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Optimization of multicarrier transmission on rapidly time-varying channels = 고속 시변 채널에서 다중 반송파 신호의 전송을 위한 최적화 기술 연구
서명 / 저자 Optimization of multicarrier transmission on rapidly time-varying channels = 고속 시변 채널에서 다중 반송파 신호의 전송을 위한 최적화 기술 연구 / Kwang-Hoon Kim.
저자명 Kim, Kwang-Hoon ; 김광훈
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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초록정보

Multicarrier transmission such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) can function well against a frequency-selective channel. However, it performs poorly under a severe time-selective channel, i.e., a rapidly time-varying channel. This is because the orthogonality among the subcarriers can be destroyed. This destruction introduces inter-carrier interference (ICI) and can cause severe performance degradation, unless the ICI effect is properly compensated. Therefore, it is necessary to reduce the effect of ICI. This dissertation discusses several noble techniques that effectively prevent the occurrence of ICI. First of all, we deal with the sequence design of pilots for channel estimation in time-varying channel. It has shown recently that grouping pilot tones into a number of equally spaced clusters can yield better channel estimation against the time-varying channel than placing each pilot tone in an equally spaced manner. However, a random pilot sequence was used in the literature, and an optimal sequence has not yet been studied. This dissertation presents how to optimize the clustered pilot sequence. We do the following: (a) prove the existence of an optimum pilot sequence and (b) suggest a guideline for finding an optimum sequence. It is assumed that there are several equi-spaced pilot clusters while the number of pilot tones in each cluster is equal. In this case, we prove that there exists an optimum pilot sequence which consists of similar pilot cluster that are different only with unit-norm scaling factors. From this fact, we can concentrate on finding an optimum pilot cluster instead of an optimum pilot sequence, which can reduce the computation complexity. Then, we provide the nonlinear least square problem using a Lagrange multiplier to obtain the optimum pilot cluster. Moreover, we show that the resulting optimum sequence is independent of the signal-to-noise ratio and Doppler rate, and the sequence is generally optimum for any channels. And we verify through analysis and simulation that the coded-OFDM system with an optimized cluster pilot sequence can yield a smaller mean square channel estimation error and lower bit error rate than the system with a equidistance pilot or a random cluster pilot under a rapidly time-varying channel. As regards the downlink solution, we consider the transmit-diversity scheme with a polynomial cancellation code (PCC) to prevent the occurrence of ICI. The proposed scheme employs a PCC to suppress the ICI, and uses a linear complex field (LCF) code as a transmit-diversity technique to make the transmission rate compatible up to ${n_T}$ / ${(n_T+1)}$, where $n_T$ is the number of transmit antennas used. The conventional orthogonal code (OC), such as the Alamouti code, with accompanying PCC cannot achieve this rate. If we use LCF code as a space frequency block code instead of an orthogonal code, it is possible to use frequency division transmission at each transmit-antenna. Therefore, there exist many null-subcarriers in the transmitter, and this sparsity can be utilized to reduce the spectral loss due to the use of PCC. To compare the performance of the proposed transmission scheme with others, we first calculate an average ICI power of each subcarrier for the proposed scheme as well as other transmission schemes. Using the ICI power, we derive the ergodic channel capacity of each transmission scheme and prove the superior capacity of the proposed scheme to the others. Both analysis and simulation results verify that the proposed scheme can achieve higher channel capacity as well as lower bit error rate than the other schemes in rapidly time-varying channels, even with a linear receiver and inaccurate channel estimation. Regrading the uplink solution, we treat the subcarrier allocation algorithm of orthogonal frequency division multiple access (OFDMA). Multiuser interference (MUI) as well as ICI occur in an uplink OFDMA if any channels between mobile users and a base station are rapidly time-varying. One effective detection scheme to remove theses interferences due to the mobile users is the successive interference cancellation (SIC). If the symbol-recovery of the priorly detected users in SIC are not correct, however, there exist an error propagation. Therefore, we propose a new subcarrier allocation method to prevent this error propagation in SIC. In uplink case, all users can be classified into the fast moving users and slow moving users. Since the slow moving users do not generate ICI and MUI, it is sufficient to consider the subcarrier allocation for the fast moving users. Therefore, we try to minimizes the ICI and MUI smeared in the subcarriers allocated to the fast moving users by using the convex programming. Simulation results show that the proposed subcarrier allocation provides the better bit error rate performance than the other allocation schemes.

본 논문은 고속 시변 채널 (Rapidly time-varying channel)에서 직교 주파수 분할 방식 (OFDM, Orthogonal frequency division multiplexing)과 같은 다중 반송파 (Multicarrier) 신호 전송의 최적화를 다룬다. 다중 반송파 시스템에서 직교 주파수 분할 방식이 선호되는 이유는 직교성에 의해 주파수 효율성이 증대되기 때문이다. 그러나 이러한 직교성은 주파수 오프셋 (Offset)에 취약하게 되며, 이로 인한 직교성의 왜곡은 내부 반송파 간섭 (ICI, Inter-carrier interference)을 유발한다. 주파수 오프셋은 여러 요인으로 발생되는데, 그 종류에는 송/수신기의 발진기 (Oscillator)의 주파수 차이에 의해서 발생하는 캐리어 주파수 오프셋과 이동성에 의한 도플러 오프셋 등이 있다. 이 가운데 이동성에 의한 도플러 오프셋은 다중 경로 채널에서 주파수 확산 (Doppler spread)을 일으키기 때문에, 신호 검출의 정확도를 더욱 떨어뜨린다. 또한, 주파수 확산 효과는 채널 상태 정보 (CSI, Channel state information)를 추정하는데 있어서도 큰 영향을 미친다. 본 논문에서는 이동성이 큰 환경에 적합한 채널 추정 기법을 연구하고, 상향 링크(Uplink)와 하향 링크(Downlink)에 적합한 송/수신 기법을 제안한다. 다중 반송파 시스템에서 신호의 Coherent 검출을 위해서는 채널 상태 정보가 필요하다. 또한, 고속 이동에 의해 발생된 내부 반송파 간섭을 제거하기 위해서도 채널 정보가 필요하며, 이를 획득하기 위해 채널 추정이 이용된다. 기존의 다중 반송파 시스템에서 널리 사용되는 채널 추정 기법들은 동일 간격의 부반송파에 위치한 파일럿을 기반으로 한다. 이러한 동일 간격의 파일럿은 시불변 (time-invariant) 채널에서 주파수 오프셋의 영향이 없을 때 최적의 파일럿 배치로 알려져 있다. 그러나 이 파일럿의 배치는 파일럿 신호가 내부 반송파 간섭에 크게 왜곡될 수 있기 때문에 이동성이 큰 환경에 적합하지 않다. 고속 시변 채널에서는 시불변 채널과 달리 2개 이상의 연속된 부반송파에 파일럿을 배치시키는 군집 파일럿 (Clustered pilot)이 기존의 동일 간격 파일럿보다 우수한 채널 추정 성능을 얻을 수 있다고 알려져 있다. 본 연구에서는 이러한 군집 파일럿에서 채널 추정의 성능이 파일럿에 전송되는 송신 신호와 관련이 있음을 도출하고, 채널 추정의 성능을 최적화하는 파일럿 신호를 제안한다. 고속 시변 채널에서의 수신 신호를 모델링 하고 이를 바탕으로 ML (Maximum likelihood) 채널 추정 기법을 유도한다. 이 채널 추정 기법의 채널 추정 MSE (Mean square error)를 계산하고, MSE가 파일럿 신호에 의해 결정됨을 밝힌다. 그리고 채널 추정의 MSE를 최소화하는 파일럿 신호를 찾기 위한 최적화 문제를 제안하고, 이를 해결 하기 위한 비선형 최소 자승법 (NLS, Nonlinear least square)을 유도한다. 이 방법을 통해 얻어진 파일럿 신호는 수신 SNR (Signal to noise ratio)과 이동성의 정도에 독립적으로 적용될 수 있음을 확인하고, 이동성이 없는 시불변 채널에서도 그 일반성을 잃지 않음을 확인한다. 그리고 이 파일럿을 이용한 채널 추정 기법은 300km/h 이상의 고속 이동환경에서도 정확한 채널 추정을 가능하게 한다. 하향 링크 환경에서는 기지국에서 사용자의 단말기로 송신되는 환경이기 때문에, 다중 송신 안테나의 사용이 용이하다. 이를 이용하여 본 논문에서는 내부 반송파 간섭의 영향을 방지할 수 있는 전송 기법을 제안한다. Polynomial cancellation coding (or ICI self-cancellation coding)은 2개 이상의 인접한 부반송파에 하나의 신호를 신호 처리를 통해 반복해서 보냄으로써, 수신기의 간단한 신호 처리를 통해 정확한 데이터의 검출을 가능하게 한다. 이 기법은 내부 반송파 간섭에 강인한 특성을 보이지만, 전송 효율이 1/2 이하로 떨어지는 단점이 있다. 본 연구에서는 다중 송신 안테나를 이용하여 이 같은 전송 효율의 손실을 최소화 한다. 다중 송신 안테나를 사용하는 환경에서 LCF (Linear complex field) 코드의 사용은 다이버시티와 전송률의 손실 없는 송신 안테나 다이버시티 기법을 가능하게 한다. 또한 LCF 코드의 사용은 하나의 안테나에서 고유의 배타적인 부반송파 사용을 가능하게 한다. 이러한 특성은 일부 부반송파를 서로 중첩시킬 수 있는 가능성을 만들어준다. 따라서 송신 안테나가 $n_T$개일 경우 전송 효율을 최대 $n_T/(n_T+1)$까지 증대시킬 수 있다. 상향 링크 환경에서는 사용자간의 이동성이 다를 경우, 하향 링크와는 달리 각각의 부반송파를 통해 전송된 신호는 서로 다른 수준의 내부 반송파 간섭을 일으키게 된다. 따라서 각 사용자들에 할당된 부반송파의 SINR (Signal to noise plus interference ratio)는 부반송파의 할당 기법에 따라서 큰 차이를 보인다. 이 경우 하향 링크에서 사용하는 복잡한 등화기 (Equalizer)나 추가적인 송신 기술 등을 사용하지 않고, 간단한 간섭 제거 기법을 사용하여 One-tap 등화기를 사용할 수 있다. 본 논문에서는 이를 위해 순차적 간섭 제거 기법 (SIC, Successive interference cancellation)을 이용한다. 이 기법에서는 각 사용자가 일으키는 내부 반송파 간섭을 순서에 따라서 제거하게 되는데, 이 기법은 우선적으로 제거하려고 하는 간섭이 정교하게 제거되어야 한다. 본 논문에서는 이 순서를 이동성이 큰 사용자의 순서로 정하고, 이 순서에 적합한 부반송파 할당 기법을 제안한다. 각 사용자를 이동성에 따라 분류하고, 내부 반송파 간섭을 일으킬 수 있는 사용자들의 반송파 할당만을 고려한다. Convex optimization을 활용하여, 서로 다른 이동성을 나타내는 사용자들이 있는 환경에서 서로간의 내부 반송파 간섭을 최소화 할 수 있는 반송파 할당 기법을 제안한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DICE 11026
형태사항 vii, 83 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김광훈
지도교수의 영문표기 : Hyun-Cheol Park
지도교수의 한글표기 : 박현철
수록잡지명 : "Rate-Compatible SFBC-OFDM under Rapidly Time-Varying Channels". IEEE Transactions on communications,
학위논문 한국과학기술원 : 정보통신공학과,
서지주기 References : p. 72-75
주제 OFDM
ICI cancellation
Channel estimation
Subcarrier allocation
OFDM
ICI 제거
채널 추정
부반송파 할당
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