A STUDY ON IMPROVED TRANSMISSION SCHEMES FOR MIMO-OFDM SYSTEMS : MIMO-OFDM 시스템에서 향상된 전송 기법 연구 :

유승준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 유승준 (세종대학교, 세종대학교 대학원)

지도교수: 송형규

발행연도: 2017

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2017

A STUDY ON IMPROVED TRANSMISSION SCHEMES FOR MIMO-OFDM SYSTEMS : MIMO-OFDM 시스템에서 향상된 전송 기법 연구

유승준 정보통신공 2017.01 학위논문

2013

MIMO-OFDM 시스템에서의 적응적 하이브리드 MIMO 기법에 관한 연구

유승준 , 유영환 , 송형규 한국방송미디어공학회 학술발표대회 논문집 2013.06 학술대회자료

2011

MIMO-OFDM 시스템에서의 Hybrid STBC 신호검출기법에 관한 연구

유승준 , 배진수 , 송형규 한국통신학회 학술대회논문집 2011.11 학술대회자료

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요즈음, 무선 통신에 대한 요구가 증가함에 따라 multiple-input multiple-output ( MIMO)에 대한 관심이 높아지고 있다. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) 시스템은 또한 높은 데이터 속도를 얻기 위해 사용된다. MIMO-OFDM 시스템은 용량 및 스펙트럼 효율 측면에서 매우 유용하다. 이러한 효율성은 시간, 공간 및 주파수 영역을 동시에 사용함으로써 얻어진다. 또한 MIMO-OFDM 시스템은 두 가지 유형의 이득을 제공한다. 하나는 스펙트럼 효율 이득이고 다른 하나는 안테나 다이버시티 이득이다.
그러나, 단말에서 다중 안테나를 구현하는 것은 대부분의 무선 애플리케이션에서 크기가 제한되거나 비용이 높기 때문에 실용적이지 못하다. 이러한 문제들을 극복하기 위해, 협력 통신은 단말이 다중 송신 안테나를 가질 여유가 없을 때 공간 다이버시티를 달성하기 위해 상당한 관심을 기울여왔다.
본 논문에서는 MIMO-OFDM 시스템에서 향상된 데이터 전송을 위한 세 가지 기법을 제안한다. 첫 번째 제안된 기법은 다중화 이득을 유연하게 조정할 수 있는 하이브리드 MIMO 방식이다. 제안된 기법은 채널 상태에 따라서 가변적인 전송률을 얻기 위해 시공간 블록 코드와 전체 공간 다중화를 다른 OFDM 부반송파의 cyclic delay diversity (CDD)와 결합하여 설계된다. 전송 매트릭스의 설계를 변경함으로써, 수신기 아키텍처를 변경하지 않고도 다중화 이득률을 조정할 수 있다. 또한 제안된 방식은 송신 안테나의 수를 선택할 때 유연성을 제공할 수 있다.
두 번째 제안된 기법은 계층 변조에 기반한 협력 CDD 기법이다. 높은 데이터 전송률을 달성하고 스펙트럼 효율을 높이기 위해 MIMO 시스템이 제안되었다. 그러나 다중 안테나는 크기와 비용에 의해 제한을 받는다. 따라서 가상 안테나 어레이를 구성하여 기존의 하드웨어만으로 전송 다이버시티를 얻는 최근 개발된 협력 다이버시티 기법이 해결책이 될 수 있다. 그러나, 도입된 협력 기술의 대부분은 목적지가 소스 및 중계기로부터 합성 심볼을 수신해야 하기 때문에 감소된 전송률을 가지는 결함이 있다. 제안된 협력 기법은 계층 변조를 사용하여 전송률 손실을 방지 할 수 있다. 그리고 제안된 기법은 CDD 기법을 사용하여 채널 부호화의 이점을 향상시킨다.
마지막으로 제안된 기법은 듀얼 홉 시스템에서 채널 상태에 기반한 적응형 전송 기법이다. 종래의 릴레이 방식에서 릴레이는 채널 상태를 고려하지 않고 동일한 변조 방식을 사용한다. 그러나, 릴레이는 제안된 릴레이 방식에서 채널 상태를 고려하여 적응 변조 방식을 사용한다. 채널 상태가 좋지 않은 경우 릴레이는 후자의 2 비트를 제거하고 quadrature phase shift keying (QPSK) 변조를 사용한다. 채널 상태가 양호하면, 릴레이는 4 비트를 사용하여 수신된 심볼을 16-quadrature amplitude modulation (QAM) 심볼로 변조한다. 제안된 방식은 기존 방식과 달리 릴레이에서 채널 상태에 따라 변조된 심볼을 적응적으로 전송한다.
본 논문에서, 제안된 기법들은 기존의 기법보다 더 나은 신뢰성과 처리량을 가진다. 제시된 결과들은 제안된 기법이 기존의 MIMO-OFDM 시스템에 적용될 수 있음을 보여준다.

Nowadays, the increasing demands of wireless communication have led to a great attention of multiple-input multiple-output (MIMO). Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems are also used to obtain high data rate. MIMO-OFDM systems are very useful in aspect of capacity and spectral efficiency. These efficiencies are obtained by simultaneous employments of the time, space and frequency domains. Moreover, MIMOOFDM systems provide two types of gains. One is a spectral efficiency gain and the other is an antenna diversity gain.
However, multiple antennas at the mobile devices are impractical due to the limited size or high cost for most wireless applications. In order to overcome these problems, cooperative communication has given considerable attention to achieve spatial diversity when the devices cannot afford to multiple transmit antennas.
In this dissertation, three schemes are proposed for improved data transmission in MIMO-OFDM systems. The first proposed scheme is a hybrid MIMO scheme that can flexibly adjust the multiplexing gain. According to the channel condition, the proposed scheme is designed by combining space-time block codes and full spatial-multiplexing with cyclic delay diversity (CDD) in different OFDM subcarriers to attain variable rates. By altering the design of transmit matrix, it is possible to adjust the multiplexing rate without changing the receiver architecture. Also, the proposed scheme can provide flexibility in choosing the number of transmit antennas.
The second proposed scheme is a cooperative CDD scheme based on hierarchical modulation. In order to achieve high data rate and increase the spectral efficiency, MIMO system has been proposed. However, multiple antennas are limited by size and cost. Therefore, recently developed cooperative diversity scheme, which profits the transmit diversity only with the existing hardware by constituting a virtual antenna array, can be a solution. However, most of the introduced cooperative techniques have a common fault of decreased transmission rate since the destination should receive the composite symbols from the source and the relay. The proposed cooperative scheme can prevent rate-loss by using hierarchical modulation. And the proposed scheme improves the benefit of channel coding by using CDD scheme.
The last proposed scheme is an adaptive transmission scheme based on channel state in dual-hop system. In the conventional relay scheme, a relay uses the same modulation method without reference to channel state. But, a relay uses an adaptive modulation method with reference to channel state in the proposed relay scheme. If the channel state is poor, a relay eliminates latter 2 bits and uses quadrature phase shift keying (QPSK) modulation. If channel state is good, a relay modulates the received symbols with 16-quadrature amplitude modulation (QAM) symbols by using 4 bits. Unlike the conventional scheme, the proposed scheme adaptively transmits the modulated symbols depending on the channel state in a relay.
In this dissertation, the proposed schemes have better reliability and throughput than conventional schemes. The presented results show that the proposed schemes can be applied to the existing MIMO-OFDM systems.

1 Introduction 1
2 MIMO-OFDMand Cooperative Communication 4
2.1 MIMO-OFDM 4
2.1.1 MIMO 4
2.1.2 OFDM 5
2.1.3 MIMO-OFDM System Model 7
2.2 Cooperative Communication 8
2.2.1 Amplify-and-forward Scheme 10
2.2.2 Decode-and-forward Scheme 11
3 A Hybrid MIMO Scheme Based on Channel Condition in OFDM Systems 13
3.1 System Model 14
3.2 Proposed Hybrid MIMO Scheme 15
3.2.1 Design of Conventional STBC and SM Transmit Matrix 15
3.2.2 Design of the Proposed Transmit Matrix 16
3.2.3 Receiver of the Proposed Scheme 19
3.3 Simulation Results and Discussions 22
4 Cooperative CDDScheme Based on HierarchicalModulation in OFDMSystem 30
4.1 System Model 31
4.2 Proposed Cooperative CDD Scheme 32
4.3 Simulation Results and Discussions 35
5 Adaptive Transmission Scheme Based on Channel State in Dual-Hop Relay System 39
5.1 System Model 40
5.2 Proposed Adaptive Transmission Scheme 41
5.3 Simulation Results and Discussions 43
6 Conclusions 47

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