As interest of short range wireless communication systems increases, UWB becomes one of promising applications for indoor communication environment. A UWB system operates by using extremely short pulse with low power, which can support not only low rate but also high rate communication. The UWB system has some advantages such as highly accurate ranging, energy capturing from multi-path, and coexistence with other narrowband systems. To realize these advantages, researches on the properties of indoor channel should be accompanied. Because an indoor channel has many multi-paths in short time range contrast to the outdoor environment, the channel affects to the system more significantly. Thus, to develop a UWB system, an accurate estimation of channel delays and coefficients are required. In addition, high-order modulation for high rate communication is necessary in an UWB since PRP should be larger than maximum delay spread of the channel to avoid ISI. In this thesis, we propose a high-order modulation scheme and a new channel estimation method.
The proposed modulation method make the system send 3 bit per one symbol from combination of PPM, PAM, and PSM. Besides, we also propose orthogonal and optimal pulse shaping to be utilized for PSM and satisfy FCC spectral mask. The proposed scheme is able to provide a high rate UWB system with an efficient modulation framework. MUSIC-based channel estimation is also proposed in this thesis. The proposed method utilizes MUSIC algorithm to estimate delay components of the indoor channel. Consequently, the proposed method can be applied to indoor channel with random delay distribution.
근거리 무선통신 시스템의 수요가 많아짐에 따라서, UWB 시스템이 실내 환경 애플리케이션을 위한 통신 방식으로 각광받고 있다. UWB 시스템은 극소의 파워를 사용한 아주 짧은 펄스를 사용하면서저속은물론고속데이터 통신까지 지원한다. 이러한 UWB 시스템은 정확한위치측정능력，다중경로로인한에너지 캡쳐링,그리고 다른 narrowband 시스템과의 공존 가능 등의 여러가지 장점을 가지고 있다. 이러한 장점들을 이루기 위해서 실내 환경의 채널 특성에 대한 연구가 필요하다. 기존의 narrowband 시스템과는 달리, 실내 환경 채널은 짧은 간격 단위로 매우 많은 다중 경로가존재하기 때문에 그것이 시스템 성능에 미치는 영향은 매우 크다고 할 수 있다. 그래서 UWB 시스템을 설계하는 데에 있어서 채널 계수의 정확한 추정은필수 불가결한 요소라고 할 수 있다.그리고고속데이터 통신을위해서는 FCC의 제한요소 그리고 ISI를 피하기 위해 펄스 반복 주기가 채널의 최대 딜레이 보다 길어야 한다는 제한요소를 극복하는 high-order 변복조기법이 필요하다. 그러므로 본 논문에서는 실내 채널 환경하에서의 채널 추정기법과고속통신을위한 high order 변조기법을 제안할 것이다.
먼저 채널 추정 기법에 대해서는, UWB 채널 추정의 가장 대표격으로 ML 추정 기법이 제안되었지만, 이는 채널 딜레이의 시간간격을수신단에서 알고 있어야한다는 가정을 가지므로 실제적인 구현을 하는데에 있어서충분히 만족스럽지 못하다.그래서본논문에서는신호분리 기법인 MUSIC 알고리즘을 기반으로 한채널추정 기법을 제안할 것이다. 제안된 채널 추정 기법은 먼저 MUSIC 알고리즘을 통하여 실제 채널의 탭의 위치를추정한다음,추정된 시간에 상응하는 채널 계수 값을 수신 신호와 템플릿 신호의 correlation을 통해서 계산하게 된다. 여기서 템플린 신호는 blind 채널 추정을하기 위해서 가능한 파일럿 비트의 통계학적 정보를 가지고 생성하게 된다. 이로부터 구해진 채널 딜레이와 계수로 rake 수신기를 통하여 송신 데이터를 검출한다. 제안된 기법의 장점은 다음과 같다. 첫째로 기존의 채널 딜레이의 시간 간격을 알아야 한다는 가정이 없이도 적당한 성능을 보인다. 둘째는 MUSIC 알고리즘을 통해 delay를 추정하는 과정에서 rake 수신기 finger 개수 만큼만 추정을 함으로써, 실제 모든 delay에 대해 coefficient들을 구할 필요가 없다는 장점을 가진다. 마지막으로, 분해능이 좋은 MUSIC 알고리즘을 사용함으로써,추가의 다른 과정을 필요로 하지 않고 높은성능을 가지는 거리 측정을 할수 있다는 장점이 있다.
그리고 high-order modulation에 대해서는 UWB 채널 특성상 sym-bol duration 의 한계를가지기 때문에 이를 극복하기위해 기존에 UWB 시스템에 쓰이고 있는 binary modulation (PPM, PAM, PSM)을 조합하여 high-order modulation을 가능하게 하였다. 기존의 binary modu-lation 만으로 high-order modulation이 가능하게 하기 위해서는 각각 PPM의 경우는 너무 긴 pulse duration을 필요로 하고, PAM의 경우는thereshold를 추정하기 힘들며, PSM의 경우는 많은 수의 pulse gener-ator를 필요로 한다는 단점이 있다. 그래서 본 논문에서는 비교적 간단한 binary modulation의 조합으로 high-order modulation을 가능하게 하였다. 또한 PSM의 경우, complex Shannon wavelet 함수를 사용하여, FCC mask를 만족시키는 범위 내에서의 orthogonal 특성을 만족시키는파형을제안하였다. 제안된 변조 기법의 성능은 기존의 binary modulation과 비교하여 약간의 성능 열화를 보이지만, 성능 열화를 보상할수 있을 정도의 높은 spectral efficiency를 가진다는 장점이 있다. 그러므로, 제안된 기법은 고속 UWB 시스템을 개발하는데 있어서 효율적인 변조 기법으로 사용되어 질 수 있다.
