The OFDM communication system has a serious drawback that the peak signal value can be much higher than the average signal value. High peak signals can be easily distorted by the nonlinearity of power amplifiers, and can increase the symbol error rate (SER) significantly. Though many techniques have been proposed to reduce the peak-to-average-power ratio (PAPR), they are usually based on iterative FFT/IFFT computation, needing lots of computation time. Based on the tone reservation method, this paper proposes a low complexity design that substitute conventional blocks in iterative FFT/IFFT.
The approximate DFT structure is proposed in order to lower the complexity of PAPR reduction techniques. In the proposed method, several approximations are employed to reduce the computational complexity and to substitute complex multiplications with simple shift operations. The performance of the proposed tone reservation method is compared with that of the conventional method based on the radix-2 FFT. Simulation results show that there is almost no performance degradation if the radix-2 FFT is replaced with the proposed approximate DFT. There are two proposed low-complexity design for POCS-based Clipping block and conventional IFFT block that reduces hardware complexity a lot.
The gate level and physical synthesis are done in 0.18μm CMOS technology. The hardware overhead and power consumption increment are mandatory for PAPR reduction; however it is 2.6 times smaller than conventional FFT/IFFT based design. The gate level synthesis and the power consumption are discussed for comparison.
직교 주파수 분할 접속 방식(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)은 서로 다른 부반송파를 통해 동시에 신호를 전송하는 방식으로써, 다중 부반송파 신호가 동위상으로 중첩될 때 발생하는 높은 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)에 의해 성능 저하가 발생한다. PAPR 감쇄를 위해 다양한 방법들이 연구되어 왔지만, 실질적인 구현 관점에 있어서는 부가 정보를 보내지 않는 기법인 Tone Reservation, Active Constellation Extension, Clipping and Filtering, Peak Windowing 등의 기법이 선호되고 있다. 부가 정보를 보내는 기법의 경우, 부가 정보에 의해 전송률이 떨어질 뿐 아니라 수신부의 디코딩 블록 역시 송신부에 특화되어 새로이 구현되어야 하기 때문에 실효성을 얻기 힘들다. 한편, 부가 정보를 보내지 않는 기법의 대부분은 Iterative FFT/IFFT를 기반으로 하고 있기 때문에 연산의 복잡도 및 하드웨어 오버헤드 측면에서 문제점을 가지고 있다. Tone reservation 기법을 사용하는 경우, 이러한 Iterative FFT/IFFT의 문제점을 보완하기 위해서 클리핑(clipping) 이후에 수행하는 FFT의 계산을 근사화하여 빠르게 계산하는 approximate DFT, 효율적으로 설계된 POCS-based Clipping과 메모리를 줄인 IFFT의 3가지 방식을 제안한다.
Approximate DFT는 FFT 과정에서 곱셈의 제수에 해당하는 위상값(twiddle factor)을 근사화하여, 곱셈 연산을 쉬프트 연산으로 대체함으로써, 연산 지연 시간 및 복잡도를 낮출 수 있다. Approximate DFT와 기존의 FFT를 각각 적용한 경우에 대해서, Symbol Error Rate (SER)과 PAPR의 누적분포 함수(CDF, Cumulative Distribution Function)을 시뮬레이션하여 성능을 비교하였다. 결과적으로 낮은 복잡도를 가진 approximate DFT를 사용하여도, 기존의 FFT와 거의 비슷한 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다. 설계 관점에서의 효율적인 POCS-based Clipping 블록을 제안한다. 기존의 rectangular to polar transform (R2P)과 polar to rectangular transform (P2R)을 사용한 클리핑 방식에 비하여, binary search를 직접 적용하여 하드웨어 오버헤드를 크게 줄였다. 메모리를 줄인 IFFT는 기존의 radix-2 decimation-in-frequency (DIF) Single-delay Feedback (SDF)방식에서 불필요한 메모리를 줄임으로써 전체 하드웨어 오버헤드를 절반 이하로 줄어 들였다.
전체 블록은 IFFT와 4회의 반복적인 계산에 해당하는 4개의 stage로 구성이 된다. 따라서 PAPR reduction이 적용되지 않은 경우보다 약 3.5배정도 크기로 하드웨어가 증가하지만, 기존의 FFT/IFFT를 그대로 사용한 방식에 비해서는 약 2.5배정도도 하드웨어 크기 및 전력 소모를 줄일 수 있는 장점을 가진다.
