차세대 V2X 통신을 위한 OFDM 및 OFDM-IM 기반 채널 추정 기술 연구 = A Study on Channel Estimation Techniques Based on OFDM and OFDM-IM for Next-Generation V2X Communications

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 IEEE 802.11bd 기반 차세대 V2X（Vehicle-To-Everything） 통신 환경에서 OFDM（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing） 시스템의 채널 추정 성능 향상을 위한 연구를 수행한다. 먼저, 고속 이동 환경에서 발생하는 채널의 빠른 시간 변동 문제를 고려하여, 기존 파일럿 기반 채널 추정 방식의 한계를 개선할 수 있는 LLR（Log-Likelihood Ratio） 신뢰도 평가 기반 채널 추정 기법을 제안하며 SIMO（Single-Input Multiple-Output） 환경에도 적용 가능하도록 확장된다. 더 나아가, OFDM-IM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing with Index Modulation） 시스템을 V2X에 적용하여 해당 시스템에 특화된 채널 추정 알고리즘을 제안한다.

최근 자율주행 기술의 발전에 따라 차량 간 및 차량과 인프라 간의 연결을 기반으로 하는 V2X 통신 기술의 중요성이 점차 증가하고 있다. V2X 통신은 차세대 지능형 교통 시스템의 핵심 요소로서, 도로 환경에 존재하는 다양한 객체들을 상호 연결하여 안전 정보 전달뿐만 아니라 대용량 멀티미디어 서비스 제공을 가능하게 하는 중요한 역할을 한다. V2X 통신 환경에서는 차량의 고속 이동과 풍부한 다중 전파 경로로 인해 채널의 특성이 시간과 주파수 축에서 모두 급격하게 변하는 특성을 가진다. 그럼에도 V2X 통신의 주파수 효율을 확보하기 위해 파일럿의 개수를 최소화하는 패킷 구조를 사용하므로, 채널의 선택적 페이딩이 심화될수록 수신단의 채널 추정 정확도가 저하되는 문제가 발생한다. 이러한 한계를 보완하기 위해 수신단에서 복원한 데이터 심벌을 가상의 파일럿으로 활용하는 DPA（Data Pilot Aided） 기반 채널 추정 기법들이 광범위하게 연구되어왔다. 그럼에도 불구하고 기존 DPA 기법들은 아직까지 차세대 자율주행 시스템의 진화된 성능 요구사항을 충족하지 못하는 문제점을 갖는다.

본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 OFDM 및 OFDM-IM 전송 환경에서 각각 새로운 V2X 채널 추정 알고리즘을 제안한다. 먼저, 기존 V2X 시스템과 동일한 OFDM 송수신 환경에서, 수신단에서 복원한 데이터 파일럿에 대한 신뢰도 평가를 기존 거리 기반이 아닌 새로운 LLR 방식을 이용하여 정량화하고, 이를 채널 추정에 반영하는 LLR 신뢰도 평가 기반 채널 추정 기법을 제안한다. 또한 제안하는 기법을 MRC（Maximum Ratio Combining） 기법과 결합하여, 다중 수신안테나 환경에서도 향상된 PER 성능을 확보할 수 있음을 입증한다. 본 논문의 두 번째 부분에서는 OFDM-IM 전송 환경에서 V2X 채널 환경을 고려한 향상된 채널 추정 방식을 제안한다. OFDM-IM 전송방식은 일부 부반송파만 선택적으로 활성화함으로써 추가적인 정보 전송이 가능하고, 비활성 부반송파를 통해 신뢰도 기반 처리가 용이하다는 장점을 갖는다. 하지만 이러한 비활성 부반송파의 존재는 연쇄적으로 채널을 추정하는 DPA 과정을 매우 어렵게 만드는 특성이 있다. 본 논문에서는 OFDM-IM 전송 환경에서 비활성 부반송파의 존재를 고려한 새로운 DPA 채널 추정 기법을 제안한다. 마지막으로 시뮬레이션 결과를 통해 제안하는 채널 추정 방식들이 기존 방식들 대비 향상된 채널 추정 성능을 가짐을 확인한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 시스템 모델 5
• 2.1 IEEE 802.11bd System 5
• 2.2 다중 수신 안테나 모델 7
• 2.3 OFDM-IM 전송 모델 9
• Ⅲ. 기존 V2X 채널 추정 알고리즘 12
• 3.1 LS 채널 추정 기법 12
• 3.2 DPA 채널 추정 기법 13
• 3.3 CDP 채널 추정 기법 14
• 3.4 TRFI 채널 추정 기법 15
• 3.5 E-TRFI 채널 추정 기법 16
• 3.6 E-TRFI의 SIMO 확장 17
• Ⅳ. 제안하는 채널 추정 기법 20
• 4.1 LLR 신뢰도 평가 기반 채널 추정 방식 20
• 4.2 제안하는 기법의 SIMO 확장 24
• 4.3 OFDM-IM 기반 E-TRFI 채널 추정 기법 26
• Ⅴ. 모의실험 29
• 5.1 채널 모델 29
• 5.2 임계값 결정 실험 31
• 5.3 PER 실험 결과（단일 수신 안테나） 36
• 5.4 PER 실험 결과（다중 수신 안테나） 40
• 5.5 PER 실험 결과（OFDM-IM） 45
• Ⅵ. 결론 49
• 참고문헌 50
• Abstract 53