[논문 리뷰] New Reconfigurable L-Band Digital Aeronautical Communication System

Niharika Agrawal|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 17.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 선형 위상 다중대역 FIR 필터를 사용하여 186 kHz에서 732 kHz까지 가변 대역폭을 지원하는 재구성 가능한 필터링 OFDM(Ref-OFDM) 기반 L밴드 디지털 항공통신 시스템(LDACS)을 제안한다. 이는 기존 OFDM 대비 더 높은 스펙트럼 효율성과 더 낮은 대역외 방출을 달성하여 DME 신호와의 효율적 공존 및 확장 가능한 다중 사용자, 다중대역 전송을 가능하게 한다.

ABSTRACT

To meet an ever-increasing demand of the spectrum for communication between aircraft and ground terminals, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) based L-band (960-1164MHz) Digital Aeronautical Communication System (LDACS) has been recently proposed as an alternative to existing narrowband systems. However, OFDM based LDACS needs additional control signaling for time and frequency alignment and the use of cyclic prefix and high out-of-band emission limits the spectrum utilization efficiency to less than 50%. In this paper, a new waveform has been proposed which offers better spectrum utilization than OFDM without compromising on computational complexity and interference to legacy users in L-band. It also allows transceivers to dynamically adapt the transmission bandwidth to meet the desired quality of service. Since the proposed waveform employs a reconfigurable multiband linear phase filter, it is referred to as reconfigurable filtered OFDM (Ref-OFDM). Simulation results and extensive analysis show that the proposed Ref-OFDM offers around 40 dB better out-of-band emission than OFDM which in turn leads to significant increase in the transmission bandwidth for a given BER and interference constraints. The computational complexity of Ref-OFDM is slightly higher than that of OFDM but it is significantly less than other waveforms making Ref-OFDM an attractive waveform for next generation air-to-ground communications. An end to end hardware prototyping of LDACS-DME coexistence is also presented in this report.

연구 동기 및 목표

• 고대역외 방출로 인해 고정된 498 kHz로 제한되는 기존 OFDM 기반 LDACS의 스펙트럼 활용도 저하 문제를 해결한다.
• 현재 LDACS의 고정된 대역폭 할당 문제를 해결하기 위해 실시간으로 대역폭을 동적으로 조정할 수 있는 기능을 제공한다.
• 계수 재프로그래밍 없이도 다양한 대역폭을 지원할 수 있도록 재구성 가능한 선형 위상 다중대역 FIR 필터를 설계한다.
• 선형 위상 FIR 필터의 뛰어난 스펙트럼 형상화 능력을 활용해 L밴드(960–1164 MHz) 내 기존 DME 신호와의 효율적 공존을 가능하게 한다.
• 면적, 전력 소비, 지연 시간 제약 조건을 고려한 SoC 구현을 위한 하드웨어-소프트웨어 공동 설계 프레임워크를 개발한다.

제안 방법

• 고정된 498 kHz 할당을 대체하여 186 kHz에서 732 kHz까지 다양한 대역폭을 지원하는 일반화된 프레임 구조를 제안한다.
• 전송 및 수신 루프에 동일한 재구성 가능한 선형 위상 다중대역 FIR 필터를 사용하는 재구성 가능한 필터링 OFDM(Ref-OFDM) 트랜시iever를 구현한다.
• 필터 탭 전환을 통해 대역폭을 실시간으로 동적으로 조정할 수 있도록 설계하여 계수 재프로그래밍을 피한다.
• Zynq 시스템온칩(SoC) 기반으로 하드웨어-소프트웨어 공동 설계 접근법을 적용하여 신호 처리를 ARM 프로세서에, 밴드백 처리를 FPGA에 할당한다.
• 실제 채널 조건 하에서 실시간 무선 전송 검증을 위해 OFDM 트랜시iever를 AD9361 RF 프론트엔드와 통합한다.
• MATLAB 시뮬레이션과 하드웨어 프로토타이핑을 통해 비트 오류율(BER), 스펙트럼 마스크 준수 여부, 자원/전력 효율성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LDACS는 186–732 kHz 범위에서 스펙트럼 효율성과 DME 공존 조건을 유지하면서 유연하고 가변 대역폭 운영을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 재구성 가능한 FIR 필터는 대역외 방출을 최소화하고 다중대역 전송을 어떻게 지원하는가?
• RQ3 기존 OFDM 대비 Ref-OFDM 트랜시iever는 BER, 스펙트럼 마스크 준수 여부, 하드웨어 복잡성 측면에서 어떤 성능을 보이는가?
• RQ4 Zynq SoC에서 면적, 전력 소비, 지연 시간 제약 조건을 충족시키기 위한 최적의 하드웨어-소프트웨어 분할 전략은 무엇인가?
• RQ5 제안된 Ref-OFDM 시스템은 이방향 다중 사용자 및 다중대역 전송을 효과적으로 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 Ref-OFDM 기반 LDACS는 기존 OFDM의 고정된 498 kHz 제한을 초월하여 186 kHz에서 732 kHz까지 광범위한 가변 대역폭을 지원한다.
• 재구성 가능한 FIR 필터는 필터 계수를 재프로그래밍하지 않아도 동적 대역폭 조정이 가능하여 구현 복잡도를 감소시킨다.
• 시뮬레이션 결과, 대역외 방출(OOB) 성능이 향상되어 DME 공존 요구사항을 충족함을 입증하였다.
• 선형 위상 FIR 필터의 급격한 스펙트럼 루프오프 특성 덕분에 기존 DME 사용자에 대한 간섭이 감소하였다.
• Zynq SoC 기반 하드웨어 프로토타이핑을 통해 자원 활용도가 타당하고 동적 전력 스케일링이 가능함을 입증하였으며, AD9361 RF 프론트엔드와의 통합 가능성도 확인하였다.
• 단일 재구성 가능한 필터를 사용하여 다중 사용자 및 다중대역 전송을 지원하는 트랜시iever 설계는 확장 가능하고 효율적인 스펙트럼 사용을 가능하게 한다.