KR20130022777A - 해상통신용 다중 반송파 부호분할 다중접속 통신에서의 주파수 효율 향상 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 해상통신을 위한 MC DS/CDMA 시스템에서 전송 전력 혹은 전송률 적응화 방식이 결합되어 적용되었다. 주파수 영역 전력 적응화 방식으로서 최대 채널 이득을 갖는 부채널에 전송 전력을 할당한다. 그리고 목표하는 전송 품질을 유지하기 위하여 시간 영역에서 전송률을 적응적으로 조정한다. 이러한 본 발명을 RAKE 수신기를 사용하는 전력 혹은 전송률 적응화된 SC 시스템과 비교, 분석한 결과에 의하면, MC DS/CDMA 시스템에서의 결합 전력 및 전송률 적응화 방식이 기존의 SC-RAKE 시스템에서의 적응화 방식에 비하여 성능 향상이 있다.
Description
본 발명은 해상통신을 위한 MC DS/CDMA 시스템에서 전송 전력 혹은 전송률 적응화 방식이 결합되어 적용되었다. 주파수 영역 전력 적응화 방식으로서 최대 채널 이득을 갖는 부채널에 전송 전력을 할당한다. 그리고 목표하는 전송 품질을 유지하기 위하여 시간 영역에서 전송률을 적응적으로 조정하는 것을 제시한다.
제시한 방식의 성능을 RAKE 수신기를 사용하는 전력 혹은 전송률 적응화된 SC 시스템과 비교, 분석하였으며, 결과적으로 MC DS/CDMA 시스템에서의 결합 전력 및 전송률 적응화 방식이 기존의 SC-RAKE 시스템에서의 적응화 방식에 비하여 성능 향상이 있다.
많은 다중 반송파 (multi-carrier, MC) 전송기법이 높은 데이터 전송률, 대역 이용 효율성, 주파수 다양성, 저속 병렬 신호처리 사용 가능성, 간섭 배제 등의 장점을 얻기 위하여 부호분할 다중접속 (code division multiple access, CDMA) 통신방식에 접목되어 왔다. 이렇게 연구된 방식들을 분류하면 크게 주파수 영역 확산과 MC 변조를 결합한 방식과 시간 영역 확산과 MC 변조를 사용한 방식으로 구분할 수 있다. 특히, 두 번째 방식에 해당하는 MC에 기반한 직접 순열 (direct sequence, DS) CDMA 방식은 경로 다중성을 사용한 단일 반송파 (single carrier, SC) DS/CDMA 방식과 비교했을 때 주파수 선택적 감쇄 채널에서는 두 방식이 대등한 비트 오류율 (bit error rate, BER) 특성을 보이지만, 협대역 간섭이 있는 채널에서는 MC 방식이 월등히 좋은 성능을 보였다.
일반적으로 송수신기에 채널의 현 상태에 대한 정보가 주어지면, 송수신기는 이 정보를 이용하여 효과적인 방식으로 채널 페이딩에 적응할 수 있다. 예를 들어, 현재 상용화된 CDMA 시스템에서는 채널상태에 따라 전력 또는 전송률을 적응적으로 전송하고 있다. 전송률 적응화와 전력 및 전송률이 결합 적응되었을 때의 DS/CDMA 시스템에 관해서는 더욱 일반화 되었다. MC DS/CDMA 시스템에서 워터-필링 알고리듬을 사용한 부주파수 시퀀스 선택방안에 대하여 연구되었으며 순방향 채널에서의 MC DS/CDMA를 위한 적응적 부채널 할당 방안에 대하여 연구하였지만, 시간 영역에서의 동적 전력 및 전송률 할당에 대해서는 충분히 연구되지 못했었다.
본 발명에서는 해상통신을 위하여서 MC DS/CDMA 통신에서의 주파수-시간 영역에서 전력 및 전송률을 효과적으로 할당하여 주파수 효율을 향상시키고자 한다. 제안하는 방식은 송수신기 간의 신호기능을 통하여 채널 상태 정보 (channel state information)를 이상적으로 알고 있다고 가정한다. 주파수 영역에서의 전력 할당 방식으로서 기존의 모든 반송파 대역으로 신호를 전송하는 대신에 최대의 채널이득을 갖는 반송파 대역으로만 신호를 전송하는 것을 제안한다. 본 발명에서는 역방향 채널을 고려하기 때문에 최대 채널 이득을 갖는 반송파 대역으로의 전력 할당은 많은 다중사용자 간섭을 유발할 수 있다.
그러므로 본 발명에서는 이런 단점을 보완하면서 목표하는 전송 품질을 유지하기 위하여 시간 영역에서 전송률 적응화를 결합 사용하는 것을 제안하였다. 제안한 결합된 전력 및 전송률 적응화 방식을 평균 전력이 고정되어 있는 환경에서 성능 분석을 하였고, 그 결과를 단일 반송파를 사용한 SC-RAKE 시스템에서의 전력 및 전송률 적응화 시스템과 비교, 분석하였다. 수치적 해석을 통한 결과들을 통하여 MC DS/CDMA 시스템에서 제안한 주파수-시간 영역의 결합 전력 및 전송률 적응화 방식이 기존의 전력 혹은 전송률 적응 방식을 사용한 SC-RAKE 시스템에 비하여 향상된 성능을 보인다고 평가할 수 있었다.
본 발명은 해상통신을 위한 MC DS/CDMA 시스템에서 전송 전력 혹은 전송률 적응화 방식이 결합되어 적용되었다. 주파수 영역 전력 적응화 방식으로서 최대 채널 이득을 갖는 부채널에 전송 전력을 할당하였다. 그리고 목표하는 전송 품질을 유지하기 위하여 시간 영역에서 전송률을 적응적으로 조정하는 것을 제시한다. 제시한 방식의 성능을 RAKE 수신기를 사용하는 전력 혹은 전송률 적응화된 SC 시스템과 비교, 분석하였으며, 결과적으로 MC DS/CDMA 시스템에서의 결합 전력 및 전송률 적응화 방식이 기존의 SC-RAKE 시스템에서의 적응화 방식에 비하여 성능 향상이 있다.
본 발명의 일면에 따른 해상통신용 MC DS/CDMA 통신에서의 주파수 효율 향상 방법은 해상 통신용 다중 반송파 부호분할 다중 접속 통신(Multi-Carrier Direct Sequence Code Division Multiple Access: MC DS/CDMA) 에서 주파수 영역 전력 적응화 방식으로서 최대 채널 이득을 갖는 부채널에 전송 전력을 할당하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 목표하는 전송 품질을 유지하기 위하여, 시간 영역에서 상기 전송률을 적응적으로 조정하는 것을 특징으로 하는 해상통신용 MC DS/CDMA 통신에서의 주파수 효율 향상 방법.
본 발명은 해상통신의 MC DS/CDMA 시스템에서 전송 전력 혹은 전송률 적응화 방식이 결합되어 적용되었다. 주파수 영역 전력 적응화 방식으로서 최대 채널 이득을 갖는 부채널에 전송 전력을 할당하였다. 그리고 목표하는 전송 품질을 유지하기 위하여 시간 영역에서 전송률을 적응적으로 조정하는 것을 제시한다. 제시한 방식의 성능을 RAKE 수신기를 사용하는 전력 혹은 전송률 적응화된 SC 시스템과 비교, 분석하였으며, 결과적으로 MC DS/CDMA 시스템에서의 결합 전력 및 전송률 적응화 방식이 기존의 SC-RAKE 시스템에서의 적응화 방식에 비하여 성능 향상이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 MC DS/CDMA 방식의 송수신기 구조를 보여주는 도면으로서, 도 1의 (a)는 송신기의 구조이고, (b)는 수신기의 구조이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 MC-DS/CDMA 통신 시스템에서는, 전체 사용 대역을 겹치지 않는 개의 동일한 대역폭의 부대역(sub-band)으로 나누어 사용한다. 송신 정보는 각각 개 확산수열로 변조되어, 각기 부주파수 공간에 전송된다.
본 발명에서는 채널 모델로써 주파수 선택적인 레일리 특성을 갖고 각 부주파수 안에서는 주파수 비선택적이며, 또한 각 부반송파 대역 상호간에는 채널 특성이 독립적인 채널을 가정한다. 이러한 특성을 만족하는 채널은 부채널의 수 을 적절히 선택함으로서 가능하다고 입증되었다. 또한 다중 경로 페이딩에 의한 채널 특성은 단위 데이터 전송 구간에 비하여 충분히 느리게 변화한다고 가정한다.
여기서 와 은 데이터를 전송중인 전체 사용자의 수와 사용자 의 번째 부대역을 통해서 수신된 신호의 지연시간을 표시한다. 그리고, 은 위상 오프셋을 표시한다. 이때, 확률 변수 와 은 서로 독립적이며 각각 한 비트 구간과 범위에서 균일 분포를 따른다고 가정하고, 은 사용자 의 번째 부대역의 전력이득을 나타내는 기하분포 확률변수로서, 확률밀도함수인 [수학식 3]과 [수학식 4]를 따른다.
여기서 는 한 비트 구간이고, 입력 데이터 는 모든 사용자에 대하여 +1과 -1의 값을 1/2의 확률로 갖는다고 가정한다. 상기 수학식 5에서 첫 번째 항은 수신하고자 하는 신호이고, 두 번째 항 은 다른 사용자의 간섭 신호, 는 평균이 0이고 분산이 인 백색 가우시안 잡음을 나타낸다. 특히, 는 아래의 수학식 6으로 표현할 수 있다.
본 발명에서는 상기 수신 전력이득의 값으로 다양성 결합의 최적 형태인 것으로 알려진 를 사용한다. 최종적으로 사용자 의 결합기는 결정 통계량 을 만들어 내고, 결합기 출력의 최종 신호대 간섭비 는 아래의 수학식 7과 같이 구해진다.
본 발명에서는 우선 각 사용자들의 DS 신호를 모든 부반송파 채널에 병렬로 전송하는 것이 아니라 가장 채널이득이 큰 한 부반송파 채널에만 전송을 하는 것을 고려한다. 이 경우 전송 전력이득 은 아래의 수학식 8로 주어진다.
상기 수학식 8과 같이 전송 전력이 할당된 상태에서 수신 를 목표값으로 유지시키기 위하여 전송률을 조정하는 것을 고려한다. 즉, 이것은 주파수 영역에서의 전력 적응화와 시간 영역에서의 전송률 적응화가 결합된 형태이다. 상기 수학식 7과 상기 수학식 8로부터 를 원하는 목표값 로 유지하기 위해서는 전송률이 아래의 수학식 11과 같이 주어진다.
동일한 부반송파 채널을 통하여 연속하는 두 비트를 전송할 확률인 은 랜덤하고 메모리가 없는 경우에 로 유도될 수 있다. 이러한 결합된 전력 및 전송률 적응화를 사용할 경우 얻을 수 있는 평균 데이터 전송률은 아래의 수학식 14와 같고,
이때, I는 아래의 수학식 15와 같다.
상기 수학식 12, 14, 16으로부터 제안한 방식의 평균 데이터 전송률은 아래의 수학식 19와 같이 표현된다.
제안한 다중 반송파 DS/CDMA 시스템에서의 결합 전력 및 전송률 적응화 방식의 성능을 RAKE 수신기를 사용하고, 전력과 전송률을 적응화 하는 단일 반송파 DS/CDMA과 비교해 보겠다.
우선 비교의 공평성을 위하여 다음과 같이 가정하였다.
SC-RAKE 시스템의 분해 가능한 경로의 수 은 MC 시스템의 반송파 수 과 같다. SC-RAKE 시스템에서 사용자 의 각각의 다중 경로 에 대한 채널이득 는 독립적이고, 동일한 확률분포 함수를 갖는다.
도 2를 참조하면, MC DS/CDMA 시스템에서 제안한 주파수-시간 영역에서의 결합 전력 및 전송률 적응화 방식의 성능이 기존의 SC-RAKE 시스템에서의 전력 혹은 전송률 적응화 방식에 비하여 높은 평균 데이터 전송률을 보이고 있다. 이것은 제안한 방식이 원하는 전송 품질을 유지하기 위하여 과 와 같은 채널의 변화에 전송률을 조정함으로써 대처하기 때문이다.
특히 제안된 시스템에서의 채널 이득이 단일 반송파 시스템에서의 채널 이득에 비하여 평균값이 더 커지게 되는데, 이것은 시간 영역에서의 전송률 적응화 방식의 성능을 향상시키는 결정적인 역할을 한다. 그러므로 다중 반송파 채널의 수 값이 커질수록 MC DS/CDMA 시스템과 SC-RAKE 시스템의 채널 이득의 평균값은 더욱 차이가 나게 되고, 제안한 방식의 더욱 효율적으로 주파수 대역폭을 사용하게 된다.
만약 평균 데이터 전송률을 전체 주파수 대역폭으로 나누면 평균 주파수 효율을 비트/초/헤르쯔로 구할 수 있다.
도 3을 참조하며, SC-RAKE 시스템에서 전력 적응화가 적용되었을 때는 평균 주파수 효율이 최대화되는 최적의 대역폭이 존재함을 관찰할 수 있다. 이것은 SC-RAKE 시스템에서는 값이 감소할수록 RAKE 수신기의 결합 능력이 줄어들고 실제적인 처리이득이 줄어들어서 평균 데이터 전송률을 감소시키는 효과가 있기 때문이다.
하지만 양쪽 시스템 모두 필요한 대역폭 또한 감소되는 효과가 있다. 즉, 대역폭을 증가(혹은 감소) 시키는 것은 평균 주파수 효율에 두 개의 상반되는 효과를 일으키는 것이다.
도 3에서부터 전송률 적응화가 사용되었을 경우에는 평균 주파수 효율이 대역폭에 따라 단조 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 이것은 전송률 적응화가 사용되었을 경우에는 모든 주파수 대역폭 범위에서 요구되는 대역폭을 줄여주는 것이 평균 주파수 효율에 중대한 효과가 있다는 것을 의미한다.
Claims (2)
- 해상 통신용 다중 반송파 부호분할 다중 접속 통신(Multi-Carrier Direct Sequence Code Division Multiple Access: MC DS/CDMA) 에서 주파수 영역 전력 적응화 방식으로서 최대 채널 이득을 갖는 부채널에 전송 전력을 할당하는 것을 특징으로 하는 해상통신용 MC DS/CDMA 통신에서의 주파수 효율 향상 방법.
- 제1항에 있어서, 목표하는 전송 품질을 유지하기 위하여, 시간 영역에서 상기 전송률을 적응적으로 조정하는 것을 특징으로 하는 해상통신용 MC DS/CDMA 통신에서의 주파수 효율 향상 방법.
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KR1020110085681A KR20130022777A (ko) | 2011-08-26 | 2011-08-26 | 해상통신용 다중 반송파 부호분할 다중접속 통신에서의 주파수 효율 향상 방법 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN108668352A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-10-16 | 浙江大学 | 一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法 |
WO2022086468A1 (en) * | 2020-10-19 | 2022-04-28 | Istanbul Medipol Universitesi | Channel-dependent mc-cdma utilizing adaptive spreading codes aided physical layer security |
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2011
- 2011-08-26 KR KR1020110085681A patent/KR20130022777A/ko not_active Application Discontinuation
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CN108668352A (zh) * | 2018-04-27 | 2018-10-16 | 浙江大学 | 一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法 |
CN108668352B (zh) * | 2018-04-27 | 2021-01-08 | 浙江大学 | 一种基于多波束功率分配的海洋通信QoS保障方法 |
WO2022086468A1 (en) * | 2020-10-19 | 2022-04-28 | Istanbul Medipol Universitesi | Channel-dependent mc-cdma utilizing adaptive spreading codes aided physical layer security |
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