[論文レビュー] Image transmission over OFDM channel with rate allocation scheme and minimum peak-toaverage power ratio

Usama S. Mohammed, H. A. Hamada|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2010

PAPR reduction in OFDM参考文献 21被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、レート割り当てとパワーピーク比（PAPR）低減を統合した、新しいOFDMベースの画像伝送方式を提案する。SPIHT符号化ビットストリームを4つの重要度に基づくグループに分割し、リード・ソロモン符号化と選択的インターリーブを用いた最適化された不均等エラー保護（UEP）を適用することで、従来のPAPR低減法および耐障害性の高い符号化技術よりも、シミュレーションで顕著なBERおよびPSNRの向上を達成する。

ABSTRACT

This paper proposes new scheme for efficient rate allocation in conjunction with reducing peak-to-average power ratio (PAPR) in orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) systems. Modification of the set partitioning in hierarchical trees (SPIHT) image coder is proposed to generate four different groups of bit-stream relative to its significances. The significant bits, the sign bits, the set bits and the refinement bits are transmitted in four different groups. The proposed method for reducing the PAPR utilizes twice the unequal error protection (UEP), using the Read-Solomon codes (RS), in conjunction with bit-rate allocation and selective interleaving to provide minimum PAPR. The output bit-stream from the source code (SPIHT) will be started by the most significant types of bits (first group of bits). The optimal unequal error protection (UEP) of the four groups is proposed based on the channel destortion. The proposed structure provides significant improvement in bit error rate (BER) performance. Performed computer simulations have shown that the proposed scheme outperform the performance of most of the recent PAPR reduction techniques in most cases. Moreover, the simulation results indicate that the proposed scheme provides significantly better PSNR performance in comparison to well-known robust coding schemes.

研究の動機と目的

• OFDMシステムにおける高いPAPRがスペクトル効率とパワー増幅器の線形性を低下させる問題に対処すること。
• 圧縮ビットストリームの重要度階層を活用して、OFDMチャネル上での画像伝送の信頼性を向上させること。
• ビットストリームのグループ化と保護を知的に設計することで、PAPRを最小限に抑えつつ、チャネル歪みに対して耐性を保つこと。
• 従来の方式よりも優れたビット誤り率（BER）およびピーク信号対雑音比（PSNR）性能を達成すること。
• SPIHT符号化画像データの重要度レベルに特化した最適な不均等エラー保護（UEP）戦略を開発すること。

提案手法

• ソース符号化器は、4つの異なるビットストリームグループ（顕著ビット、符号ビット、セットビット、リファインメントビット）を生成するように変更されたSPIHTアルゴリズムを用いる。
• 各ビットストリームグループには、その重要度と誤りに対する感受性に基づいて、異なるレベルの不均等エラー保護（UEP）が割り当てられる。
• リード・ソロモン（RS）符号化を2回適用し、異なる符号率を用いることで、より重要なビットグループに対する保護を強化する。
• 選択的インターリーブを用いることで、サブキャリア全体にエネルギーを分散させ、PAPRをさらに低減する。
• ビットストリームをOFDMサブキャリアにマッピングし、最も重要なビットに優先的なパワー割り当てを実施する。
• システム設計は、チャネル歪み特性に基づいてUEP割り当てを最適化し、信頼性を最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エラー耐性を損なわせることなく、OFDMベースの画像伝送におけるPAPRをどのように低減できるか？
• RQ2 圧縮画像ビットストリームの異なる重要度レベルに最適な不均等エラー保護（UEP）の割り当ては何か？
• RQ3 RS符号化と選択的インターリーブを組み合わせることで、OFDMシステムにおけるPAPRはどの程度低減できるか？
• RQ4 提案手法は、従来の耐障害性の高い符号化およびPAPR低減技術と比較して、BERおよびPSNR性能でどの程度優れているか？
• RQ5 重要度に基づくビットストリーム分割戦略は、高いPAPR条件下で全体の画像伝送品質を向上させることができるか？

主な発見

• 提案手法は、標準的な符号化を用いた従来のOFDMシステムと比較して、顕著なビット誤り率（BER）性能の向上を達成する。
• シミュレーション結果から、提案手法はさまざまな信号対雑音比（SNR）レベルにおいて、最近の主なPAPR低減技術を上回るBER性能を示す。
• 特に低SNR値において、有名な耐障害性の高い符号化方式よりも顕著に優れたPSNR性能を提供する。
• 選択的インターリーブと2回のRS符号化を組み合わせることで、PAPRを効果的に低減するとともに、高いデータ整合性を維持できる。
• ビットの重要度に基づく最適なUEP割り当ては、特に最も重要な画像データ要因に対して誤り耐性を向上させる。
• 重要度に基づくビットストリームグループ化と適応的保護の組み合わせにより、帯域制限のあるOFDMチャネルに適した耐障害性の高い伝送フレームワークが実現できる。