제 4 장 간섭채널 채널 부호화 기술 제 1 절 연구의 목적 및 중요성
1. 연구의 목적
본 연구에서는 다점대다점 통신 환경을 위한 실용적 오류정정 부호 기 술을 연구한다. 우선 간섭환경에서의 기존 극 부호 기술 대비 우수한 성능을 갖는 극 부호화 알고리즘 및 신경망 구조의 고성능 복호기 구조를 개발하고, 제안 기술 에 대한 검증 및 성능(오율, 복잡도)등의 분석을 위한 시뮬레이션을 수행한다.
2. 연구의 중요성
가. 점대점 통신에서 채널용량을 달성하는 극 부호
1948년 Shannon에 의해 랜덤 부호화(random coding)와 전형적 집합 복호(typical set decoding) 방식을 이용하여 이진입력 부가백색 정규잡음(BI-AWGN) 채널에서의 점대점 통신에서 채널의 용량으로 통신이 가능함을 보였다 [1]. 이후 채널 용량을 달성하기 위한 다양한 연구를 통해 오류정정부호들이 연구 되었으며, 극 부호와 공간 결합(SC) 저밀도 패리티 검사(LDPC) 부호가 이론적으 로 낮은 복잡도로 채널용량을 달성할 수 있음이 증명되었다.
(그림 4-1-1) 오류정정 부호의 역사
2009년 Arikan에 의해 제안된 극 부호는 이진 입력 이산 무기억 채널 에서 대칭 채널 용량(symmetric capacity)을 낮은 복잡도로 달성함이 처음으로 증명된 부호이다 [2]. 이 결과는 일반적인 점대점 채널에서 채널 용량을 달성했던 Shannon의 랜덤 부호의 역할을 O(NlogN)의 실용적 복잡도를 갖는 복호 방법을 갖춘 실용적인 부호로 대체한다는 의미를 갖는다. 하지만 수백에서 수천비트의 유 한길이에서는 극 부호 고유의 SC 복호는 다소 좋지 않은 성능을 보였다. 이후 CRC를 연접한 연속 제거 리스트(SCL) 복호 [3][4]가 제안되어 유한길이에서도 터보 부호나 LDPC 부호에 비슷한 성능을 얻을 수 있음이 입증되어 실용적인 극 부호 기술의 토대가 마련되었다. 또한 극 부호의 가장 큰 장점은 부호가 갖는 정 보이론적인 설계의 특징 때문에 다점대다점 통신으로의 확장이 가능하다는 점이며, 탄생과 동시에 Slepian-Wolf 문제 등에 직접 적용이 가능하다는 것이 보여졌다.
나. 극 부호의 실용화 동향 및 연구
극 부호는 연속 제거 복호를 이용하여 길이가 무한할 때 증명적으로 낮 은 복잡도로 채널 용량을 달성함이 증명되었다. 하지만 실제 유한 길이 극 부호의 연속제거 복호는 같은 길이의 LDPC 부호에 비해 더 안 좋은 성능을 가진다. 이러 한 문제를 해결하기 위해서 연속 제거 리스트 복호 기법이 제안되었으며, CRC 부 호를 연접하여 우수한 복호 성능을 확보하였다. 매우 짧은 길이에서는 LDPC와 타 보 부호보다 우수한 성능을 가짐이 확인되었다. 또한 하드웨어 구현 및 부호율 호 환 기법들이 제시됨에 따라 3GPP 5세대 이동통신 표준의 eMBB (Enhanced Mobile Broadband) 시나리오의 제어 신호용 오류정정 부호로 채택되었다.
(그림 4-1-2) 극 부호의 5G 표준화 동향
극 부호의 제안 후에 신호간 간섭이 존재하는 다점대다점 통신을 위한 다양한 연구가 진행되었다. 초창기에는 분산소스부호화 및 더티페이퍼부호화 등에 적용되었으며, 그 후에 다양한 연구가 계속되었다. 주요 연구 결과는 아래의 표와 같이 정리될 수 있다. 하지만 선행 기술들은 대부분 이론적인 연구 결과로써, 실제 통신 및 네트워크 시스템에 적용하기 위한 실용화 방안이나, 목표 환경에서 유한 길이 극 부호 성능 대한 검증 및 평가와 관련된 연구는 충분하지 않은 상황이다.
(표 4-1-1) 다점대다점 통신을 위한 극 부호 주요 연구 결과 [5]-[12]
다. 신경망 구조를 이용한 오류정정 부호 기술 연구
(그림 4-1-3) 신경망 구조 오류정정부호 복호기
라. 극 부호를 이용한 다점대다점 통신 연구의 필요성
극 부호 기술은 채널 용량을 달성하는 우수한 복호 성능과 상대적으로 낮은 복호 복잡도로 인해 큰 주목을 받았으며, 부호화 방식의 유연성과 정보이론 부호화 기술들과의 호환성 때문에 점대점 통신 상황 이외에 다양한 분야에서 적용 가능성을 논의하고 있다. 특히 효율적인 HW 구현 및 부호율 호환성을 높이는 기 술들이 제안되면서 이러한 실용화 방안이 급속하게 진행되고 있다. 또한 간섭환경 과 같이 비선형적이며 복잡한 채널 모델에 우수한 성능을 확보할 수 있는 신경망 복호기의 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 실제 환경에 적용하기 위한 여러 시 도가 진행되고 있다. 이러한 측면에서 다점대다점 통신의 간섭환경을 위한 효과적 인 극 부호 기술의 연구는 매우 필요하다. 다만 아직까지 목표 성능을 확보하기 위한 유한길이 극 부호의 성능 및 복잡도 등의 다양한 문제가 검증되지 않았으므 로, 이에 대한 연구가 진행되어야 한다.
(그림 4-1-4) 다점대다점 통신 환경을 위한 극 부호 기술
W가 양극화되어 채널 용량이 0 또는 1인 분리 채널(split channel)을 얻을 수 있 다. 극 부호는 이렇게 양극화된 분리 채널 중 채널 용량이 1에 가까운 채널을 통 해 실제 데이터를 전송하고, 채널 용량이 0에 가까운 채널 상태가 안 좋은 채널은 수신단에서 알고 있는 값으로 고정시켜 고정 비트(frozen bit)를 전송함으로써 채 널 용량을 달성할 수 있다. 이러한 양극화 과정의 예를 들기 위해 소실 확률 (erasure probability)이 0.5인 이진 소실 채널 (Binary Erasure Channel: BEC) 에서 채널의 합성과 분리를 통해 채널의 양극화 현상을 보이면 (그림 4-2-1)과 같이 나타난다. 부호 길이 N={2,4,8,1024}인 극 부호의 양극화된 채널의 대칭 용량 (symmetric capacity)를 나타낸 것이다. 앞서 설명한 바와 같이 부호 길이가 무한 대일 경우 채널 양극화를 통해 얻어진 각 분리 채널의 채널 용량이 0 혹은 1의 값 만을 갖게 되지만, 극 부호의 길이가 유한한 경우 각 분리 채널의 채널 용량이 0~1 사이의 값을 갖게 된다. 따라서 극 부호는 이렇게 양극화된 분리 채널 중 정 보 비트 개수만큼의 채널 용량이 높은 좋은 채널을 통해 실제 데이터를 전송하고, 나머지 비트는 수신단에서 알고 있는 고정된 값을 이용한다. 따라서 채널 양극화 현상은 극 부호가 채널 용량을 달성하는 데 가장 중요한 핵심적인 개념이라 할 수 있다.
(a) W=BEC(0.5), N=2
(b) W=BEC(0.5), N=4
(c) W=BEC(0.5), N=8
(d) W=BEC(0.5), N=1024 (그림 4-2-1) 채널 양극화 현상
극 부호에서 채널 양극화를 얻기 위한 과정인 채널의 합성과 분리에 자 세히 소개한다. 우선 부호 길이 N=2 일 때 채널의 합성 과정에 대해 먼저 소개하
겠다. 부호길이 N=2에서의 채널 합성은 (그림 4-2-2)와 같이 보일 수 있다. 실