캐리어 간섭계

Carrier interferometry

CI(Carrier Interferometry)는 멀티플렉싱과 다중 접속을 위한 OFDM(직교 주파수 분할 멀티플렉싱) 통신 시스템에 사용하도록 설계된 확산 주파수 체계로, 시스템이 동일한 주파수 대역을 통해 동시에 복수의 사용자를 지원할 수 있다.

MC-CDMA와 마찬가지로 CI-OFDM은 주파수 영역에 각 데이터 기호를 분산시킨다. 즉, 각 데이터 기호는 여러 OFDM 서브캐리어에 걸쳐 운반된다. 그러나 이진 위상 하다마드 코드(0도 또는 180도 코드 값)나 이진 유사성을 사용하는 MC-CDMA와 달리 CI 코드는 복합적으로 가치가 있는 직교 코드다. 가장 간단한 경우 CI 코드 값은 이산 푸리에 변환(DFT) 행렬의 계수다. DFT 매트릭스의 각 행 또는 열은 데이터 기호를 퍼뜨리는 직교 CI 확산 코드를 제공한다. 데이터 기호의 벡터에 DFT 매트릭스를 곱하여 코드화된 데이터 기호의 벡터를 생성하면 각 코드화된 데이터 기호는 역고속 푸리에 변환(IFFT)의 입력 빈을 통해 OFDM 서브캐리어에 매핑된다. 연속 서브캐리어 블록을 선택하거나 주파수 다양성을 개선하기 위해 넓은 주파수 대역에 걸쳐 분산된 비연속 서브캐리어(noncontinuous subcarrier block of continuous subcarrier를 선택할 수 있다. 주기적 접두사(CP)와 같은 가드 간격은 무선 프런트 엔드에 의해 신호가 처리되기 전에 베이스밴드 CI-OFDM 신호에 추가되어 RF 신호로 변환되고, 그 다음 안테나가 송신한다.

다른 OFDM 기술에 비해 CI-OFDM의 중요한 장점은 CI 확산이 전송 파형의 시간 영역 특성을 형성한다는 것이다. 따라서 CI-OFDM 신호는 다른 유형의 OFDM에 비해 피크 대 평균 전력 비율(PAPR), 즉 파고율이 훨씬 낮다.[1] 이것은 전력 효율을 크게 향상시키고 무선 송신기에 사용되는 전력 증폭기의 비용을 감소시킨다.

CI-OFDM 수신기는 수신된 CI-OFDM 전송에서 주기적 접두사를 제거하고 OFDM 수신기에 일반적으로 사용되는 DFT(예: FFT)로 OFDM 격하 작업을 수행한다. CI-스프레드 기호 값은 각각의 서브캐리어로부터 역매핑 프로세스로 수집되며 다중 경로 페이딩을 보상하거나 공간 디멀티플렉싱을 위해 처리되도록 균등화할 수 있다. CI 디스프레더는 스프레드 기호에 대해 역DFT를 수행하여 원래 데이터 기호를 복구한다.

CI-OFDM Transmitter and Receiver
CI-OFDM 송신기 및 수신기

CI 코딩은 전송 파형의 시간 영역 특성을 형성할 수 있으므로 직접 시퀀스 확산 스펙트럼[2] 및 주파수[3] 이동 키 [4] 신호 등 다양한 파형을 합성하는 데 사용할 수 있다. 수신기가 송신 채널에서 얼마나 많은 산란 현상이 발생하는지에 따라 시간 영역 또는 주파수 영역 등분화를 선택할 수 있는 것이 장점이다. 풍부한 산란 환경의 경우 FFT를 이용한 주파수 영역 균등화는 기존 시간 영역 균등화보다 적은 계산이 필요하며 성능이 상당히 우수하다.

CI의 역사

CI는 미국 팻의 이드리스 커뮤니케이션스의 과학자 스티브 샤틸에 의해 소개되었다. 1998년 2월 12일과 1999년 4월 많은 논문들[5] 중 첫 번째에 5,955,992번이 접수되었다.[4] 이 개념은 공명 공동체를 이용한 주파수 영역 합성이 전송된 광학 신호에서 원하는 시간 영역 특징을 생성하는 광학 모드 잠금에서 영감을 얻었다. 무선 시스템에서 사용자는 동일한 서브캐리어(subcarrier)를 공유하지만, 다른 직교 CIMA 코드를 사용하여 스펙트럼 간섭 측정 메커니즘을 통해 CIMA(Carrier Interference Multiple Access)를 달성한다.

CI 원칙의 많은 적용이 수십 건의 후속 특허 출원, 회의 논문, 저널 기사에 발표되었다. 주파수 호핑 OFDM의 CI는 국제 특허 출원 WO 9941871에 기술되어 있다.[6] 광섬유 통신과 MIMO에서의 CI는 US 7076168에 설명되어 있다.[7] US 6331837은[8] 다중 수신기 안테나가 필요하지 않은 다중 수신기 신호를 이용한 공간 디멀티플렉싱을 설명한다. 기준 신호의 CI 부호화는 US 7430257에 공개된다.[9] 선형 네트워크 코딩과 양파 코딩에 대한 CI의 사용은 다중 홉 피어투피어 네트워크에서 노드로 라우팅되는 전송 신호를 인코딩하기 위해 자연 다중 경로 채널에 기초한 무작위 선형 코드를 사용하는 미국 20080095121에서[10] 공개된다.

안테나 어레이 프로세싱과 CI 프로세싱의 유사성은 CI의 초기 작업부터 인정되었다. CI를 단계적 배열과 결합하면, 서브캐리어 사이의 연속적인 위상 변화는 배열의 빔 패턴을 우주에서 스캔하게 하여 전송 다양성을 달성하고 초기 형태의 순환 지연 다양성을 나타낸다.[11][12][13] CI 코딩과 MIMO 프리코딩의 조합이 연구되어 왔으며,[14] MIMO 사전 코딩된 분산 안테나 시스템에서 중앙 조정 기능을 갖춘 CI를 사용하려는 발상이 2001년 잠정 특허 출원에서 처음 공개되었다.[15] 4개의 서로 다른 프로토콜 스택을 구현한 CI 기반 소프트웨어 정의 라디오(SDR)는 2000년에 Idris에서 개발되어 US 7418043에 기술되어 있다.[16]

수학적 설명

스프레드-OFDM에서, 직교 서브캐리어에 걸쳐 스프레드가 수행되어 x = FSb로−1 표현되는 전송 신호를 생성하는데, 여기서 F는−1 역 DFT, S는 스프레드-OFDM 코드 매트릭스, b는 데이터 기호 벡터다. 역 DFT는 일반적으로 과표본 인자를 채용하므로 그 치수는 KxN(여기서 K > N은 OFDM 기호 블록당 시간영역 샘플 수입니다), 반면에 스프레드-OFDM 코드 매트릭스의 치수는 NxN이다.

수신기에서 수신된 스프레드-OFDM 신호는 r = HFSb로−1 표현되며 여기서 H는 채널 매트릭스를 나타낸다. OFDM에서 주기적 접두사를 사용하면 토우플리츠와 같은 채널 매트릭스가 순환 매트릭스로 변화하므로 수신된 신호는 다음과 같이 표현된다.

r = FHFFSB−1H−1 

= FSBSb−1H

여기서 관계 H = FHBF는−1H 순환기 행렬의 정의에서 나온 것이고, λ은H 대각선 요소가 순환기 채널 행렬 H의 첫 번째 열에 해당하는 대각기 행렬이다. 수신기는 DFT(OFDM에서 일반적인 경우)를 사용하여 생산

y = λSbH.

사소한 경우에서 S = I, 즉 내가 아이덴티티 매트릭스인 나는 퍼지지 않고 규칙적인 OFDM을 준다.

수신된 신호는 다음과 같이 표현할 수도 있다.

r = FHFF−1H−1(FHBFC)b,

여기서 S = λFC, C는 C = FλF로−1C 정의된 순환 행렬이며, 여기서 λ은C 순환기의 대각 행렬이다. 따라서 수신신호 r은 다음과 같이 기록할 수 있다.

r = FλλFB = FλλFB,−1CH

수신기의 DFT 후 신호 y는 y = λλFB

확산 매트릭스 S는 사전 균등화 대각 행렬(예: zero = 제로 포싱의 경우 λCH−1)을 포함하거나, DFT(OFDM 강등기)와 역DFT(CI 디스프레더) 사이의 수신기에서 균등화를 수행할 수 있다.

CI-OFDM의 가장 단순한 경우, 확산 행렬은 S = F(즉, λC = I)이므로 CI 확산 행렬은 NxN DFT 행렬에 불과하다. OFDM의 과표본 DFT는 KxN이며 K>N이므로, 기본 CI 확산 매트릭스는 각 데이터 기호를 OFDM 서브캐리어 중첩에서 형성된 순환 이동 및 직교 위치 펄스에 매핑하는 싱크 펄스 쉐이핑 필터처럼 작동한다. 다른 버전의 CI에서는 다른 대각 행렬 λ을C 선택하여 대체 펄스 형태를 생성할 수 있다.

유용한 속성

  1. 낮은 PAPR(Crest Factor)
  2. 비선형 왜곡에 대한 낮은 민감도
  3. 반송파 주파수 오프셋에 대한 낮은 민감도
  4. 딥패이드에 대한 견고성(스펙트 null)

참고 항목

참조

  1. ^ Multi-Carrier Technologies for Wireless Communication (2002 ed.). Stanford, Calif: Springer. 2001-11-30. ISBN 9780804725071.
  2. ^ Zhiqiang Wu; Nassar, C.; Shattil, S. (2001). "Ultra wideband DS-CDMA via innovations in chip shaping". IEEE 54th Vehicular Technology Conference. VTC Fall 2001. Proceedings (Cat. No.01CH37211). Vol. 4. pp. 2470–2474. doi:10.1109/VTC.2001.957194. ISBN 978-0-7803-7005-0.
  3. ^ Natarajan, B.; Nassar, C.R.; Shattil, S. (2001). "Enhanced Bluetooth and IEEE 802.11 (FH) via multi-carrier implementation of the physical layer". 2001 IEEE Emerging Technologies Symposium on Broad Band Communications for the Internet Era. Symposium Digest (Cat. No.01EX508). pp. 129–133. doi:10.1109/ETS.2001.979440. ISBN 978-0-7803-7161-3.
  4. ^ US 5955992, "단계 어레이 안테나 컨트롤러 및 반송파 간섭 다중 액세스 확산 스펙트럼 송신기로 사용되는 주파수 변환 피드백 캐비티"
  5. ^ Nassar, C.R.; Natarajan, B.; Shattil, S. (1999). "Introduction of carrier interference to spread spectrum multiple access". 1999 IEEE Emerging Technologies Symposium. Wireless Communications and Systems (IEEE Cat. No.99EX297). pp. 4.1–4.5. doi:10.1109/ETWCS.1999.897312. hdl:2097/4274. ISBN 978-0-7803-5554-5.
  6. ^ WO9941871, "다중접속 시스템 및 방법"
  7. ^ US 7076168, "광섬유 통신을 강화하기 위한 멀티캐리어 인터페로메트리를 사용하는 방법
  8. ^ US 6331837, "무선통신에서의 공간간 간섭계 멀티플렉싱"
  9. ^ US 7430257, "직접 시퀀스 채널 및 다중 액세스 코딩을 위한 멀티캐리어 하위 계층"
  10. ^ US 20080095121, "Carrier Interferometry 네트워크"
  11. ^ Zekavat, Seyed Alireza; Nassar, Carl R.; Shattil, Steve (2000). "Smart antenna spatial sweeping for combined directionality and transmit diversity". Journal of Communications and Networks. 2 (4): 325–330. doi:10.1109/JCN.2000.6596766.
  12. ^ Zekavat, S.A.; Nassar, C.R.; Shattil, S. (2002). "Merging DS-CDMA (With CI chip shapes) and oscillating-beam smart antenna arrays: Exploiting transmit diversity, frequency diversity and directionality". 2002 IEEE International Conference on Communications. Conference Proceedings. ICC 2002 (Cat. No.02CH37333). Vol. 2. pp. 742–747. doi:10.1109/ICC.2002.996954. ISBN 978-0-7803-7400-3.
  13. ^ Shattil, S.; Nassar, C.R. (1999). "Array control systems for multicarrier protocols using a frequency-shifted feedback cavity". RAWCON 99. 1999 IEEE Radio and Wireless Conference (Cat. No.99EX292). pp. 215–218. doi:10.1109/RAWCON.1999.810968. ISBN 978-0-7803-5454-8.
  14. ^ Barbosa, P.R.; Zhiqiang Wu; Nassar, C.R. (2003). "High-Performance MIMO-OFDM via Carrier Interferometry". GLOBECOM '03. IEEE Global Telecommunications Conference (IEEE Cat. No.03CH37489). Vol. 2. pp. 853–857. doi:10.1109/GLOCOM.2003.1258360. ISBN 978-0-7803-7974-9.
  15. ^ US Pat. Appl. 60286850, "Carrier Interferometry를 사용하여 다중 반송파 신호를 처리하는 방법 및 장비"
  16. ^ US 7418043, "소프트웨어 적응형 고성능 멀티캐리어 전송 프로토콜"