[논문 리뷰] BER Performance of Polar Coded OFDM in Multipath Fading

David Wasserman, Ahsen U. Ahmed외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 30.

Error Correcting Code Techniques참고 문헌 14인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 비정적 다중 경로 fading 채널에서 펄스 코드화된 OFDM의 비트 오류율(BER) 성능을 평가하며, 펄스 코드와 컨volution 코드를 비교하고 간섭기법의 영향을 분석한다. 결과적으로 이러한 fading 환경에서 펄스 코드가 컨volution 코드보다 유의미한 코딩 이득을 보이지 않음을 보여주며, 최적화된 코드 설계 및 간섭기법을 통한 향상 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has gained a lot of popularity over the years. Due to its popularity, OFDM has been adopted as a standard in cellular technology and Wireless Local Area Network (WLAN) communication systems. To improve the bit error rate (BER) performance, forward error correction (FEC) codes are often utilized to protect signals against unknown interference and channel degradations. In this paper, we apply soft-decision FEC, more specifically polar codes and a convolutional code, to an OFDM system in a quasi-static multipath fading channel, and compare BER performance in various channels. We investigate the effect of interleaving bits within a polar codeword. Finally, the simulation results for each case are presented in the paper.

연구 동기 및 목표

• 비정적 다중 경로 fading 채널에서 펄스 코드화된 OFDM의 BER 성능을 평가하는 것.
• fading 조건 하에서 오류 수정 능력 측면에서 펄스 코드와 컨volution 코드를 비교하는 것.
• OFDM 시스템에서 다양한 간섭기법(블록 비트, 역순셔플)이 펄스 코드 성능에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 동일한 코드 설계를 사용할 때 레일라이 페이딩 채널과 AWGN 유사 조건에서 펄스 코드가 컨volution 코드보다 코딩 이득을 제공하는지 여부를 판단하는 것.

제안 방법

• 펄스 코드와 코드 레이트 0.5를 사용하여 N=1024의 블록 크기로 QPSK 변조된 OFDM을 사용한다.
• FEC 인코딩은 펄스 코드(연속 취소 리스트 디코딩 사용) 또는 컨volution 코드를 통해 적용된다.
• 비트 오류를 서브캐리어 간에 분산시키기 위해 블록 비트 및 역순셔플 간섭기법이 적용된다.
• 채널 모델은 지수 및 균일한 지연 프로파일을 가진 레일라이 페이딩과 10 dB 감쇠를 가진 이중 경로 페이딩을 포함한다.
• 각 채널에 대해 다섯 번의 몬테카를로 시뮬레이션을 실시하여 수렴 곡선의 선형 보간을 통해 BER을 10⁻⁵로 추정한다.
• 비코딩, 컨volution 코드화, 펄스 코드화된 OFDM 시스템을 네 가지 다른 다중 경로 페이딩 시나리오에 대해 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정적 다중 경로 페이딩 채널에서 OFDM 시스템에서 펄스 코드화가 컨volution 코드화보다 BER 성능 향상을 가져오는가?
• RQ2 주파수 선택적 페이딩 환경에서 간섭기법은 펄스 코드화된 OFDM의 BER 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 동일한 코드 설계를 사용할 때, 레일라이 페이딩 채널에서의 펄스 코드 성능은 AWGN 유사 조건에서와 비교해 유사한가?
• RQ4 간섭기법의 선택이 OFDM 시스템에서 펄스 코드의 오류 수정 능력에 상당한 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ5 심한 페이딩 조건에서 펄스 코드와 컨volution 코드 간의 성능 격차가 커지며, 이를 완화할 수 있는 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 레일라이 페이딩 채널 A와 B에서 최고의 컨volution 코드 성능은 E_b/N_0 11.9 dB(채널 B, 역순셔플)를 요구하였고, 최고의 펄스 코드는 12.2 dB를 요구하여 코딩 이득이 없음을 시사한다.
• 심한 페이딩 조건을 보이는 채널 C와 D에서는 BER 10⁻⁵를 달성하기 위해 펄스 코드와 컨volution 코드 모두 E_b/N_0 값이 25 dB 이상을 필요로 하여 심한 페이딩에서 신뢰성이 떨어짐을 보여준다.
• 블록 비트 간섭기법은 채널 A와 B에서 컨volution 코드 성능을 향상시켜 오류 버스트를 서브캐리어 간에 분산시켰다.
• 펄스 코드는 항상 컨volution 코드를 능가하지 못했으며, 일부 경우에서 컨volution 코드가 펄스 코드보다 낮은 E_b/N_0에서 BER 10⁻⁵를 달성하였다.
• 심한 페이딩이 있는 채널(예: 채널 C와 D)에서는 평균 서브캐리어 에너지가 임계값 이하로 떨어져 두 코드의 성능이 크게 악화되었으며, 이는 신뢰성 있는 디코딩을 어렵게 했다.
• 에르고딕 레일라이 페이딩 IT 채널에서 펄스 코드는 E_b/N_0 = 5.1 dB에서 BER 10⁻⁵를 달성하였고, 컨volution 코드는 9.1 dB를 요구하였다. 이는 이상화된 비페이딩 조건에서는 코딩 이득이 가능함을 시사한다.