Performance Analysis and Improvement of Communication Systems Based on Error-Correcting Codes

Abstract

스마트 휴대기기와 대용량 멀티미디어 서비스의 발달에 따라 고전송률 및 고신뢰도를 지원할 수 있는 통신 시스템에 대한 수요가 급증하고 있다. 특히 물리계층에서는 다양한 변조 방식과 강력한 오류정정부호의 결합을 통해 통신 시스템의 성능을 극대화하는 연구가 활발히 수행되고 있다. 또한, 고전송률을 지원하기 위한 저복잡도 복조 및 복호 방법에 대한 연구도 활발하게 진행 중이다. 본 학위 논문에서는 변복조와 오류정정부호를 고려한 통신 시스템의 성능을 분석하고 개선하기 위한 방법에 대하여 연구한다.

MFQAM은 multitone FSK의 활성화된 부반송파들을 이용하여 QAM 심볼을 전송하는 변조 방식이다. MFQAM은 활성화된 부반송파들로부터 주파수 다이버시티(diversity)를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 QAM 심볼을 전송함으로써 주파수 효율성을 증가시킬 수 있으므로 Rayleigh 페이딩 채널에서 사용하기에 적합하다. 또한, 부호화된 변조(coded modulation) 시스템에 MFQAM을 적용하면, 각 부호 심볼은 개별 변조 심볼로 일대일로 사상되는데 변조 심볼들끼리는 직교하는 특성으로 인해 큰 성능 개선을 얻을 수 있다. 본 논문에서는 이러한 특성에 기반하여 Rayleigh 페이딩 채널에서 MFQAM을 적용하는 부호화된 변조 시스템의 정규화된 처리량(normalized throughput)이 채널 용량 한계에 매우 근접할 수 있음을 보인다.

또한 본 논문에서는 비트 인터리빙된 부호화된 변조(bit-interleaved coded modulation) 시스템의 BER에 대한 상계를 이용하여 하향링크 OFDMA 네트워크의 커버리지(coverage)를 분석한다. 하향링크 OFDMA 네트워크에서는 셀 로드가 50\% 이하인 경우 간섭 신호의 통계적인 분포가 가우시안 분포로부터 크게 벗어난다는 것이 알려져 있다. 본 논문에서는 비가우시안 메트릭(metric)을 사용하는 네트워크의 커버리지를 분석하기 위해 복호 메트릭의 모멘트 생성 함수(moment generating function)을 우선적으로 유도하고, 이에 기반하여 네트워크의 커버리지 확률을 계산한다. 유도된 수식의 계산을 통해 비가우시안 메트릭을 사용하는 네트워크가 기존의 가우시안 메트릭을 사용하는 네트워크에 비해 셀 반경과 전력 소모 측면에서 장점을 가짐을 보인다.

마지막으로 블록 터보 부호(block turbo codes)의 복호 복잡도를 크게 낮출 수 있는 복호 기법들을 제안한다. 첫 번째 복호 기법은 블록 터보 부호에서 수행되는 불필요한 경판정 복호 과정을 회피함으로써 복호 복잡도를 크게 줄일 수 있다. 두 번째 복호 기법은 수신 신호의 신뢰도에 따라 복호 복잡도를 적응적으로 조절함으로써 성능 열화를 최소화하면서도 복호 복잡도를 크게 낮출 수 있다. 제안된 복호 기법들은 기존의 저복잡도 하드웨어 구현 방법과 자연스럽게 결합될 수 있다는 장점을 가진다.

In accordance with the development of various smart portable devices and massive multimedia service, demands for communication systems supporting both high performance and high throughput grow very fast. Combination of adequate modulation schemes and powerful error-correcting codes (ECCs) may be a good strategy for enhancing the performance of communication systems. In order to increase the throughput of communication systems, low-complexity receivers including demodulator and decoder are also required. In this thesis, we analyze and improve the performance of communication systems employing ECCs and modulations.

We first analyze the performance of a coded modulation (CM) system with multitone-frequency and quadrature-amplitude modulation (MFQAM) over Rayleigh fading channels, where MFQAM is a combination of multitone frequency-shift keying and quadrature-amplitude modulation (QAM). We consider MFQAM with active subcarriers grouped in balance, where the active subcarriers are divided into a specified number of groups and the same QAM symbol is conveyed by every subcarrier in each group. This grouping may make MFQAM have frequency diversity in itself. We first derive the joint probability density function of the correlator outputs of an MFQAM receiver. We then compute the channel capacity of a CM system employing MFQAM over Rayleigh fading channels. As a result, we demonstrate that for a moderate code rate between 1/3 and 2/3, its normalized throughput is close to the channel capacity limit in the low signal-to-noise ratio (SNR) region, contrary to a CM system employing the conventional modulation.

Our second goal is to analyze the coverage of downlink cellular orthogonal frequency-division multiple-access networks. The coverage probability is first defined by using an upper bound on the bit error rate (BER) of a bit-interleaved coded modulation system. And then, the moment generating functions of the legacy Gaussian and Laplacian metrics for soft-decision decoding of an employed error-correcting code are derived for computing the upper bound on the BER and the corresponding coverage probability of the networks. Numerical results demonstrate that due to the impulsive nature of the inter-cell interference for moderate-to-small cell loads, the networks using the Laplacian metric for soft-decision decoding significantly outperform those employing the legacy Gaussian metric in terms of the achievable cell radius and the amount of the average transmit power reduction.

We next propose an efficient decoding algorithm to avoid unnecessary computations of block turbo codes (BTCs) based on the Chase algorithm. In the Chase algorithm, a list of candidate codewords is obtained by applying an algebraic hard-decision decoder (HDD) to the received signal vector and its variants. By imposing two new conditions to the Chase algorithm, the proposed algorithm can avoid a considerable number of unnecessary HDD operations. Also, a simple method for computing the extrinsic information is proposed for iterative decoding of BTCs. Numerical results demonstrate that the proposed algorithm can significantly reduce the computational complexity compared with the conventional algorithm, while the former has a fairly improved bit error rate than the latter. A tradeoff between the performance and the complexity of BTCs may be possible according to the proper selection of a parameter.

In the last part of this thesis, we propose two adaptive decoding algorithms for BTCs. In the Chase algorithm, the received signal vector is decoded by applying a fixed number of algebraic HDD, regardless of its reliability. Based on the received signal vector, the proposed algorithms adaptively control the decoding complexity by monotonically reducing the maximum number of applying the employed HDD as the decoding iteration number increases or by employing a stopping criterion. Numerical results demonstrate that the decoding complexity can be significantly reduced with a negligible performance loss, when the proposed algorithms are employed instead of the conventional algorithm.