다중 경로 페이딩 채널에서 광대역 CDMA 시스템의 주파수 및 부호 동기 오차에 따른 성능 분석 = Performance Analysis of Wideband CDMA System with Freq./Timing Error in Multi-path Fading Channel

국문 초록 (Abstract)

현재 이동 통신 시스템은 고속도/고품질의 데이터 서비스를 지원하기 위해서 광대역 CDMA 시스템으로의 전환이 필요하다. 광대역 CDMA 방식은 PN 부호의 신호 지속기간(duration)이 줄어듦에 따라 동기 오차에 대해서 기존의 시스템에 비해 민감하게 된다.
본 논문에서는 광대역 CDMA 시스템의 순방향 링크의 다중 경로 레일레이(Rayleigh) 페이딩 채널에서 주파수 및 부호 동기 오차에 따른 오류확률을 구하였다. 채널 오류 확률 (Channel BER)은 이론적으로 구하고, 정보 오류 확률(Information BER)은 시뮬레이션으로 확인하였다.
본 연구에서는 채널 오류 확률을 구하기 위해서 다중 경로 레일레이 페이딩 채널에 대하여 수식적인 모델링을 하였다. 그리고, 다중 경로 및 다중 사용자 간섭량을 이론적으로 계산하여 오류 확률 식을 얻는다. 이 때, 주파수 및 부호 동기 오차는 오류 확률 성능의 저하를 유발한다. 주파수 동기 오차의 경우, [0, 50Hz] 범위의 주파수 동기 오차가 존재할 때 0.1 dB의 성능 저하를 보이고, [0, 100Hz] 범위의 주파수 동기 오차가 존재할 때 0.2 dB의 성능 저하를 나타낸다. 칩 구간을 Tc로 정의하였을 때 부호 동기 오차로 인한 시스템의 성능 저하는 다음과 같다. [0, Tc/8]범위의 부호 동기 오차가 존재할 때 0.6 dB∼0.8 dB의 성능 저하가 발생하고, [0, Tc/4] 범위의 부호 동기 오차가 존재할 때 1.3 dB∼2 dB의 성능 저하가 생긴다.
본 논문에서는 부호 및 주파수 동기 오차에 따른 시스템의 성능 저하를 정보오류 확률을 기준으로 길쌈 부호와 터보 부호 두 부호화 구조에 대하여 연구하였다. 이 때, 전송률은 9.6 Kbps와 14.4 Kbps의 두 경우에 대해서 시뮬레이션한다.
시뮬레이션 결과를 10^(-3) BER을 기준으로 분석하였을 때, 터보 부호를 사용하였을 경우 길쌈 부호를 사용하였을 경우보다 0.5 dB 정도 우수한 성능을 보인다. 그리고, 두 부호화 방식은 동기 오차에 대해서 비슷한 성능 저하를 겪게 된다. 9.6 Kbps의 전송률의 경우, 50Hz 주파수 동기 오차로 인하여 0.4 dB의 성능 저하가 나타나고, Tc/4 부호 동기 오차로 인하여 0.9 dB의 성능 저하가 발생한다. 14.4 Kbps의 전송률의 경우, 50Hz 주파수 동기 오차로 인하여 0.2 dB의 성능 저하가 나타나고, Tc/4 부호 동기 오차로 인하여 0.9 dB의 성능 저하가 발생한다.
전송률이 9.6 Kbps에서 14.4 Kbps로 증가할 때, 부호화율은 1/3에서 1/2로 증가한다. 부호화율이 1/3일 경우 주파수 동기 오차에 의해 왜곡된 채널 비트 3개가 모여서 하나의 정보 비트로 복호되므로, 부호화율이 1/2일 경우에 비해서 주파수 동기 오차에 더 민감해진다. 실제로 시뮬레이션에서, 주파수 동기 오차에 의한 시스템의 성능 저하는 부호화율이 1/2인 경우(전송률 14.4 Kbps)보다 부호화율이 1/3인 경우(전송률 9.6 Kbps)에서 0.3 dB 더 크게 나타남을 확인할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Today, the mobile communication system evolves into the wideband CDMA system for providing high speed and quality data services. In the wideband CDMA system, the chip duration of the PN sequence decreases. So, the system is sensitive to synchronization errors.
In this paper, the average bit error ratio(BER) of wideband CDMA system on forward link is evaluated for frequency and timing errors on multipath Rayleigh fading channel. The channel BER is evaluated analytically and the information BER is investigated with simulation.
The channel BER was obtained by calculating multi-path and multi-user interferences in the multi-path Rayleigh fading channel. Here, the performance degradation occurred due to frequency and timing errors. The performance degradation due to the frequency error in range of [0, 50Hz] is 0.1 dB, and that due to the frequency error in range of [0, 100Hz] is 0.2 dB. And the performance degradation due to the timing error in range of [0, Tc/8] is 0.6 dB∼0.8 dB, and that due to the timing error in range of [0, Tc/4] is 1.3 dB∼2dB.
The information BER performance degradation due to the code/frequency synchronization errors was obtained through simulation for particular two coding schemes - convolutional codes and turbo codes. In simulations, the data rate is one of 9.6 Kbps and 14.4 Kbps.
Turbo codes outperform convolutional codes by 0.5 dB at 10^(-3) BER. The results show 0.4 dB degradation due to 50Hz frequency error, 0.9 dB degradation due to Tc/4 timing error with 9.6 Kbps data rate. And the results show 0.2 dB degradation due to 50Hz frequency error, 0.9 dB degradation due to Tc/4 timing error with 14.4 Kbps data rate, for both coding schemes.
As data rates change 9.6 Kbps to 14.4 Kbps, code rates change 1/3 to 1/2. In the 1/3 code rates system, the decoding processes convert three channel bits distorted by frequency errors into an information bit. Therefore, the 1/3 code rates system is more sensitive to frequency errors than the 1/2 code rates system. The simulation results show that the performance degradation of 1/2 code rate system is less than that of 1/3 code rate system by 0.3 dB.

목차 (Table of Contents)

• 차례 = i
• 그림차례 = ii
• 표차례 = iv
• 약어표 = v
• 국문요약 = vi
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 광대역 CDMA 시스템 = 2
• 제2-1절 광대역 CDMA 시스템의 특징 및 구성 = 2
• 제2-2절 다중경로 레일레이(Rayleigh)페이딩 채널 모델링 = 4
• 제3장 광대역 CDMA 시스템의 이론적 성능 분석 = 5
• 제3-1절 광대역 CDMA 시스템의 채널 오류 확률 유도 = 7
• 제3-2절 광대역 CDMA 시스템의 이론적 성능 분석 결과 = 27
• 제4장 시뮬레이션을 이용한 광대역 CDMA 시스템의 성능 분석 = 38
• 제4-1절 광대역 CDMA 시스템 사양 = 38
• 제4-2절 시뮬레이션 결과 및 고찰 = 44
• 제5장 결론 = 52
• 참고문헌 = 54
• 영문요약 = 56