[논문 리뷰] Design and Development of a Burst Acquisition System for Geosynchronous Satcom Channels

K. Vasudevan|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 24.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 38인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 터보-coded 오프셋 QPSK를 사용한 고정궤도 위성통신을 위한 이산시간 버스트 수집 시스템을 제안한다. 이 시스템은 업샘플드 매치필터링과 피드포워드 동기화를 활용하여 빠른 클록 및 로어 컨베이어 복구를 달성한다. 1.5 dB의 Eb/N0에서 효과적인 성능을 보이며, 최대 30%의 주파수 오프셋과 25 ppm의 클록 오프셋 조건에서도 작동하며, 위상 모호성을 제거하고 차별적 인코딩 없이도 신속하고 신뢰성 있는 수집을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The key contribution of this work is to develop transmitter and receiver algorithms in discrete-time for turbo- coded offset QPSK signals. The proposed synchronization and detection techniques perform effectively at an SNR per bit close to 1.5 dB, in the presence of a frequency offset as large as 30 % of the symbol-rate and a clock offset of 25 ppm (parts per million). Due to the use of up-sampling and matched filtering and a feedforward approach, the acquisition time for clock recovery is just equal to the length of the preamble. The carrier recovery algorithm does not exhibit any phase ambiguity, alleviating the need for differentially encoding the data at the transmitter. The proposed techniques are well suited for discrete-time implementation.

연구 동기 및 목표

• 고정궤도 위성통신을 위한 저복잡도이면서 고성능의 버스트 수집 시스템을 개발하기 위해.
• 실제 위성 링크에서 흔히 발생하는 큰 주파수 및 클록 오프셋 조건에서도 신뢰성 있는 동기화를 가능하게 하기 위해.
• 이산시간 구현을 통해 사용자 단말 응용 분야에서 수신기의 복잡도와 비용을 감소시키기 위해.
• 데이터 보조 기법을 통해 로어 위상 모호성을 해결함으로써 차별적 인코딩의 필요성을 제거하기 위해.
• 최소한의 피드백을 사용하는 피드포워드 타이밍 및 로어 복구 알고리즘을 통해 빠른 수집을 달성하기 위해.

제안 방법

• 업샘플드 매치필터링 기반의 업샘플드 매치필터링을 활용한 데이터 보조형 피드포워드 타이밍 및 로어 복구 방법을 사용한다.
• 클록 복구는 단일 프리앰블 간격 내에서 업샘플드 매치필터 출력을 인터폴레이터로 활용하여 수행된다.
• 단어 기반 결정 기반 알고리즘을 사용하여 위상 모호성을 방지함으로써, 차별적 인코딩이 필요 없도록 한다.
• 비선형 전력 증폭기와 함께 높은 스펙트럼 효율성과 전력 효율성을 달성하기 위해 터보-coded 오프셋 QPSK 변조를 사용한다.
• 이산시간 구현을 위한 동기화 알고리즘 설계를 통해 디지털 베이스밴드 처리와의 호환성을 확보한다.
• 수신기에서 반복적 소프트 출력 디코딩을 위해 BCJR 알고리즘을 적용하며, 수치 오버플로우를 방지하기 위해 정규화된 전진 및 후진 상태 메트릭스를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정궤도 위성통신 링크에서 큰 주파수 및 클록 오프셋 조건이 존재하는 상황에서 최소한의 수집 시간으로 버스트 수집을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 OQPSK 시스템에서 차별적 인코딩 없이도 위상 모호성에 강건한 로어 복구가 가능할 수 있는가?
• RQ3 높은 주파수 오프셋 조건(최대 기호율의 30%)에서 신뢰성 있는 수집을 위해 필요한 최소 SNR는 얼마인가?
• RQ4 업샘플드 매치필터링을 활용한 피드포워드 타이밍 복구는 피드백 기반 방법에 비해 수집 속도와 복잡도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 추가 백색 가우시안 노이즈(AWGN) 환경에서 제안된 동기화 기법을 적용한 터보-coded OQPSK의 성능는 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 Eb/N0가 1.5 dB에 이르는 저SNR 환경에서도 신뢰성 있는 버스트 수집을 달성하며, 저SNR 환경에서의 강건성을 입증한다.
• 로어 복구가 위상 모호성을 성공적으로 제거하여, 차별적 인코딩 없이도 직접 검출이 가능하다.
• 클록 복구는 정확히 한 개의 프리앰블 길이 내에서 수집을 완료하여 피드백 방법에 비해 획기적으로 수집 시간을 단축시킨다.
• 시스템은 기호율의 최대 30% 주파수 오프셋과 25 ppm 클록 오프셋 조건에서도 효과적으로 작동한다.
• 업샘플드 매치필터링을 사용함으로써 피드포워드 타이밍 복구가 가능해져 구현을 단순화하고 지연을 감소시킨다.
• 이산시간 설계 덕분에 사용자 단말용 저비용 소프트웨어 정의 수신기 구현과의 호환성이 보장된다.