High-data rate techniques in communication systems have gained considerable attraction in recent years. Strong candidates for these communication systems are Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) system and MIMO-OFDM systems.
MIMO systems have shown their potential by improving the diversity gain with scheme as Space-Time Block Codes (STBC) and increasing the capacity gain significantly with scheme as Bell Lab Layered Space-Time Architecture (BLAST). However, it is difficult to get the both sides at the same time since transmit diversity comes at the cost of throughput and vice versa. Recently, Double Space Time Transmit Diversity (DSTTD) was proposed, which is a combination of STBC and BLAST to increase the diversity gain and data rates simultaneously.
OFDM system is also one of the most promising techniques for the high data rate wireless communications in complex multipath fading environment. OFDM system is a special form of multi-carrier transmission where all the subcarriers are orthogonal each other. In OFDM system, the high data rate input stream is divided into many low-rate streams and transmitted in parallel.
MIMO-OFDM systems have received considerable attentions in order to combat the multipath fading and increase system capacity. To take the advantages of the MIMO-OFDM system, the reliable channel estimation techniques are needed. For the single-antenna OFDM system, various channel estimation techniques such as least square (LS) and minimum mean square error (MMSE) estimators have been studied. However, these techniques are inadequate for channel estimation of MIMO-OFDM systems, since other transmission antennas act as interference.
Smart codes have been studied previously by many researchers. LS codes, one of the smart codes based on a Golay complementary pairs (GCP), have the zero correlation zone (ZCZ) or Interference Free Window (IFW). Utilizing the ZCZ or IFW, it is proposed that the multi-path and multi antennas interference can be tremendously reduced.
In this paper, we propose two channel estimation techniques for MIMO-OFDMsystem by using LS codes as training sequences. The first one is the channel estimation method using two uncorrelated LS codes in IFW. We simultaneously transmit two un-correlated LS codes through the two transmission antennas in 2$\times$1 system. At the receiver, we estimate the channel with space time transmit diversity (STTD) blocks The second proposed one is a channel estimation method using four minimally correlated LS codes in IFW. We simultaneously transmit four LS codes through the four transmission antennas in 4$\times$1 system. At the receiver, we can estimate the channel with conventional DSTTD blocks. Because of the IFW between LS codes, MIMO-OFDM systems can show much smaller interference and consequently have better performance than traditional channel estimation schemes.
최근 이동통신 시장이 급성장하고 첨단 멀티미디어 서비스가 요구됨에 따라 데이터 전송의 대용량화 및 데이터 전송의 고속화로 발전하고 있다. 따라서 고속 데이터 전송을 위한 해결책으로서 송/수신단의 다중 안테나 (Multiple Input Multiple Output: MIMO) 방법, 직교 주파수 분할 다중화 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 방법, 그리고 MIMO-OFDM 방법이 활발히 연구되고 있다.
시스템들의 성능을 향상시키기 위해서는 정확한 채널 추정이 필요하다. Noncoherent 방식을 적용한 신호 검출 방식은 잡음의 영향으로 coherent 방식에 비해서 3-4[dB]의 성능 열화를 가져오며, 다중 안테나 시스템에서 송신단의 안테나들은 서로 간섭으로 작용한다. 따라서 안테나들간의 orthogonal 한 상황을 유지하며, coherent 방식을 적용한 채널 추정이 필수적으로 요구된다.
본 논문에서는 스마트 코드의 한 종류인 Loosely Synchronous (LS) 코드를 훈련심볼(training symbol)로 이용하는 효과적인 채널 추정 방식을 제안하였다. LS 코드는 서로 직교하는 Golay 코드의 상보 쌍(a complementary pair) 사이에 일정구간의 '0'을 삽입하여 생성한다. 그러면 자기 상관 (auto-correlation) 과 상호 상관 (cross-correlation) 의 일정 구간 내에서 간섭이 존재하지 않는 창 (Interference Free Window: IFW) 을 가지게 된다. LS 코드를 생성할 때, 간섭이 없는 가능한 긴 윈도우를 가지며 총 길이를 최소화시키기 위해 삽입할 '0'의 수는 상보 쌍만큼 삽입하는 것으로 제한한다. 이때 전체 LS 코드 길이의 영역에 해당하는 윈도우를 얻을 수 있게 된다. 이러한 LS 코드의 특성은 OFDM 시스템에서 보호구간 (guard interval) 을 채널의 최대 지연시간보다 4 배정도 크게 선정하며, 심볼구간은 보호구간의 약 5 배정도 되도록 선정하는 규칙에 잘 적용될 수 있다. 그러므로 LS code를 훈련심볼로 이용한 MIMO-OFDM 시스템에서 다중 경로 채널의 최대 지연 시간이 보다 작을 경우, 간섭을 효과적으로 제거 할 수 있다. 훈련심볼 전송구간 동안은 IFFT 와 FFT 를 하지 않으며, 훈련 심볼을 통해 얻은 채널 정보는 데이터를 디코딩 하는데 이용된다. 두 개의 송신안테나에서 LS 코드의 쌍을 훈련심볼로 이용하여 동시에 전송하는 첫 번째 제안 방법은 안테나간의 간섭을 효과적으로 제거할 수 있으므로 기존의 Least Square 채널 추정 방법과 Linear Minimum Mean Square Error 채널 추정 방법에 비해서 채널 추정성능을 향상시킬 수 있다. 윈도우 안에서 최소한의 상관을 갖는 네 개의 LS code 를 동시에 전송하는 두 번째 제안 방법은 수신단에서 간섭의 위치 정보를 알고 있으므로 간섭을 효과적으로 줄일 수 있기 때문에 첫 번째 제안 방법과 거의 비슷한 성능을 갖는다.
첫 번째 제안방법을 모의실험 한 결과, 기존 Least square 방법 및 Lin-ear Minimum Mean Square Error 방법과 비교하여 MSE 대비 SNR 이 각각 11dB, 1.2dB 이상 이득을 얻을 수 있었고 BER 의 경우 각각 3dB, 0.2dB 이상의 SNR 이득을 얻을 수 있었다. 또한 두 번째 방법을 모의실험 한 결과, MSE 대비 SNR 이 각각 13dB, 3dB 이상 이득을 얻을 수 있었고 BER 의 경우 각각 3dB, 0.4dB 이상의 SNR 이득을 얻을 수 있었다. 또한 두 제안 방법들의 BER 을 서로 비교해본 결과, 두 번째 방법이 첫 번째 방법에 비해서 0.2dB 의 성능 열화를 갖지만 훈련심볼 구간을 반으로 줄일 수 있으므로 data rate를 훨씬 높일 수 있는 방법이다.
