[논문 리뷰] Performance Analysis of Error Control Coding Techniques for Peak-to-Average Power Ratio Reduction of Multicarrier Signals

Sanjay Singh, M. Sathish Kumar외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 21.

PAPR reduction in OFDM참고 문헌 15인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 BPSK 변조된 OFDM 시스템에서 피크 대 평균 전력비(PAPR) 저감에 영향을 미치는 다양한 오류 제어 코딩 기법—해밍, 순환, 컨volution, 골레이, 리드-멀러 코드—을 조사한다. 리드-멀러 코드가 r=1, m=4 인 경우 2.2362 dB의 최고 수준의 PAPR 저감을 달성하며, 다른 코드들보다 뛰어난 성능을 보이며, 컨volution 코드는 PAPR 저감과 하드웨어 복잡도 사이의 균형을 잘 잡고 있다.

ABSTRACT

Increasing demands on high data rate mobile communications services will inevitably drive future broadband mobile communication systems toward achieving data transmission rates in excess of 100 Mbps. One of the promising technologies which can satisfy this demand on high data rate mobile communications services is the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) transmission technology which falls under the general category of multicarrier modulation systems. OFDM is a spectrally efficient modulation technique that can achieve high speed data transmission over multipath fading channels without the need for powerful equalization techniques. However the price paid for this high spectral efficiency and less intensive equalization is low power efficiency. OFDM signals are very sensitive to non-linear effects due to the high peak-to-average power ratio (PAPR), which leads to the power inefficiency in the RF section of the transmitter. This paper analyzes the relation between aperiodic autocorrelation of OFDM symbols and PAPR. The paper also gives a comparative study of PAPR reduction performance of various channel coding techniques for the OFDM signals. For our study we have considered Hamming codes, cyclic codes, convolution codes, Golay and Reed-Muller codes. The results show that each of the channel coding technique has a different PAPR reduction performance. Coding technique with the highest value of PAPR reduction has been identified along with an illustration on PAPR reduction performances with respect to each code.

연구 동기 및 목표

• OFDM 시스템에서 높은 PAPR로 인해 발생하는 전력 효율성 저하 및 하드웨어 비용 증가 문제를 해결하기 위해.
• OFDM 심벌의 비주기적 자기상관성과 PAPR 간의 관계를 조사하기 위해.
• OFDM에서 다양한 채널 코딩 기법의 PAPR 저감 성능을 비교 분석하기 위해.
• 코딩 기법의 인코더/디코더 복잡도를 고려할 때 PAPR 저감에 가장 효과적인 기법을 특정하기 위해.
• SLM와 같은 기존의 PAPR 저감 기법과의 조합을 위한 기준을 제공하기 위해.

제안 방법

• N개의 서브차원을 가진 기저대역 복소 에너지 표현을 사용하여 OFDM 신호를 모델링한다.
• PAPR를 심벌 기간 동안 최대순간전력과 평균전력의 비율로 정의한다.
• 이론적 유도를 통해 서브차원 시퀀스의 비주기적 자기상관성이 PAPR에 미치는 영향을 분석한다.
• 다양한 선형 블록 코드(해밍, 순환, 골레이, 리드-멀러)와 컨volution 코드를 OFDM 심벌에 적용하여 신호 구조를 수정한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 각 코딩 기법 간의 PAPR 비교를 위한 CCDF(보완 누적분포함수) 곡선을 생성한다.
• PAPR 저감(dB)과 코드율을 성능 평가 지표로 사용하며, 결과를 표로 정리하고 시각화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OFDM 심벌의 비주기적 자기상관성은 그들의 PAPR와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ2 BPSK 변조된 OFDM 시스템에서 어떤 채널 코딩 기법이 가장 높은 PAPR 저감을 제공하는가?
• RQ3 다양한 코딩 기법은 PAPR 저감과 하드웨어 복잡도 측면에서 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ4 오류 제어 코딩은 SLM와 같은 기존의 PAPR 저감 기법과 효과적으로 조합될 수 있는가?
• RQ5 리드-멀러 코드의 다양한 매개변수 r과 m를 사용할 경우, 얻을 수 있는 최대 PAPR 저감은 얼마인가?

주요 결과

• r=1 및 m=4 인 리드-멀러 코드가 2.2362 dB의 최고 수준의 PAPR 저감을 달성하며, 연구된 모든 다른 코드들보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 코드율 1/2, 제약 길이 K=6 인 컨volution 코드는 2.0000 dB의 두 번째로 높은 PAPR 저감 성능을 보이며, 성능과 복잡도 사이의 균형이 잘 잡혀 있다.
• [23,12,7] 골레이 코드는 PAPR을 1.9677 dB 감소시켜 평가된 코드들 중 세 번째로 높은 성능을 보였다.
• m=6 인 해밍 코드와 m=4 인 순환 코드는 각각 1.4194 dB 및 1.5161 dB의 낮은 PAPR 저감 성능을 보였다.
• 코드율 1/3, K=9 인 컨volution 코드는 PAPR을 1.8710 dB 감소시켜 1/2 코드율 대비 낮은 순위를 차지했다.
• 모든 코드의 PAPR 저감 성능는 식 (5)에서 도출된 바와 같이 OFDM 심벌의 비주기적 자기상관성을 억제하는 능력과 직접적으로 연관되어 있었다.