Part-I과 II를 포함하는 본 연구에서는 하향링크 직교 주파수분할 다중접속(OFDMA) 방식을 위한 실제적인 동적 채널할당 방법에 대해 논의한다. OFDMA 시스템은 채널의 상태정보 궤환을 위한 상향링크에서의 오버헤드를 줄이기 위해 부반송파들의 집합을 하나의 부채널로 정의하고 이를 채널의 상태정보 궤환, 사용자 다중화 및 전력/부호화율 할당의 단위로 사용하는데 본 논문(part-I)에서는 부채널의 일반화된 형태로 연속구조와 분산구조를 정의하고 이들 각 부채널구조의 통계적 특성을 살펴본다. 특히, 각 구조에 대해 부채널상에서의 신호대 잡음비(SNR) 분포를 라이스 분포로 모델링함으로써 각 부채널의 채널 상태를 채널이득의 순시 평균 및 분산의 1, 2차 모멘트로 나타내고 주어진 다중경로 채널 모델에 대해 이 두 파라미터 값의 확률 분포를 유도한다. 본 논문의 결과는 part-II에서 라이스 모델링에 기초한 일반화된 동적자원할당 알고리즘을 제시하고 성능분석을 수행하는데 사용된다.
기존 MIMO 시스템 대비 수십 또는 수백 배 많은 송신 안테나들이 설치되어 있는 주파수 분할(frequency division duplex, FDD) 방식의 거대 다중 안테나(massive multiple-input mulitple-output, Massive MIMO)에선 송신 안테나 별 CSI-RS(channel state information reference signal) 전송을 위해 기존 MIMO 시스템 대비 너무 많은 하향 및 상향링크 자원 요소가 필요하다는 한계를 갖는다. 이러한 단점들을 극복하기 위해 본 논문에선 주파수 분할 방식의 거대 다중 안테나 시스템에서 많은 송신 안테나를 사용하더라도 자원요소(resource element, RE)를 재사용함으로써 송신 안테나 수에 비례하지 않는 제한된 양의 하향링크 자원만을 사용하여 CSI-RS를 효과적으로 전송하는 기술 및 자원격자 구조를 제안하였다.
본 논문에서는 광대역 무선 통신에서 직교 주파수 분할 다중화 방식의 적응 변조 기법(적응 OFDM)을 소개한다. 또한, 향상된 성능의 채별 예측 방식을 이용하여 고속 이동 환경에서 적응 OFDM 시스템 성능을 향상시킨다. 주파수 선택적 페이딩 환경에서 적응 OFDM 방식은 고속 데이터 전송의 신뢰도를 향상시킨다. 하지만, 이 방식은 보다 좋은 성능을 위해 전송단과 수신단간의 정확한 채널 정보를 요구한다. 고속의 이동성을 갖는 실외 환경에서 적응 OFDM 시스템들은 수신단으로부터 전송된 채별 정보를 필요로 한다. 하지만, 이 경우 전송단에서는 지연된 채널 정보를 갖게 된다. 더구나, 고속 이동 환경에서 채별 충격 응답은 매우 빠르게 변한다. 따라서, 전송시 적응 OFDM 시스템에 이미 오래된 채널 정보를 사용할 경우 시스템 성능은 저하된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 향상된 성능의 채널 예측기를 갖는 적응 OFDM 방식을 제안한다. 제안한 방식의 적응 OFDM은 적은 계산량으로 고속의 비트 할당을 가능케하며 향상된 성능의 채별 예측기를 이용함으로써 채널 지연의 영향을 완화시켜 적응 OFDM 시스템의 성능이 오래된 채널 정보에도 밀 민감하게 한다. 다양한 모의 실험의 성능 결과를 통해 제안한 방식의 우수한 성능을 볼 수 있다.
본 논문에서는 다중안테나-직교 주파수 분할 다중화(multiple input multiple output orthogonal frequency division multiplexing, MIMO-OFDM)시스템 중 공간 다중화와 전송 다이버시티 이득을 동시에 얻기 위해 제안된 double space-time block code(D-STBC) OFDM 시스템에 대해 기존 수신 기법인 그룹단위 간섭 제거 기법의 문제점을 보완하는 새로운 간섭 제거 기법을 제안한다. 또한 STBC의 다이버시티 이득을 극대화 할 수 있는 컴포넌트 인터리버 구조를 송수신단에 추가함으로써 수신 성능을 크게 향상시킨다. 이동방송 수신을 고려한 빠른 시변 채널환경에서의 전산 모의 실험을 통해 STBC의 부호직교성 상실로 인한 성능열화 현상이 개선됨을 보이고 다비어시티 이득에 의해 수신 성능 향상을 확인한다.
직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM) 시스템에서 주로 사용되는 파일럿을 이용한 상호상관 채널 추정기법은 시스템의 전송 효율을 증가시키기 위해 적은 수의 파일럿 심볼을 사용 할 경우 채널 추정 성능이 저하된다. 본 논문에서는 파일럿 심볼 기반의 OFDM 시스템에서 적은 수의 파일럿 심볼을 사용하여 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있는 파일럿 심볼 기반 상호상관 채널 추정기법을 제안한다. 제안된 기법은 파일럿 심볼을 이용하여 채널을 추정한 후 임시 데이터 심볼을 검출하고, 검출된 데이터 심볼과 파일럿 심볼을 이용하여 채널을 추정한다. 모의실험을 통해 제안된 기법의 성능을 확인하고, 기존 기법에 비해 우수한 성능을 나타내는 것을 보인다.
본 논문에서는 직접변환 RF 송수신기를 채용하는 직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 송수신기의 IQ 불균형과 수신기의 위상잡음, 그리고 주파수 선택적 페이딩에 의한 채널 왜곡을 종합적으로 분석하여 기저대역에서 이들 왜곡을 보상하는 보상기법을 제안한다. 제안된 보상기법은 훈련심벌을 이용하여 합성 왜곡성분을 추정하는 초기 왜곡추정과 데이터 심벌에 포함되는 파일럿 심벌을 이용한 잔여 왜곡성분 추정과정을 포함하고 있으며 이들을 종합하여 합성왜곡성분을 제거한다. 시뮬레이션 결과로부터 제안된 보상기법은 IQ 불균형, 위상잡음과 주파수 선택적 페이딩 채널이 혼합된 신호왜곡을 동시에 보상할 수 있음을 확인하였다.
본 논문의 part-I에서는 연속 및 분산의 두 가지 부채널 구조에 대해 부채널 상에서의 SNR분포를 라이스 분포로 모델링하고 이의 통계적 속성을 살펴보았다. 이번 Part에서는 직교 주파수분할 다중접속 시스템의 하향링크 전송을 위해 두 라이스 파라미터를 CQI정보로 이용하는 일반화된 2단계 자원할당 알고리즘을 제시하고 각 부채널 구조에 대해 시스템의 평균 주파수 효율 성능을 분석한다. 연속 부채널 구조의 경우 부채널 대역폭은 시스템 설계의 핵심적인 파라마터로서 이에 따른 주파수 효율 성능의 변화에 초점을 두고 분석을 수행하였다. 수치적인 분석결과에 의하면 연속 부채널 구조에서 부채널 대역폭이 채널 coherence 대역폭보다 작은 경우 정상적인 다중 사용자 이득(multiuser diversity gain)을 얻을 수 있으나 부채널의 대역폭이 채널 coherence 대역폭보다 커지면서 이득은 점차 줄어든다.
본 논문에서는 주파수 선택적 시변 채널 OFDM 시스템에서 파일럿 심볼을 이용하는 채널 예측 및 등화 방식의 성능을 분석하고 문제점 및 개선 방안을 제시한다. 주파수 영역 채널 행렬의 대역폭을 제한하기 위하여 시간 영역 윈도우를 도입하며, 채널 예측에 LS(Least Square) 및 선형 MMSE(Minimum Mean Square Error) 예측 방식을 이용한다. 채널 등화에는 채널 예측에 이용되는 파일럿 심볼의 존재가 고려된 선형 MMSE 및 결정 귀환 등화 방식을 이용한다. 계산량을 감소시키기 위하여 채널 등화 알고리즘에 요구되는 선형 연립 방정식의 풀이에 band LU 행렬 분해 알고리즘을 도입하며, 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 기존 방식과의 성능을 비교한다. 결정 귀환 등화 방식에 시간 영역 윈도우를 적용하는 경우, 결정 귀환 관련 행렬의 대역폭이 제한되지 않아 성능이 저하되는 문제점을 분석하였다.
본 논문에서는 저 전력 시스템에 적합한 고정 소수점 연산기로 구현된 다중 채널 디지털 보청기 알고리즘의 최적화 기법을 제시한다. 먼저 입력 신호를 고속 MDCT(modified discrete cosine transform) 방법을 사용하여 주파수 대역 분할함으로써 알고리듬의 복잡도를 최소화 하였고, MDCT 출력을 비선형 대역 분할 과정을 거쳐 채널별 그룹핑을 한 다음, 각 채널 신호를 난청인의 청각 손실 정도에 따라 구성한 라우드니스 보상 함수(loudness compensation function: LCF)표를 이용하여 이득을 조절하고, 최종적으로 TDAC 기법을 구현하는 IMDCT(Inverse MDCT) 변환을 거쳐 보상된 출력을 합성한다. 모든 과정은 16비트 정수 연산으로 구현되며, 이득을 계산하기 위해 측정되는 로그 단위의 연산 과정은 미리 계산된 테이블과 고속 탐색 알고리듬을 이용하여 구현된다. 구성된 보청기 알고리즘의 성능을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 평가하였다.
IEEE 802.11a 무선 랜 규격을 만족하는 RF 송수신기를 모듈의 형태로 제작하고 성능을 평가하였다. 주파수 변환 방식은 520MHz의 중간 주파수를 갖는 헤테로다인 구조를 채택하였다. 측정 결과 수신기는 잡음지수 5dB, 최대 이득 70dB, 그리고 61dB의 넓은 입력 동작 범위를 얻었다. 또한 중간 주파수 대역의 채널 선정 필터는 SAW 필터를 채용하여 채널간의 간섭 잡음을 최소화하였다. 송신기는 규격에 정의된 정격 출력을 만족하는 동시에 34dBm의 출력 P1dB를 가져 낮은 대역, 중간 대역에 대해 각각 18dB, 11dB의 출력 여유분을 보유함으로써 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 변조방식의 큰 평균대비 최고 출력 비율에 대응하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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