[논문 리뷰] Analysis of Network Coding Schemes for Differential Chaos Shift Keying Communication System

Georges Kaddoum, Mohammed El‐Hajjar|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 12.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 45인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 다중경로 레이일레이 페이딩 채널에서 간섭을 완화하기 위해 차분 혼돈 시프트 키싱(DCSK) 통신 시스템을 위한 새로운 네트워크 코딩 방식을 제안한다. 중계기에서 시간분할 또는 주파수분할 multiplexing을 사용해 사용자 신호를 분리함으로써, 제안된 방식은 기존의 물리계층 네트워크 코딩(PNC) 및 아날로그 네트워크 코딩(ANC)보다 비트 오류율(BER)에서 뛰어난 성능을 보이며, 낮은 복잡도를 유지하면서도 더 높은 Throughput와 스펙트럼 효율성을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper we design network coding schemes for Differential Chaos Shift Keying (DCSK) modulation. In this work, non-coherent chaos-based communication system is used due to its simplicity and robustness to multipath propagation effects, while dispensing with any channel state information knowledge at the receiver. We propose a relay network using network coding and DCSK, where we first present a Physical layer Network Coding (PNC) scheme with two users, $\mathcal{A}$ and $\mathcal{B}$, sharing the same spreading code and bandwidth, while synchronously transmitting their signals to the relay node $\mathcal{R}$. We show that the main drawback of this design in multipath channels is the high level of interference in the resultant signal, which severely degrades the system performance. Hence, in order to address this problem, we propose two coding schemes, which separate the users' signals in the frequency or the time domains. We show also in this paper that the performance of the Analog Network Coding (ANC) with DCSK modulation suffers from the same interference problem as the PNC scheme. We present the analytical bit error rate performance for multipath Rayleigh fading channel for the different scenarios and we analyse these schemes in terms of complexity, throughput and link spectral efficiency.

연구 동기 및 목표

• 다중경로 레이일레이 페이딩 채널에서 기존 PNC-DCSK 및 ANC-DCSK 방식에서 신호 겹침으로 인한 높은 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 중계기에서 사용자 신호를 분리함으로써 비트 오류율(BER), Throughput 및 스펙트럼 효율성 측면에서 시스템 성능을 향상시키기 위해.
• 기존의 PNC 및 ANC 접근 방식과 비교하여 시간분할 및 주파수분할 multiplexed 네트워크 코딩 방식의 성능을 분석하고 비교하기 위해.
• 실제 페이딩 조건 하에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 BER 표현식을 검증하기 위해.
• 시간 또는 주파수 도메인에서의 신호 분리가 DCSK 기반 협동 네트워크에서 시스템 신뢰성과 효율성을 크게 향상시키며, 기존 PNC 및 ANC의 한계를 극복하는 데 유용한 솔루션임을 입증하기 위해.

제안 방법

• 사용자들이 별도의 시간 슬롯에서 순차적으로 중계기로 전송함으로써 별도의 디코딩과 재전송이 가능한 시간분할 네트워크 코딩 방식(Scheme 2)을 제안한다.
• 각 사용자에게 별도의 주파수 대역을 할당하여 중계기에서 수직 신호 분리를 가능하게 하는 주파수분할 네트워크 코딩 방식(Scheme 3)을 도입한다.
• 다중경로 레이일레이 페이딩 하에서 모든 방식의 최종 엔드 투 엔드 비트 오류율(BER) 이론적 표현식을 유도하며, 채널 이득과 지연 스프레드를 고려한다.
• 다양한 스프레딩 인자(β = 25, 50)와 채널 조건에서 이론적 BER 성능을 검증하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 시간분할 및 주파수분할 방식 간의 시스템 Throughput와 링크 스펙트럼 효율성 간의 상호 교환 관계를 비교하며, 데이터 전송률과 스펙트럼 효율성 간의 트레이드오프를 분석한다.
• 표준 네트워크 코딩 원칙—예를 들어 PNC의 XOR 기반 중계 및 ANC의 강화 및 전달 방식—을 비협응 DCSK 변조 프레임워크에 적응시켜 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 PNC-DCSK 및 ANC-DCSK 방식에서 신호 겹침이 다중경로 레이일레이 페이딩 채널에서 성능을 어떻게 악화시키는가?
• RQ2 중계기에서 시간분할 또는 주파수분할 multiplexing을 통해 DCSK 기반 네트워크 코딩에서 간섭을 줄이고 BER 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 DCSK에 대한 시간분할 대비 주파수분할 네트워크 코딩 방식 간의 Throughput와 스펙트럼 효율성 간의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ4 실제 페이딩 조건 하에서 제안된 방식의 이론적 BER 표현식과 시뮬레이션 결과 간의 비교는 어떻게 이루어지는가?
• RQ5 시간 또는 주파수 도메인에서의 신호 분리가 DCSK 기반 협동 네트워크에서 기존 PNC 및 ANC를 얼마나 뛰어나게 하는가?

주요 결과

• PNC-DCSK 방식은 사용자 데이터와 기준 신호 간의 교차 곱항으로 인해 심각한 간섭을 경험하여 다중경로 환경에서 높은 BER을 유발한다.
• 제안된 시간분할 방식(Scheme 2)은 PNC-DCSK 및 ANC-DCSK보다 더 우수한 BER 성능을 보이며, BER = 10^-3일 때 약 3 dB의 SNR 이득을 확보한다.
• 주파수분할 방식(Scheme 3)은 시간분할 방식(Scheme 2) 대비 1.5배 높은 Throughput를 제공하지만, 스펙트럼 효율성이 0.75만큼 낮아진다.
• 시뮬레이션 결과, 다양한 스프레딩 인자(β = 25, 50)와 채널 파rameter 하에서 이론적 BER 표현식이 몬테카를로 결과와 매우 유사하게 일치함을 확인하였다.
• ANC-DCSK 방식은 중계기에서 노이즈를 증폭하고 전달함으로써 다중경로 페이딩 환경에서 간섭을 악화시키므로, PNC-DCSK보다 성능이 열 劣하다.
• 시간 또는 주파수 도메인에서의 신호 분리는 시스템 신뢰성을 크게 향상시키며, 기존 PNC 및 ANC의 한계를 극복하기 위한 실현 가능한 솔루션임을 입증하였다.