KR20060106041A

KR20060106041A - 반-비아씨엠 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송수신기

Info

Publication number: KR20060106041A
Application number: KR1020050028311A
Authority: KR
Inventors: 이광재; 이문호
Original assignee: 이광재
Priority date: 2005-04-06
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2006-10-12

Abstract

본 발명은 반-비아씨엠 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송수신기에 관한 것으로,

그레이 매핑에 의해 MLC와 BICM을 결합함으로써 서로 다른 부호율(code rate)의 다수의 등가 채널 상에서의 멀티미디어 데이터 전송이 가능하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, MLC설계에 요구되는 성분 부호의 수를 줄일 수 있으며, 채널 용량의 손실 없이 BER의 개선이 가능하다. Full-BICM 을 이용한 MLC/PID 구조에 비해 semi-BICM을 이용한 MLC/PID 기법의 경우

의 성능 개선이 가능하며, 기존 방식에 비해 LDPC 부호기와 복호기 하나씩을 절약할 수 있는 장점이 있다.

MLC, LDPC, Semi-BICM,

Description

반-비아씨엠 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송수신기{A Multilevel Codes Transceiver using semi-BICM Scheme}

도 1은 종래의 MLC/PID, BICM, MLC/PID+BICM의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 반-BICM 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송수신 장치의 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 반-BICM 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송신기의 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 반-BICM 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 수신기의 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 그레이 매핑 8 PSK MLC/PID 기법의 등가 부채널의 용량(AWGN)을 나타낸 도면,

도 6은 본 발명에 따른 LDPC 부호와 행렬 크기에 의한 비트 오류율 성능을 도시한 도면

도 7은 본 발명에 따른 랜덤 구성의 레귤러 LDPC를 이용하는 반-BICM MLC/PID 기법의 비트 오류율 성능을 도시한 도면이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

10 : LDPC 부호기 0 20 : LDPC 부호기 1

30 : 인터리버 40 : 직렬-병렬 변환부

50 : 그레이 매핑 8 PSK 변조기 100 : 그레이 매핑 8 PSK 복조기

110 :　병렬-직렬 변환부 　　　120 : 역인터리버

130 :　LDPC 복조기 0 　　　　　　　　　　140 : LDPC 복조기 1

본 발명은 반-비아씨엠 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송수신기에 관한 것이다.

멀티미디어 시스템은 음성, 데이터, 영상 등의 다양한 정보를 처리하게 된다. 따라서 기존 음성 및 데이터 기반 응용에 비해 방대한 트래픽을 요구한다. 이는 트래픽의 증가를 가져오며, 양방향 인터랙티브 멀티미디어 전송이 요구되는 경우 심각한 문제로 대두된다. 정보량의 증가에 따라, 순시 전송률의 증가가 요구된다. 표1에 다양한 멀티미디어 서비스에 요구되는 비트율의 추정치를 나타내었으며, 이는 다중 레벨 또는 다중 전송률 기반의 전송 기법을 요구한다. 따라서, 다중 레벨 부호화는 멀티미디어 통신 시스템을 위한 훌륭한 선택이 될 수 있다. MLC(multilevel codes)와 BICM(bit interleaved coded modulation)은 전력과 대역 폭 특성 모두를 만족하는 부호화 변조 기법으로서 잘 알려져 있다. 문헌 [U. Wachsmann, R. F. H. Fischer, and J. B. Huber, "Multilevel codes: Theoretical concepts and practical design rules," IEEE Trans. on Inform. Theory, vol.45, pp.1361-1391, July 1999.]에서는 그레이 매핑(Gray mapping)과 각 레벨에 대해 PID(parallel independent decoding)를 적용하고 최적의 성분 부호(component code)를 이용함으로써 채널용량에 대한 정보손실을 무시할 수 있는 것으로 결론 짓고 있다. 또한, 그레이 매핑 BICM은 채널 용량에 근접하는 상호 정보량을 제공하며, 단일 이진 부호를 이용하는 MLC/PID 기법의 일종으로 볼 수 있다.

그러나 종래의 MLC/PID 기법에서 채널 용량의 최적화를 위해 각 멀티미디어 데이터 마다 하나 씩의 성분 부호기 및 복호기를 두고 있는 방식에서는 장치의 복잡도가 증가하는 문제점이 있으며, 또한 간단한 장치로 구현하기 위해 하나의 성분 부호기만을 이용하여 다수의 멀티미디어 데이터를 처리하는 방식에서는 채널 용량의 손실을 가져오는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 채널용량의 손실 없이 성분 부호의 수를 줄일 수 있도록 반-BICM 기법을 기반으로 하는 다중 레벨 부호 송수신 장치를 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반-BICM 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송수신 장치는,

그레이 매핑에 의해 다중 레벨 부호(MLC)와 BICM을 결합함으로써 서로 다른 부호율(code rate)의 다수의 등가 채널 상에서의 멀티미디어 데이터 전송이 가능하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 반-BICM 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송수신 장치에 대해 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 일반적인 MLC/PID, BICM, MLC/PID+BICM의 구성도이며,

LDPC(low density parity check) 부호화 MLC 기법과 BICM 기법의 일반적인 구조를 나타내었다. LDPC 부호화 MLC/PID의 경우 각 비트 c_i, i=0,1,...,m-1는 길이 n, 부호율 R_i=k_i/n 의 다른 이진 LDPC 부호 C_i에 의해 보호되며, 여기서 k_i는 비트 단위의 정보어 길이를 나타낸다.

그레이 매핑에 의해 이진 벡터 c = (c₀,..,c_m-1)를 심벌 포인트 x∈A 에 매핑한다. 여기서 A는 심벌 집합이며 |A|=2^m 이다. 이진 등가 AWGN 채널 모델을 고려하고, 채널 잡음과 채널 출력을 각각 z, y로 표시하기로 한다. 이 기법의 스펙트럼 효율 R_s (bits per symbol) 는 각 성분 부호율의 합과 같으며, 다음과 같이 쓸 수 있다.

BICM의 경우, 일반적으로 단지 하나만의 부호기를 필요로 한다. MLC/PID 기법과 결합시키는 경우, 문헌[J. Hou, P. H. Siegel, L. B. Milstein, and H. D. Pfister, "Capacity approaching bandwidth efficient coded modulation schemes based on low density parity check codes," IEEE Trans. on Inform. Theory, vol.49, no.9, Sept. 2003, pp.2141-2155.]에서는 LDPC 부호와 MLC/PID 그리고 BICM을 결합하여 m 개의 LDPC 성분 부호를 이용하는 방법을 제안하고 있다. BICM 기법의 채널용량은 MLC/PID에 의해 얻을 수 있는 성능 한계와 동일하다[U. Wachsmann, R. F. H. Fischer, and J. B. Huber, "Multilevel codes: Theoretical concepts and practical design rules," IEEE Trans. on Inform. Theory, vol.45, pp.1361-1391, July 1999.],[G. Caire, G. Taricco, and E. Biglieri, "Bit-interleaved coded modulation," IEEE Trans. on Inform. Theory, vol.44, pp.927-946, May 1998.],[J. Hou, P. H. Siegel, L. B. Milstein, and H. D. Pfister, "Capacity approaching bandwidth efficient coded modulation schemes based on low density parity check codes," IEEE Trans. on Inform. Theory, vol.49, no.9, Sept. 2003, pp.2141-2155.]. PID 모델에서 c_i, i=0,1,...,m-1는 서로 독립이므로 다음과 같이 쓸 수 있으며,

레벨 i 에서 임의의 낮은 오류율로 전송하기 위한 최대 개별 전송률의 상한은 다음과 같다.

따라서, 전체 전송률 R_s = C는 다음과 같이 주어진다.

또한, AWGN 채널의 특성은 다음과 같은 천이 확률 밀도함수 p(y_k|x_k)로 나타낼 수 있다.

여기서, d_x,y는 복소 신호 x_k와 y_k간의 유클리디안(Euclidean) 거리를 나타내며,

은 평균 0인 복소 Gaussian 잡음의 분산이다. 문헌 [J. Hou, P. H. Siegel, L. B. Milstein, and H. D. Pfister, "Capacity approaching bandwidth efficient coded modulation schemes based on low density parity check codes," IEEE Trans. on Inform. Theory, vol.49, no.9, Sept. 2003, pp.2141-2155.]과 [G. Ungerboeck, "Channel coding with multilevel/phase signals," IEEE Trans. on Inform. Theory, vol.IT-28, pp.55-67, Jan. 1982.]에서 독립 PID 부채널의 용량은 다음과 같이 주어지며,

R_s에 근거한 전체용량은 다음과 같이 구할 수 있다.

여기서, E_c,y는 c와 y에 대한 기대치를, A_i, c_i는 위치 i에서 c_i∈{0,1}의 값을 레이블(label)로 갖는 모든 심벌 a∈A의 부집합(subset)을 나타낸다.

도 2 는 본 발명에 따른 반-BICM 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송수신 장 치의 구성도이며, 반-BICM을 이용하는 8 PSK MLC/PID 기법의 구성 예를 나타낸다.

본 발명에 따른 반-BICM에서는 기존의 MLC 구성에 비해, 길이 n의 LDPC 부호기 두 개를 동일한 부호율 R=0.745 를 갖는 부호 길이 2n의 LDPC 부호기로 대체하고 있는 것이 큰 차이점이다. 또한, 두 개의 등가 채널 용량을 얻기 위해 일반적인 BICM 구성과 마찬가지로 채널 부호기 다음에 인터리버(interleaver)를 두고 있다[G. Caire, G. Taricco, and E. Biglieri, "Bit-interleaved coded modulation," IEEE Trans. on Inform. Theory, vol.44, pp.927-946, May 1998.]. 이러한 방법으로 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다. 첫 째, 동일 부호율의 긴 이진 부호기를 이용할 수 있으며, 이러한 방법으로 성능 개선이 쉽게 얻어진다. 둘 째, 성분 부호의 수를 줄일 수 있으며, 단순하고 빠른 복호가 가능하다.

제안 기법의 8 PSK 변조를 위한 채널 용량은 문헌[G. Caire, G. Taricco, and E. Biglieri, "Bit-interleaved coded modulation," IEEE Trans. on Inform. Theory, vol.44, pp.927-946, May 1998.]와 [S. Y. Le Goff, "Channel capacity of bit-interleaved coded modulation schemes using 8-ary signal constellations," IEE Electronics Letters, vol.38, no.4, Feb. 2002, pp.187-188.]의 BICM으로부터 다음과 같이 주어진다.

여기서, BICM을 위한 두 개의 등가 채널이 이용된다. 또한, 수학식 4에 나타낸 것처럼 나머지 한 채널은 MLC/PID에 관련되며, 이의 채널용량은 다음과 같다.

따라서 제안 기법의 전체 채널용량은 다음과 같이 주어진다.

수학식 9의 결과는 수학식 6으로 주어진 BICM을 이용하는 MLC/PID의 채널용량과 동일함을 알 수 있다. 일반적으로, 제안 기법은 부호길이가 긴 부호기를 이용함으로써 LDPC의 저밀도 특성에 따른 오류 정정 성능에서의 장점을 얻을 수 있다.

도 3 은 본 발명에 따른 반-BICM 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송신기의 구성도이다.

데이터 전송률이 다른 두 가지의 멀티미디어 입력 신호는 각각 저속 데이터를 위한 채널 부호기인 LDPC 0(10)와 고속 데이터를 위한 채널 부호기인 LDPC 1(20)에 입력되며, 이들 중에서 고속 데이터를 위한 채널 부호기 LDPC 1(20)을 거친 부호화된 데이터 스트림은 다시 인터리버(30)를 통과한 후 직렬-병렬 변환(40) 된다. 이렇게 얻어진 다중 레벨 신호 C₀, C₁, C₂는 그레이 매핑에 의해 8-PSK 신호로 변조(50)된 후 전송로로 송출된다.

도 4 는 본 발명에 따른 반-BICM 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 수신기의 구성도이다.

전송로를 거쳐 수신된 신호는 역그레이 매핑 및 8-PSK 복조(100)되어 다중 레벨 신호 C₀, C₁, C₂으로 출력되며, 이들 신호 중에서 하위 레벨 신호인 C₀는 채널 복호기 LDPC 0 (130)를 이용하여 원래의 저속 데이터를 복원하는데 이용된다. 또한 상위 레벨 신호인 C₁, C₂는 병렬-직력 변환(110)과 역인터리버(120)을 거친 후 채널 복호기 LDPC 1 (140)를 이용하여 원래의 고속 데이터를 복원하는데 이용된다.

도 5는 본 발명에 따른 그레이 매핑 8 PSK MLC/PID 기법의 등가 부채널의 용량(AWGN)을 나타낸 도면이다.

채널 용량 결과에 따르면, PID 기법에 대한 R_s= 2 bit/symbol 에서의 개별 부호율 분포는 R₀/R₁/R₂ = 0.510/0.745/0.745가 된다[U. Wachsmann, R. F. H. Fischer, and J. B. Huber, "Multilevel codes: Theoretical concepts and practical design rules," IEEE Trans. on Inform. Theory, vol.45, pp.1361-1391, July 1999.],[J. Hou, P. H. Siegel, L. B. Milstein, and H. D. Pfister, "Capacity approaching bandwidth efficient coded modulation schemes based on low density parity check codes," IEEE Trans. on Inform. Theory, vol.49, no.9, Sept. 2003, pp.2141-2155.]. 따라서, 부호율 0.510의 낮은 부호율을 갖는 성분 부호는 저속 멀티미디어 데이터 전송에, 부호율 0.745 를 갖는 나머지 두 개의 높은 부호율의 성분 부호는 고속 멀티미디어 데이터를 8 PSK 변조의 MLC/PID에서 동시에 전송할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 LDPC 부호와 행렬 크기에 의한 비트 오류율 성능을 도시한 도면이다.

시뮬레이션 결과로부터, BPSK AWGN 채널에서 작은 LDPC 부호를 이용하는 것에 비해 두 배 크기의 LDPC 부호를 이용한 경우 대략 0.2 dB의 성능 개선을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

제안 MLC/PID 기법이 랜덤 레귤러 구성을 따르는 문헌[J. Hou, P. H. Siegel, L. B. Milstein, and H. D. Pfister, "Capacity approaching bandwidth efficient coded modulation schemes based on low density parity check codes," IEEE Trans. on Inform. Theory, vol.49, no.9, Sept. 2003, pp.2141-2155.]의 BICM을 이용하는 일반적 MLC/PID 기법에 비해 부호율 0.745 및 부호율 0.510 에서 약 0.2 dB의 성능 개선이 가능함을 알 수 있다. 수치해석 결과, 제안 기법에 의해 멀티미디어 통신 시스템의 전력 효율 및 대역폭 효율 모두 기존 방식에 비해 우수함을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 의한 반-BICM 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송수신 장치에 따르면,

채널 용량의 손실 없이 BER의 개선이 가능하여 멀티미디어 통신 시스템에 적합할 뿐만 아니라 MLC/PID의 구성을 위한 성분 부호의 수를 줄일 수 있으므로 기존 방식에 비해 LDPC 부호기와 복호기 하나씩을 절약할 수 있는 장점이 있다.

Claims

반-BICM 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송수신 장치에 있어서,

서로 다른 부호 길이와 부호율을 갖는 구성 부호를 이용할 수 있도록 그레이 매핑에 의해 다중 레벨 부호와 반-BICM을 결합함으로써 서로 다른 부호율을 갖는 저속 및 고속의 멀티미디어 데이터를 하나의 반송파에 실어 동시에 송수신이 가능하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 부호 송수신 장치
반-BICM 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송수신 장치에 있어서,

서로 다른 부호 길이와 부호율을 갖는 구성 부호를 이용할 수 있도록 그레이 매핑에 의해 다중 레벨 부호와 반-BICM을 결합하여 서로 다른 부호율을 갖는 저속 및 고속의 멀티미디어 데이터를 하나의 반송파에 실어 동시에 송신 가능하도록 구성하는 것 및

상기 구성에 의해 비트 오류율 및 채널 용량의 개선을 달성하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 부호 송신 장치.
반-BICM 기법을 이용하는 다중 레벨 부호 송수신 장치에 있어서,

서로 다른 부호 길이와 부호율을 갖는 구성 부호를 이용할 수 있도록 역 그레이 매핑, 직병렬 변환기, 역 인터리버를 결합하여 서로 다른 부호율을 갖는 저속 및 고속의 멀티미디어 데이터를 하나의 반송파에서 분리하여 동시에 복원 가능하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 다중 레벨 부호 수신 장치.