[논문 리뷰] An Efficient Inter Carrier Interference Cancellation Schemes for OFDM Systems

B. Sathish Kumar, K. R. Shankar Kumar외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 13.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 캐리어 주파수 오프셋으로 인해 영향을 받는 OFDM 시스템을 대상으로 ICI 제거 기법 세 가지—ICI 자기상쇄(Sc), 최대우도(ML) 추정, 확장 칼만 필터(EKF)—를 제안하고 평가한다. 시뮬레이션 결과, ML 및 EKF 방법이 비트 오류율과 대역폭 효율성에서 SC보다 뛰어나며, 특히 주파수 오프셋 조건에서 ML이 가장 우수한 성능을 보인다.

ABSTRACT

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has recently been used widely in wireless communication systems. OFDM is very effective in combating intersymbol interference and can achieve high data rate in frequency selective channel. For OFDM communication systems, the frequency offsets in mobile radio channels distort the orthogonality between subcarriers resulting in Inter Carrier Interference (ICI). ICI causes power leakage among subcarriers thus degrading the system performance. A wellknown problem of OFDM is its sensitivity to frequency offset between the transmitted and received carrier frequencies. There are two deleterious effects caused by frequency offset one is the reduction of signal amplitude in the output of the filters matched to each of the carriers and the second is introduction of ICI from the other carriers. This research work investigates three effective methods for combating the effects of ICI: ICI Self Cancellation (SC), Maximum Likelihood (ML) estimation, and Extended Kalman Filter (EKF) method. These three methods are compared in terms of bit error rate performance and bandwidth efficiency. Through simulations, it is shown that the three techniques are effective in mitigating the modulation schemes, the ML and EKF methods perform better than the SC method.

연구 동기 및 목표

• 캐리어 주파수 오프셋으로 인한 인터캐리어 간섭(ICI)으로 인한 OFDM 시스템 성능 저하를 해결하기 위함.
• ICI 제거 기법 세 가지—ICI 자기상쇄(Sc), 최대우도(ML) 추정, 확장 칼만 필터(EKF)—의 효과성을 평가하고 비교하기 위함.
• 주파수 오프셋 조건 하에서 각 방법의 비트 오류율(BER)과 대역폭 효율성 평가하기 위함.
• 실제 OFDM 시스템에서 ICI를 효과적으로 완화할 수 있는 가장 효율적이고 강건한 기법 식별하기 위함.

제안 방법

• ICI 자기상쇄(Sc) 방법은 ICI 성분의 대칭성을 활용하여 수신단에서 신호 재구성함으로써 간섭을 제거한다.
• 최대우도(ML) 추정은 수신된 신호와 기대되는 신호 간 오차를 최소화함으로써 주파수 오프셋과 ICI 성분을 추정하는 데 적용된다.
• 확장 칼만 필터(EKF)는 동적인 채널 환경에서 시간에 따라 변화하는 주파수 오프셋을 추적하고 ICI 성분을 순차적으로 추정하는 데 사용된다.
• 각 방법의 성능는 다양한 주파수 오프셋 수준에서 표준 OFDM 변조 방식을 사용하여 시뮬레이션을 통해 평가된다.
• BER와 스펙트럼 효율성이 세 기법 간 비교를 위한 핵심 지표로 사용된다.
• 모든 방법은 추가 백색 가우시안 노이즈(AWGN) 및 주파수 선택성 fading 채널을 갖는 OFDM 시스템 모델에서 구현되고 테스트되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OFDM 시스템에서 캐리어 주파수 오프셋 조건 하에서 SC, ML, EKF 방법은 비트 오류율(BER) 감소 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 주파수 오프셋 존재 조건에서 어떤 ICI 제거 기법이 가장 높은 대역폭 효율성을 제공하는가?
• RQ3 시간에 따라 변화하는 채널에서 EKF의 동적 추적 능력은 ML 및 SC의 정적 추정 방식과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 세 기법 간 복잡성과 ICI 제거 성능 향상 간의 성능 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ5 ML 및 EKF는 체계적 강건성과 오류 내성 측면에서 SC를 상당히 능가하는가?

주요 결과

• 최대우도(ML) 추정 방법은 모든 테스트 주파수 오프셋 수준에서 가장 낮은 비트 오류율(BER)을 달성하여 SC 및 EKF를 모두 능가한다.
• EKF 기반 방법은 시간에 따라 변화하는 주파수 오프셋을 추적하는 데 뛰어난 성능를 보이며, 급격히 변화하는 조건에서도 낮은 BER 유지를 유지한다.
• ICI 자기상쇄(Sc) 방법은 가장 높은 BER를 보이며, 특히 높은 주파수 오프셋에서 간섭 완화에 가장 효과적이지 않다.
• ML 및 EKF 방법은 모두 Sc보다 향상된 대역폭 효율성을 보이며, 특히 ML이 가장 뛰어난 스펙트럼 효율성을 제공한다.
• 시뮬레이션 결과, ML 및 EKF 방법은 Sc보다 ICI 성분 추정 및 제거 측면에서 더 강건하고 정확하다는 것이 확인되었다.
• ML과 EKF 간 성능 격차는 미미하지만, 모든 테스트 시나리오에서 ML이 약간 더 우수한 BER 성능를 지속적으로 달성한다.