[논문 리뷰] Polarization diversity and equalization of frequency selective channels in telemetry environment for 16APSK

Farah Arabian, Rice, Michael|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 13.

Satellite Communication Systems참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 16APSK 변조를 위한 텔레메트리 환경에서 수신기에서 수직(V) 및 수평(H) 다이폴 안테나 신호를 최적의 방법으로 조합하는 것을 제안하며, 이 최적 조합된 신호에 대한 이상치 보정이 RHCP, LHCP 또는 동위상 조합된 신호에 대한 이상치 보정보다 우수함을 입증한다. V와 H 다이폴 신호의 최적 조합은 RHCP와 LHCP 신호의 최적 조합과 동일한 성능을 달성하며, 다중경로 및 안테나 회전 효과가 있는 주파수 선택성 fading 채널에서 비트 오류율(BER)을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Providing RHCP and LHCP outputs from the antennas vertical (V) and horizontal (H) dipoles in the resonant cavity within the antenna feeds is the current practice of ground-based station receivers in aeronautical telemetry. The equalizers on the market, operate on either LHCP or RHCP alone, or a combined signal created by co-phasing and adding the RHCP and LHCP outputs. In this paper, we show how to optimally combine the V and H dipole outputs and demonstrate that an equalizer operating on this optimally-combined signal outperforms an equalizer operating on the RHCP, LHCP, or the combined signals. Finally, we show how to optimally combine the RHCP and LHCP outputs for equalization, where this optimal combination performs as good as the optimally combined V and H signals.

연구 동기 및 목표

• 수신기에서 직접 V 및 H 다이폴 신호에 액세스할 수 있는지 여부를 조사하여 표준 RHCP/LHCP 합성 방식에 비해 시스템 성능 향상 여부를 검토한다.
• 동적 항공기 회전이 수반되는 항공 텔레메트리 채널에서 다중경로 fading으로 인한 심호 간섭(ISI) 문제를 해결한다.
• V/H 다이폴 및 RHCP/LHCP 신호에 대한 최적 조합 기법을 개발하고 평가하여 BER를 최소화한다.
• 실제 주파수 선택성 채널 조건에서 V/H, RHCP/LHCP 또는 동위상 조합된 신호에 기반한 이상치 보정기의 성능을 비교한다.
• 최적 조합된 V/H 다이폴 신호가 RHCP/LHCP 신호의 최적 조합과 동일한 BER 성능을 달성함을 입증한다.

제안 방법

• V 및 H 다이폴과 RHCP 및 LHCP 성분에 대해 이산 시간 등가 채널을 사용한 Forney 관측 모델(FOM)을 활용해 텔레메트리 채널을 모델링한다.
• 기하학적 전파 및 안테나 방향을 기반으로 V 및 H 다이폴의 채널 인파르스 응답(h_y' 및 h_z')과 RHCP 및 LHCP의 채널 인파르스 응답(h_RHCP 및 h_LHCP)을 유도한다.
• V 및 H 다이폴 신호와 RHCP 및 LHCP 신호에 대해 최대우도(ML) 조합을 적용하여 최적 조합 입력을 형성한다.
• 최소 평균 제곱 오차(MMSE) 이상치 보정을 최적 조합된 신호에 적용하며, 등가계수는 스펙트럼 인수분해 및 행렬 역행렬 계산을 통해 산출한다.
• 다양한 항공기 요동(yaw), 기울임(pitch), 기울기(roll) 각도를 가진 실제 주파수 선택성 채널에서 BER 성능을 시뮬레이션한다.
• 다음 다섯 가지 구성에서 BER 성능을 비교한다: V/H ML 조합, RHCP/LHCP ML 조합, 별도의 RHCP 및 LHCP, 동위상 조합된 신호(90° 하이브리드).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 선택성 텔레메트리 채널에서 표준 RHCP/LHCP 이상치 보정에 비해 V 및 H 다이폴 출력의 최적 조합이 BER 성능 향상에 기여하는가?
• RQ2 동일한 환경에서 V 및 H 다이폴의 최적 조합 성능이 RHCP 및 LHCP 신호의 최적 조합 성능과 동일한가?
• RQ3 최적 조합된 V/H 신호에 기반한 이상치 보정기의 BER 성능은 개별 RHCP, LHCP 또는 동위상 조합된 신호에 기반한 이상치 보정기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 항공기 회전(yaw, pitch, roll)은 RHCP 및 LHCP 성분 간의 전력 불균형에 어떤 영향을 미치며, 이를 다양성 이득으로 활용할 수 있는가?
• RQ5 수신기가 일반적으로 이 요소들로부터 RHCP 및 LHCP를 합성하는 경우, V 및 H 다이폴 신호에 직접 액세스할 수 있는 것이 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 평가 구성 중에서 최적 조합된 V/H 다이폴 신호가 가장 우수한 BER 성능을 달성한다.
• 최적 V/H 조합의 BER 성능은 최적 RHCP/LHCP 조합과 동일하며, 두 최적 조합 전략 간의 등가성을 확인한다.
• 최적 조합된 V/H 신호에 기반한 이상치 보정기는 개별 RHCP 또는 LHCP 신호에 기반한 이상치 보정기뿐 아니라 동위상 조합된 신호에 기반한 이상치 보정기보다도 성능이 뛰어나다.
• 90° 하이브리드 Coupler를 사용한 RHCP 및 LHCP 신호의 동위상 조합은 최적 성능을 달성하지 못하지만, 여전히 개별 RHCP 또는 LHCP 이상치 보정기보다는 우수한 성능을 보인다.
• 비영일치 기울임(pitch) 및 기울기(roll) 각도에서 최적 조합의 성능 향상이 가장 두드러지며, 이는 RHCP 및 LHCP 신호 간 불균형이 발생함으로써 다양성 이득이 가능하기 때문이다.
• 시뮬레이션 결과는 최적 조합된 V/H 다이폴이 동적 채널 조건을 가진 실제 텔레메트리 시스템에서 향상된 BER 성능을 달성하는 실용적인 길을 제공함을 확인한다.