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고속 무선 응용 시스템에서 반복적으로 코딩된 터보 레벨링 모델에 관한 연구. 둘째, 높은 전송 효율을 달성할 수 있는 알고리즘을 연구하였다.

Fig. 1.1 The block diagram of research field in dissertation

터보 등화 모델

채널 추정기와 채널 코딩 기술은 별도로 사용됩니다. 등화 모델은 채널 등화기/추정기와 수신단의 채널 디코더 사이에 반복적인 계산 과정을 사용하는 모델이다.

Fig. 2.2 The block diagram of turbo equalization model for digital communication system

터보 등화 모델과 결합된 반복 부호화 기법

BCJR

BCJR 알고리즘은 입력 정보의 각 비트에 대한 사후 확률을 계산하고 입력 정보의 비트 오류가 최소화되는 방식으로 복호화합니다. BCJR 디코더는 입력 값에 대해 출력 값에 따라 상태가 변화하는 것을 나타내는 격자 다이어그램을 사용하여 BM(Branch metric), FSM(Forward State metric) 및 BSM(Backward State metric)을 구합니다.

Fig. 2.5 Trellis structure and metric calculation

터보 부호

이러한 MAP 디코더의 기본 메트릭 기능은 다중 추가의 기본 동작으로 구성되어 있어 하드웨어 복잡성이 높고 디코딩 지연이 발생합니다. 따라서 Log-MAP 알고리즘을 적용하여 곱셈 연산의 로그를 취하고 이를 덧셈으로 변환하면 최종 LLR은 식 (2.31)과 같다.

Fig. 2.7 The structure of turbo encoder and decoder

LDPC 부호

DVB-S2 기반 LDPC 부호(Long size)
IEEE 802.11n 기반 LDPC 부호(Short size)

태너 그래프는 비트 노드와 제어 노드로 구분되며, 여기서 비트 노드는 정보 블록입니다. 이것은 번째 비트 노드로 가는 에지 값입니다.

Fig. 2.8 The tanner graph of LDPC decoder

고속 무선 통신을 위한 최적 부호화 기법

또한, 성능 향상을 위해서는 LDPC 코딩 기술 적용으로 인한 전송 효율 손실을 극복할 수 있는 알고리즘 적용이 필수적이다. 성능 향상 측면에서는 강력한 오류정정 부호화 방법인 LDPC 부호의 터보 등화 모델을 적용하여 향상된 성능을 도출할 수 있으며, 또한 고속 무선을 위한 채널 부호화 기법임을 확인하였다. . 하지만 전송률 향상은 불가능했습니다.

Fig. 2.11은 각 채널 부호화 방식에 따른 BER 성능 비교를 나타내고 있다.

기존 고전송 효율 알고리즘

Punctured 알고리즘

원하는 코드 속도에 따라 펀치할 비트 수를 지정합니다. 5 단계에서는 제어 노드와 연관된 노드의 최소 차수를 갖는 비트입니다.

FTN 알고리즘

이는 전송 신호 파형에 왜곡이 없음을 나타냅니다. 그러나 의 값이 변경되면 그림 1과 같이 인접 심볼 간의 간섭으로 인해 전송 신호의 파형이 왜곡된다.

Fig. 3.2는 SRRC(Square Root Raised Cosine) 필터를 통과한 전송 신호의 파형을 FTN 적용 유·무에 따라 나타낸 것이다

MIMO 알고리즘

시공간 부호화 기반 MIMO 알고리즘
ZF 기반 MIMO 알고리즘

시공간 코딩 기법의 기본 개념은 그림 1에 나와 있다. A) 계층적 시공간 코딩을 기반으로 하는 MIMO 알고리즘.

Fig. 3.6 The concept of Space time codes

기존 고전송 효율 알고리즘 전송률 분석

FTN 사용으로 인한 인접 심볼 간의 간섭은 성능 저하의 주요 원인이다. 디코더와 채널 디코더 사이에서 반복적인 동작을 수행하면 FTN 사용으로 인한 성능 저하를 완화할 수 있다.

Table 3.2 Data rate comparisons according to throughput method

P-FTN 터보 등화 모델

따라서 등화기와 디코더의 반복적인 동작을 통해 원신호에 가까운 결과값을 얻게 된다. 터보 등화 모델을 적용하기 위해 LDPC 디코더의 출력 LLR 값을 다시 펀칭한 후 인터리버를 통해 BCJR 등화기와 연결하여 반복을 통해 성능을 향상시킨다.

Fig. 3.10 The block diagram of turbo equalization for P-FTN

MIMO-FTN 터보 등화 모델

W-ZF를 이용한 채널 분리 알고리즘

따라서 BCJR 등화기의 LLR 출력은 단일 비트 확률값으로 재구성되어야 한다. 1인치 확률이기 때문에 2비트 확률로 재구성되어 BCJR 등화기에 입력되어야 합니다.

Fig. 3.11은 W-ZF 기반의 MIMO-FTN 시스템 모델을 나타낸다.

FTN과 결합한 고전송 효율 알고리즘 성능 분석

그러나 FTN 간섭량이 증가할수록 성능이 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 전송속도 향상을 위해 FTN 전송기법을 적용함에 따라 성능손실이 발생하였다.

Table 3.3 Simulation parameters Channel coding LDPC (DVB-S2)

비균일 오류 확률 기반 FTN 신호의 터보 등화 모델

우선 순위에 따른 부호어 배치 방법

는 우선순위 알고리즘을 사용하는 UEP 설정에 사용되는 간섭 비율의 수입니다. 우선순위에 따라 전송되는 신호 그룹은 FTN 간섭 수준이 서로 다르지만 일반적으로 기존 FTN 전송 방식의 간섭 수준과 같거나 크게 설정할 수 있습니다.

Fig. 4.4 Composition of code word by priority

UEP 기법이 적용된 MIMO-FTN 터보 등화 모델

OFDM 기법이 적용된 UEP-FTN 터보 등화 모델

또한, OFDM 기술은 다중 경로가 존재하는 채널에서 효과적이다. 가드 부분에 신호가 없으면 부반송파의 직교성이 깨져 채널 간 간섭이 발생하는데, 이를 방지하기 위해 CP(Cyclic Prefix) 방식을 사용한다.

Fig. 4.6 The OFDM signal in time/frequency domain

비균일 오류 확률 기반 FTN 신호의 성능 분석

UEP-FTN 신호의 성능 분석

UEP 배치 과정에서 각 그룹에 할당된 간섭 비율에 따른 성능을 분석하기 위해 표 4.2와 같은 간섭 비율로 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 Type 4와 같이 우선순위가 높은 그룹에는 낮은 간섭율을 적용해야 하며, 각 그룹 간 간섭율의 차이가 커야 함을 확인하였다.

Table 4.2 UEP parameters setting I (′  )

UEP 기법이 적용된 MIMO-FTN 신호의 성능 분석

Type 4의 경우 에러 플로어 현상이 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 시뮬레이션 결과를 통해 MIMO-FTN에서 UEP를 적용할 경우 Type 2와 같이 각 그룹 간 간섭 비율을 작게 설정하는 것이 효율적이라는 것을 확인했습니다.

Fig 4.12와 Fig 4.13에 UEP 기법이 적용된 MIMO-FTN 신호의 시뮬레이션 결과를 나타내었다.

OFDM 기법이 적용된 UEP-FTN 신호의 성능 분석

또한, MIMO-FTN에서 FTN 사용으로 인한 성능 저하를 UEP를 사용함으로써 개선할 수 있음을 확인하였다. 또한, OFDM 시스템에서는 부반송파의 개수가 증가할수록 성능이 향상되는 것을 확인하였다.

Fig. 4.15 The performance of OFDM-FTN method based on UEP algorithm ( ′  )

UEP-FTN 방식의 수중 통신 적용

따라서 수중음향통신에서는 데이터 길이를 다양화할 수 있고 상대적으로 데이터 패킷 길이가 작은 컨볼루셔널 코드 기반의 BCJR 및 터보 코드가 주로 사용된다. 하나의 패킷 내에서 수중 채널 변경이 발생하는 수중 음향 통신에서는 코드워드가 긴 DVB-S2 기반의 LDPC 코드를 사용하기 어렵다.

Fig. 5.1 The block diagram of turbo equalization for UEP-FTN model at underwater communication

복호된 데이터를 이용한 연속적인 주파수 보정 방식

다중 경로로 인해 왜곡된 데이터를 보상하기 위해 DFE(Decision Feedback Equalizer)를 적용했습니다. 리인코더 및 리매핑을 거친 신호는 두 번째 데이터 패킷 에서 왜곡된 주파수 및 위상을 보상하기 위한 프리앰블 데이터로 사용됩니다.

Fig. 5.3 Proposed frequency and phase offset procedure

실험 환경

왜곡된 주파수 및 위상은 첫 번째 데이터 패킷의 프리앰블 데이터를 통해 보상되며, 도플러 및 위상 추정 및 디코딩 과정이 완료된 후 첫 번째 데이터 패킷 이 다시 인코딩되어 다시 매핑됩니다. 실험에 사용된 패키지 구조는 그림 1과 같다. b) 컨벌루션 코드의 패킷 구조

실험 결과

UEP-FTN 신호의 실험 결과

이 도플러 효과는 도플러 추정 알고리즘을 사용하여 보상되었습니다. 이러한 결과를 바탕으로 UEP-FTN 기법이 수중음향통신에 활용될 수 있음을 확인하였다.

Table 5.2 Number of errors according to FTN (′  )

먼저, 성능 향상을 위해 반복적인 코드를 결합한 터보 이퀄라이제이션 모델을 제시했다. 시뮬레이션을 통해 UEP 기법을 적용하여 성능이 향상되었음을 확인하였다.