계층화 STC(Space-Time Codes)와 STTC(Space-Time Trellis Codes)의 컴바인과 그 성능분석 = Performance of combined layered space-time codes and space-time trellis codes

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 계층화 STC(Space-Time Coding)과 다른 STC(Space-Time Coding) 간의 결합 구조 시스템을 연구하였다. 계층화 STC 방식은 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 채널에서 다중 안테나를 사용한 높은 대역폭 효율에 충실한 신호 처리 방식인 관계로 상대적으로 수신기의 간단함에 그 장점이 있으나 고속 데이터 전송이 요구되어지는 시점에서 그 열악한 성능으로 인하여 문제가 제기되어왔다. 또한 다이버시티 이득과 채널 부호화 이득을 동시에 얻을 수 있는 STTC(Space-Time Trellis Coding)은 그 뛰어난 성능에 반하여 대역폭 효율과 좋은 성능을 위한 안테나 수의 증가에 따라서 매우 큰 복잡도의 증가를 보임으로써 현실상의 어려움이 있을 것으로 판단되어 왔다. 따라서 본 논문에서는 계층화 STC의 구조를 따르면서, STTC의 뛰어난 성능을 이용할 수 있는 결합 형태의 MIMO 시스템을 고려해보고, 그 구조의 채널 부호 특성과 다양한 STC 사용에 따른 성능을 모의 실험을 통하여 분석하였다.
시스템 환경은 기본적으로 4×4 MIMO 채널에서 준-적정 레일레이(Rayleigh) 페이딩 채널에서 심벌간 독립적인 경로 이득을 가정하였고, 수신기의 완벽한 채널 추정을 가정하였다. 오류 정정 부호로는 부호화율 1 / 2이며, K = 5 인 길쌈부호를 또한, 변복조 방식으로, QPSK를 사용하였다.
계층화 STC 구조에서 송신 안테나를 그룹화 하여 STBC 혹은 STTC를 적용시키는 방법은 늘어난 안테나 수를 이용하여 대역폭 효율과 전력 효율을 동시에 얻음으로써 계층화 STC 구조의 전력 효율을 크게 향상시키며, 특히 별도의 채널 부호화를 거치지 않더라도 큰 성능 향상을 얻을 수 있었다. 또한, 오류 정정 부호로써 길쌈 부호를 사용한 V-BLAST에 비해서도 STTC 결합 계층화 STC 는 더 뛰어난 전력 효율을 보임으로써 오류 정정 부호를 사용한 V-BLAST 보다 같은 대역폭 효율에서 더 좋은 E_(b)/N_(0) 성능을 얻을 수 있었다. STBC의 결합구조 또한, 성능의 향상이 매우 커서 수신기의 복잡도가 제한되거나 대역폭 효율의 요구사항이 적은 환경에서 충분히 적용될 수 있는 구조라고 생각된다. 하지만, V-BLAST의 간단한 구조에 많은 변화를 주지 않기 위해서 결합하는 STTC를 제한함은 안테나 수의 증가에 비해서 성능이 포화상태로 들어가는 현상을 보여준다. 이것은 STTC를 결합시킨 구조이지만, 각 그룹간 V-BLAST의 체계를 따르고 있으므로 안테나 수의 증가에 민감한 성능 향상을 기대하기는 어렵다고 할 수 있다. 다만, 낮은 신호 대 잡음비에서 결합 구조가 좀더 안정적인 성능 향상을 보인다. 안테나의 수가 증가한다면, 그 성능 향상을 위해서 복잡도의 제한 수위가 낮아짐에 따라 그룹화하는 STTC의 사용을 선택 가능한 수준까지 도달할 것이므로, 단계적인 성능 향상을 목적으로 구조상의 변화에 유연하게 대처할 수 있는 방식일 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper we present a simple yet novel STC approach, based on a combining extension of V-BLAST(Vertical-Bell Lab. Layered Space-Time) and STTC(Space-Time Trellis Code) or STBC(Space-Time Block Code). An architecture that theoretically achieves channel capacity on MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) channels was proposed as BLAST in [4]. We analyze an MMSE solution of coded V-BLAST(Vertical Bell Lab. Layered Space-Time) and consider V-BLAST combined with STTC and V-BLAST algorithm.
One possible way to achieve higher capacities would be to employ multiple receive antennas at the user terminal. This could be used to reduce interference, hence achieving power efficient data transmission. Since interference and capacity have an inverse relationship, this would maximise system capacity. However, it could lead to a new capacity limit due to the limited spectral efficiency of the transmitted waveform. A possible solution to this would be to introduce additional antennas also at the transmitter end of the link, creating a multiple-input-multiple-output Basestation-Mobile channel.
The V-BLAST scheme performs poorly in terms of E_(b)/N_(0), but has a high spectral efficiency due to the absence of redundancy, and the use of parallel transmission path. If V-BLAST scheme uses forward error control, we see that by application of coding the E_(b)/N_(0) performance of BLAST has been improved. However, this is achieved at the expense of a reduction in spectral efficiency. And the performance of STTC is determined by diversity gain quantified by ranks and coding gain quantified by determinants of certain matrices that are constructed from the code sequences. The power efficiency(E_(b)/N_(0)) performance of STTC is better than that of V-BLAST. But, the complexity of BLAST receiver is simpler than STTC and the spectral efficiency of BLAST scheme is twice.
For high data transmission, one solution is multiple-input multiple-output channel. To achieve both power efficiency and spectral efficiency, we have to seek new codes(or schemes) However we cannot obtain all of things. One method achieving this that having higher numbers of antenna elements at each end of the link. Using the STTC in higher number of antenna elements give the term of receiver processing complexity disadvantages. So we combined STTC in V-BLAST systems. This systems improves the overall performance level of systems. The BLAST offer poorer performance due to the loss of diversity. It is believed that combined STTC and BLAST scheme will prove to be inferior in performance to STTC due to this diversity loss.
We obtained the spectral efficiency and power efficiency combining BLAST and STTC. The combined scheme has higher power efficiency than coded(forward error control) BLAST and gives the same spectral efficiency. But, these combined scheme will obtain certain disadvantages in terms of receiver complexity compared with coded BLAST. The STTC is best trade-off performance versus complexity, but in higher number of antennas, that complexity is the worst problem in terms of receiver processing. So, the combined BLAST and STTC(or STBC) is good trade-off performance versus complexity and spectral efficiency.

목차 (Table of Contents)

• 차례
• 그림차례 = iii
• 약어표 = iv
• 국문요약 = v
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 시스템과 채널 모델 = 4
• 제2-1절 STC 시스템 모델 = 4
• 제2-2절 주파수 비선택적 페이딩 채널 모델 (Flat Fading Channel Model) = 5
• 제3장 Space-Time Codes(STC) = 7
• 제3-1절 Space-Time Block Coding(STBC) = 7
• 3-1-1 STBC의 동작구성도 = 7
• 3-1-2 부호화 알고리즘 = 7
• 3-1-3 복호 알고리즘 = 9
• 제3-2절 Space-Time Trellis Codes(STTC) = 11
• 제3-3절 계층화(Layered) Space-Time 신호처리 과정(processing) = 16
• 3-3-1 V-BLAST(Bell Laboratories Layered Space-Time) 구조 = 16
• 3-3-2 V-BLAST 신호검출 과정 = 17
• 3-3-3 채널 부호를 고려한 V-BLAST 구조 = 19
• 제4장 V-BLAST(Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time)와 STBC, STTC(Space-Time Trellis Coding)의 결합 = 23
• 제4-1절 V-BLAST와 STBC, STTC의 특성 비교 = 23
• 제4-2절 V-BLAST(Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time)와 STBC, STTC(Space-Time Trellis Coding)의 결합구조 = 25
• 제5장 모의 실험을 통한 V-BLAST 구조와 V-BLAST와 STBC 혹은 STTC의 결합구조 성능 분석 = 31
• 제5-1절 4×4 MIMO 채널에서의 V-BLAST 성능 분석 = 32
• 제5-2절 모의 실험을 통한 V-BLAST와 STTC의 결합구조 성능 분석 = 34
• 제5-3절 V-BLAST와 V-BLAST & STTC(STBC) 결합구조의 성능 비교 분석 = 37
• 제5-4절 모의 실험 결과 비교 = 40
• 제5-5절 안테나 수 증가에 따른 성능 곡선 변화 분석 = 42
• 제6장 결론 = 45
• 참고문헌 = 47
• Abstract = 49