Hz사이에서 변하는 페이딩 채널환경 하에서도 제안된 Switching-Level Control 기법은 CDMA 시스템에서 적용된 Outer-loop Control 기법과 같이 측정된 패킷에러율에 따라 Switching-Level을 업데이트 하여 채널의 신뢰성을 일정하게 유지할 수 있기 때문에 원하는 비트에러율을 유지할 수 있었다.
두번째 관점에서는 먼저 시간-선택적 페이딩 환경 하에서 발생하는 ICI가 OFDM 시스템 성능에 미치는 악영향을 수학적으로 분석하였다. 그 결과, 고속 이동성을 보장해 주기 위해선 무엇보다도 이러한 ICI를 제거 또는 감소시키는 것이 필수적이라는 결론을 얻었다. 다음으로 이러한 ICI의 영향을 최소화 하기 위해, 먼저 시간 영역에서 시간 임펄스 응답 채널 특성과 ICI 성분을 관찰하였다. 이러한 관찰을 통해 시간영역에서 시간 임펄스 응답 채널 행렬의 순환분산성(Circulant Sparseness)을 이용하여 계산량($\It{O($K^{2}$N}$))도 줄이면서 효과적으로 ICI를 제거할 수 있는 두가지의 2단계 통화기들을 제안하였다. 이러한 통화기들은 다음과 같이 서로 비슷한 2단계 통화과정을 거친다. 첫 단계에서 ICI를 감소시키고 계산량을 줄이기 위해 시간 임펄스 응답 채널 행렬의 부분을 순차적으로 이용하는 준최적 MMSE 통화를 수행한다. 두번째 단계에서 남아있는 ICI를 제거하기 위해 복원된 데이터를 이용(HDF : Hard Decision Feedback)하는 새로운 병렬간섭 제거 통화과정을 수행한다. 많은 부반송파수를 가지는 대용량 전송 서비스는 물론 고속 이동성($0.05\lef_{d}T_{s}\le0.3$)을 보장해 주기를 원하는 DVB, IEEE802.16e, IEEE802.20과 같은 지상 무선 이동시스템에서 제안된 첫번째 기법은 훨씬 낮은 계산량을 가지면서 기존 선형 MMSE 기법에 근접하는 성능을 보였다. 한편 한층 더 높아진 이동성($\lef_{d}T_{s}\le0.3$)을 경험할 것으로 예상되는 이동 위성 시스템에서는 제안된 두번째 기법이 더 효율적일 것이다.
