[논문 리뷰] Image transmission over OFDM channel with rate allocation scheme and minimum peak-toaverage power ratio

Usama S. Mohammed, H. A. Hamada|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 04.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 21인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비트레이트 할당과 피크 대 평균 전력비 (PAPR) 저감을 통합한 새로운 OFDM 기반 이미지 전송 방식을 제안한다. SPIHT 압축 비트스트림을 네 가지 중요도 기반 그룹으로 분할하고, Reed-Solomon 코딩과 선택적 인터리빙을 활용한 최적화된 비균형 오류 보호 (UEP)를 적용함으로써, 시뮬레이션에서 기존의 PAPR 저감 및 강건한 코딩 기법들을 능가하는 BER 및 PSNR 성능 향상을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• OFDM 시스템에서 스펙트럼 효율성과 전력 증폭기 선형성을 악화시키는 높은 PAPR 문제를 해결하기 위해.
• 압축된 비트스트림의 중요도 계층을 활용하여 OFDM 채널을 통해 이미지 전송의 신뢰성을 향상시키기 위해.
• 비트스트림의 그룹화와 보호 전략을 지능적으로 설계하여 PAPR를 최소화하면서도 채널 왜곡에 대한 강건성을 유지하기 위해.
• 기존 방식보다 더 나은 비트 오류율 (BER) 및 피크 신호 대 잡음비 (PSNR) 성능을 달성하기 위해.
• SPIHT 압축 이미지 데이터의 중요도 수준에 맞춤형으로 최적화된 비균형 오류 보호 (UEP) 전략을 개발하기 위해.

제안 방법

• 원천 인코더는 수정된 SPIHT 알고리즘을 사용하여 네 가지 다른 비트스트림 그룹(중요 비트, 부호 비트, 세트 비트, 정밀화 비트)을 생성한다.
• 각 비트스트림 그룹은 그 중요도와 오류에 대한 민감도에 따라 다른 수준의 비균형 오류 보호 (UEP)를 할당받는다.
• 중요도가 높은 비트 그룹에 대해 보다 강력한 보호를 제공하기 위해 다양한 코딩률을 적용한 두 번의 Reed-Solomon (RS) 코딩을 실시한다.
• 에너지가 서브캐리어에 균일하게 분포되도록 하여 PAPR를 추가로 감소시키기 위해 선택적 인터리빙을 적용한다.
• 비트스트림이 가장 중요한 비트를 우선적으로 고려한 전력 할당 방식으로 OFDM 서브캐리어에 매핑된다.
• 채널 왜곡 특성에 기반하여 UEP 할당을 최적화함으로써 신뢰성을 극대화하는 시스템 설계가 이루어진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오류 내성은 유지하면서 OFDM 기반 이미지 전송에서 PAPR를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 압축된 이미지 비트스트림의 다양한 중요도 수준에 대해 비균형 오류 보호 (UEP)를 최적의 방식으로 할당하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 RS 코딩과 선택적 인터리빙을 조합했을 때 OFDM 시스템에서 PAPR를 얼마나 효과적으로 저감할 수 있는가?
• RQ4 기존의 강력한 코딩 기법과 PAPR 저감 기술 대비 제안된 방식의 BER 및 PSNR 성능은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 중요도 기반 비트스트림 분할 전략이 고 PAPR 조건에서 전체 이미지 전송 품질을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방식은 표준 코딩을 사용한 기존 OFDM 시스템 대비 비트 오류율 (BER) 성능에서 뚜렷한 향상을 보였다.
• 시뮬레이션 결과, 다양한 신호 대 잡음비 (SNR) 수준에서 제안된 방법이 대부분의 최신 PAPR 저감 기법들보다 BER 성능에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 특히 저 SNR 값에서 잘 알려진 강력한 코딩 기법들보다 상당히 높은 PSNR 성능을 제공하였다.
• 선택적 인터리빙과 함께 두 번의 인코딩된 Reed-Solomon 코딩을 적용함으로써 PAPR는 효과적으로 저감되었고, 높은 데이터 무결성이 유지되었다.
• 비트의 중요도에 기반한 최적의 UEP 할당은 특히 가장 중요한 이미지 데이터 요소에 대해 오류 내성 향상에 기여하였다.
• 중요도 기반 비트스트림 그룹화와 적응형 보호 전략의 조합은 대역폭 제약이 있는 OFDM 채널에 적합한 강력한 전송 프레임워크를 제공하였다.