[논문 리뷰] Orthogonal Chirp Division Multiplexing

Xing Ouyang, Jian Zhao|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 25.

Radar Systems and Signal ProcessingEngineering참고 문헌 49인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 동일한 대역폭 내에서 정규직교 선형 치르프 웨이브폼을 다중화하는 새로운 다Carrier 전송 방식인 직교 치르프 분할 다중접속(OCDM)을 제안한다. 신호 처리에는 프레넬 변환을 활용하며, 다중 경로 fading 채널에서 다중 경로 다양성을 활용하고 단일 탭 선형 이상보정기를 통해 효율적인 이상보정을 가능하게 하여 OFDM보다 뛰어난 성능을 보인다. 무선 환경에서의 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Chirp waveform plays a significant role in radar and communication systems for its ability of pulse compression and spread spectrum. This paper presents a principle of orthogonally multiplexing a bank of linear chirp waveforms within the same bandwidth. The amplitude and phase of the chirps are modulated for information communication. As Fourier trans-form is the basis for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), Fresnel transform underlies the proposed orthogonal chirp division multiplexing (OCDM). Digital implementa-tion of the OCDM system using discrete Fresnel transform is proposed. Based on the con-volution theorem of the Fresnel transform, the transmission of the OCDM signal is analyzed under the linear time-invariant or quasi-static channel with additive noise, which can gener-alize typical linear transmission channels. Based on the eigen-decomposition of Fresnel transform, efficient digital signal processing algorithm is proposed for compensating chan-nel dispersion by linear single- tap equalizers. The implementation details of the OCDM system is discussed with emphasis on its compatibility to the OFDM system. Finally, simula-tion are provided to validate the feasibility of the proposed OCDM under wireless channels. It is shown that the OCDM system is able to utilize the multipath diversity and outperforms the OFDM system under the multipath fading channels.

연구 동기 및 목표

• 무선 채널에서 더 높은 스펙트럼 효율성과 강인성을 확보하기 위해 치르프 웨이브폼을 사용하는 새로운 직교 다Carrier 변조 방식을 개발하기.
• OFDM이 푸리에 변환에 기반하는 것과 유사하게, 프레넬 변환에 기반한 OCDM의 이론적 기반을 구축하기.
• 실용적인 시스템 설계를 위한 이산 프레넬 변환을 활용한 OCDM의 디지털 구현 가능성을 확보하기.
• 가우시안 복합 가우시안 잡음이 첨가된 선형 시간 불변 또는 준정적 채널에서의 OCDM 성능 분석하기.
• 기존 OFDM 시스템과의 호환성을 입증하고, 다중 경로 fading 환경에서 성능 향상을 이끌어내기.

제안 방법

• OCDM 시스템은 공유 대역폭 내에서 변조된 진폭과 위상을 가진 정규직교 선형 치르프 웨이브폼을 사용하여 데이터 전송을 수행한다.
• 신호 처리는 OFDM에서 사용하는 푸리에 변환을 대체하는 프레넬 변환에 기반하며, 치르프의 직교 다중접속을 가능하게 한다.
• 이산 프레넬 변환을 활용하여 디지털 구현을 달성함으로써 효율적인 계산과 신호 처리를 가능하게 한다.
• 선형 시간 불변 또는 준정적 채널에서 가우시안 복합 가우시안 잡음이 첨가된 신호 전송을 모델링하기 위해 프레넬 변환의 복합 정리( convolution theorem )를 적용한다.
• 채널 분산을 보상하기 위해 프레넬 변환의 고유분해를 활용하여 효율적인 단일 탭 선형 이상보정기를 설계한다.
• 시스템 설계는 OFDM와의 호환성을 중시하여 기존 통신 인fra구조에의 통합 및 전환 가능성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공유 대역폭 내에서 프레넬 변환을 활용해 선형 치르프 웨이브폼의 직교 다중접속을 달성할 수 있는가?
• RQ2 기존 OFDM에 비해 OCDM은 다중 경로 fading 채널에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 프레넬 변환 기반 신호 처리를 통해 단일 탭 필터를 이용한 효율적 이상보정이 가능한가?
• RQ4 실제 무선 채널 조건 하에서 OCDM의 구현 가능성과 성능은 어떠한가?
• RQ5 OCDM는 다중 경로 다양성을 얼마나 잘 활용하여 시스템 신뢰성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• OCDM는 프레넬 변환을 활용하여 치르프 웨이브폼의 직교 다중접속을 성공적으로 달성하였으며, 이는 효율적인 다Carrier 전송을 가능하게 한다.
• 다중 경로 fading 채널에서 OFDM에 비해 더 낮은 비트 오류율(BER) 성능을 보이며, 특히 고지연-도플러 스프레드 환경에서 두각을 나타낸다.
• 프레넬 변환 고유분해를 통해 유도된 단일 탭 선형 이상보정기는 낮은 계산 복잡도로 채널 분산을 효과적으로 보상한다.
• 시뮬레이션 결과는 OCDM이 다중 경로 다양성을 효과적으로 활용하여 스펙트럼 효율성과 링크 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 확인한다.
• 이산 프레넬 변환을 활용한 디지털 구현은 실현 가능하며, 기존 OFDM 시스템 아키텍처와 호환된다.
• 특히 준정적 및 주파수 선택적 fading 채널에서 OCDM은 OFDM보다 다중 경로 fading에 대한 강인성을 높게 유지한다.