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Generalized suboptimum decoding for space-time codes in quasistatic flat fading channels = 準靜的 플랫 페이딩 채널에서 空間-時間 \titlebreak 符號의 一般化된 副最適 復號法
서명 / 저자 Generalized suboptimum decoding for space-time codes in quasistatic flat fading channels = 準靜的 플랫 페이딩 채널에서 空間-時間 \titlebreak 符號의 一般化된 副最適 復號法 / Young-Ju Kim.
저자명 Kim, Young-Ju ; 김영주
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2001].
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This thesis work present a generalized version of principal ratio combining (PRC) [4], which is a near-optimum detection scheme for space-time codes in quasistatic flat fading environments. Quasistatic flat fading is assumed because frequency flat, slow Rayleigh fading may be considered the most critical and frequent disturbance in a wireless communications. Space-time coding, which integrates channel coding, modulation, and multiple transmit antennas, achieves higher data rates and provides diversity to combat fading at the same time. It was proved in [3] that the designed codes are optimal in terms of the tradeoff between diversity advantage, transmission rate, decoding complexity, and constellation size. When maximum-likelihood (ML) detection is employed at the receiver [42], the decoding complexity increases as the number of transmit and receive antennas increases. In [4], the proposed suboptimal detection algorithm is independent of the number of receive antennas resulting in some sacrifice in performance. But the performance penalty increases as the number of receive antennas increases. In this thesis, a more generalized version of suboptimum decoding scheme is proposed, which shows a flexible tradeoff between performance and decoding complexity. In the proposed scheme, receive antennas are optimally divided into K groups, and the PRC detection method is applied to each group. The metric of the generalized version of PRC is shown to include ML and PRC. When K ≥ 2, the problem becomes how to determine the number of elements in each group. The definitions on PI (performance index) are also proposed to find the optimum configuration of each group. In terms of performance index, Grouping Rules can be established. Correlated receive antennas case is also briefly reviewed. Then, simulation results are presented to justify the PI and the grouping rules. Space-time block code is a fascinating area in space-time codes, which shows only diversity gain but has a very simple decoding structure. Differential detection of transmit diversity can be regarded as a suboptimum scheme for space-time block code. Differential detection scheme needs not the channel state information not only at transmitter but also at the receiver, making a sacrifice of almost 3 dB performance. Multiple symbol differential detection for differentially-encoded space-time block code is proposed to compensate the performance degradation at the expense of some increase in decoding complexity.

무선 채널 환경에서 다수의 송수신 안테나를 이용하여 시스템의 성능을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 1998년 AT&T의 Vahid Tarokh, Nambi Seshadri, 그리고 A. R. Calderbank등에 의해 제안된 공간-시간 트렐리스 부호는 페이딩 채널에서 채널 부호화, 변조 기법, 그리고 다수의 송신 안테나를 통합하는 새로운 부호화 방식으로, 전송율을 높이거나 통신의 신뢰도를 높일 수 있다 - 혹은 전송율과 통신의 신뢰도를 높인다. 부호화 방법은 채널 부호기에서 데이터가 부호화되어 n개의 심벌열들(streams)로 분배되고 n개의 송신 안테나를 이용하여 동시에 전송된다. [3]에서 공간-시간 트렐리스 부호는 다이버시티 이득, 전송율, 그리고 복호기의 去來(tradeoff)관점에서 최적임을 증명하였다. 또한 페이딩이 느리고, 주파수 비선택적인(frequency nonselective) 채널에서 성능 기준(performance criteria)을 유도하였고, 제시된 설계 기준(design criteria)은 높은 데이터 전송율의 트렐리스 부호들을 설계할 때 이용된다. 공간-시간 트렐리스 부호는 송신 안테나의 수에 비례하는 다이버시티 이득 뿐만이 아니라 트렐리스 부호에서 얻어지는 부호화 이득을 가진다. 공간-시간 트렐리스 부호의 복잡도는 가우시안 채널에서 쓰이는 트렐리스 부호와 같이 트렐리스圖(trellis diagram)의 상태(state)의 數가 증가함에 따라 증가한다. 역시 [3]에서 전송율이 2 및 3 bits/symbol인 4-PSK 및 8-PSK 신호 세트에서 64 상태 부호기를 이용하여 2에서 3dB의 성능 개선을 보였다. 수신 안테나의 수가 증가하면, 다이버시티 이득이 증가하므로 더욱 성능의 향상을 기대할 수 있다. 일반적으로 수신기의 복호기에서 최우(ML, maximum likelihood) 검파를 하므로, 수신 안테나의 수가 증가함에 따라 복호기의 복잡도가 증가한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, Vahid Tarokh와 T. K. Y. Lo는 [4]에서 최대비결합(MRC, maximum ratio combining)을 일반화한 형태인 PRC(principal ratio combining)을 제안하였다. PRC 기법은 공간-시간 트렐리스 부호의 부최적 복호법의 하나로, 복호의 복잡도가 수신 안테나의 수와 무관한 방식이다. 따라서 성능이 다소 저하되는 대신 복호기의 복잡도가 ML방식에 비해 감소된다. 이를 보완하기 위해 본 연구에서는 준정적 플랫 페이딩 채널 - 느리고 주파수 비선택적인 페이딩 채널과 동일한 결과가 나옴 - 에서 기존의 연구인 최적 복호 방법인 ML과 부최적 복호 방법인 PRC를 포괄할 수 있는 보다 일반적인 복호 방법을 제안한다. 수신 안테나를 각각 최적의 안테나 수를 갖는 K개의 그룹으로 나누고, 각 그룹에 PRC기법을 적용한다. 수식으로 일반화된 PRC(GPRC, generalized PRC)가 ML과 PRC를 포함하는 것을 증명한다. 한편, 그룹 K가 2보다 크거나 같을 경우, 각 그룹의 수신 안테나의 수를 얼마로 결정해야 일반화된 부최적 복호 방법 중 가장 좋은 성능을 보이는가 하는 문제가 도출된다. 이를 위해 성능 지표(PI, performance index)를 정의하여, 여러가지 가능한 그룹의 조합에서 어느 것이 가장 좋은 성능을 보이는 지 빠르게 예측할 수 있게 하였다. 성능 지표를 이용하여, 수신 안테나의 수와 그룹의 수가 결정되었을 때 가장 최적의 그룹 내의 안테나 수를 결정하는 그룹핑 규칙을 제안한다. 수신 안테나 간에 상관(correlation)이 있을 경우에 대해서도 간결하게 검토한다. 상태수가 4인 4-PSK 및 상태수가 8인 8-PSK 공간-시간 트렐리스 부호에서, 송신 안테나의 수가 2이고 수신 안테나의 수가 4일 때 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 앞에서 설명한 성능 지표 및 그룹핑 규칙 등이 정당화됨을 보인다. 공간-시간 부호의 또다른 중요한 분야로 공간-시간 블록 부호가 있다. 이 부호는 1998년 Siavash M. Alamouti에 의해 제안된 2개의 송신 안테나를 이용하는 송신 다이버시티 기법으로, 채널이 역시 완벽히 추정되었을 때 최대비결합을 이용하면, 송신 안테나 수에 수신 안테나 수를 곱한 값만큼의 다이버시티 이들을 온전히 얻을 수 있다. 공간-시간 트렐리스 부호에서 갖는 부호ㅘ 이득은 없고, 지연 다이버시티와 같은 성능을 보인다. 방법은 두 송신 안테나의 심벌 스트림들이 서로 직교성을 갖게 하는 것으로, 수신부에서는 복호는 매우 간단한 구조를 가지면서 다이버시티 이득을 얻는다. 다만 두 심벌의 시간 슬롯 동안 페이딩이 일정하다는 가정만이 요구된다. 대부분의 경우 그렇게 빠른 페이딩은 존재하기 어려우므로, 이 가정은 매우 타당하다. 본 연구를 포함하여 대부분의 연구는 송신부에서는 채널에 대해 모르고, 수신부에서는 채널 추정을 통해 한다고 가정을 ks다. 그러나 어떤 경우에서는 채널 추정을 포기해야할 경우가 발생한다. 송신기와 수신기 모두 채널을 모를 경우 보통 기존의 하나의 송신 안테나를 이용한 통신에서는 차분 변조(differential modulation) 기법을 이용하는데, 다수의 송신 안테나를 이용한 통신에서는 어떻게 해야 하는 가에 대한 연구가 최근에 활발히 진행되었다. Hochwald와 Marzetta에 제안한 방식은[35] 송수신기 모두 랜덤 부호와 같이 지수 부호 및 지수 복호의 복잡도를 갖는다. Hochwald[36] 이를 개선하여 지수 복호를 하지만 다항 부호의 복잡도를 갖는 방식으로 다소 개선하였다. Tarokh와 Jafarkhani가 제안한 방식은 [37] 송수신기가 모두 매우 간단한 구조로 다이버시티 이득을 온전히 얻을 수 있다. 후에 Brian Hughes에 의해 제안된 것은[38] 그룹 부호(group codes_에 기반한 흥미있는 방식이다. [35] 및 [36]는 복잡도가 크며, Hughes의 방식은 간단한 구조를 가지지만, 첫 심벌을 수신기가 알고 있어야 한다. 반면에 [37]는 완벽한 차분 변조가 가능하고 송수신기가 간단하다. 본 연구에서는 Tarokh와 Jafarkhani의 방식을 간단히 살펴보고, 역시 부최적 복호 방법인 다중 심벌 차분 검파(MSDD, multiple symbol differential detection)기법을[39] 송신 다이버시티의 차분 검파에 적용한다. 송신 다이버시티의 다중 심벌 차분 검파의 구조를 제안하고, 성능의 향상 정도를 컴퓨터 시뮬레이션으로 보인다. 본 논문에서는 최근 활발한 연구가 진행 중인 공간-시간 부호의 두가지 분야에서 성능과 복호의 복잡도에서 去來(tradeoff) 관계에 있는 부최적 복호 기법을 제안하여, 요구되는 시스템 성능 및 수신기의 비용 측면에서 技術者에게 가장 효과적인 공간-시간 복호기의 구현을 가능하게 한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 01024
형태사항 vii, 76 p.: 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김영주
지도교수의 영문표기 : Hwang-Soo Lee
지도교수의 한글표기 : 이황수
수록잡지명 : "Generalised suboptimum decoding for space-time codes in quasistatic flat fading channels". IEE electronics letters, v.36 no.2, pp.168-169 (2000)
수록잡지명 : "Generalized principal ratio combining for space-time codes in slowly fading channels". IEEE communications letters
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학전공,
서지주기 Reference : p. 69-73
주제 diversity
space-time codes
wireless communication
다이버시티
공간-시간 부호
무선통신
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