Due to its large capacity, high spectral efficiency, and ability to resist frequency selective fading, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has been widely adopted in many wireless communication systems and standards such as wireless fidelity (Wi-Fi), long term evolution (LTE), and worldwide interoperability for microwave access (WiMAX). OFDM with index modulation (OFDM-IM) is a new type of multi-carrier transmission scheme. Like traditional multi-carrier technology, it also has various desirable characteristics such as high spectral efficiency and strong anti-multipath effects. Unlike the traditional multi-carrier technology, the OFDM-IM technology does not use all the subcarriers to transmit information. That is, only active subcarriers selected by the index pattern are exploited to transmit data.The zero-padded tri-mode OFDM with index modulation (ZTM-OFDM-IM) is a new type of OFDM-IM system, which is a compromise between spectrum efficiency and energy efficiency. In this system, two different constellations are exploited to assign either a real or a complex signal to an active subcarrier. In this dissertation, two techniques for improving the performance of the ZTM-OFDM-IM system are proposed. One is to provide a new signal constellation pair for subcarrier signal mapping as a method to improve error performance of the system. The other is to suggest a practical method for reducing the peak-to-average power ratio (PAPR) of the transmitted signal of the ZTM-OFDM-IM system.Error performance of the ZTM-OFDM-IM system is highly dependent on the minimum Euclidean distance between subblocks. In the new system, one of the two mappers for the ZTM-OFDM-IM system uses the same constellation as the previous work. And the other exploits a large constellation with the same average power. As a result, it can be confirmed that, under the same spectrum efficiency constraint, the new system has better bit error performance in an ideal additive white Gaussian noise environment than the conventional system. And the proposed system has a slightly lower bit error rate than the previous one, as well.In this dissertation, a new signal mapping rule and partial search algorithm are also introduced to effectively reduce the high PAPR in the transmitted signal waveforms of the ZTM-OFDM-IM system. In the new mapping rule, a signal point having less PAPR for the same information bits is selected from a pair of signal points, and mapped to a subcarrier signal of the system. In addition, the new partial search method updates the minimum PAPR while sequentially investigating the PAPR according to the parameters of the ZTM-OFDM-IM system. As a result, the proposed PAPR reduction technique has a slight reduction in performance and spectral efficiency. However, it is verified that the number of multiplication is significantly reduced compared to the exhaustive search method.Hence, the new ZTM-OFDM-IM system and corresponding PAPR reduction technique are advantageous for providing mobile communication networks and related services beyond 5G, which require a very high-speed signal processing capability. In addition, it is considered that further studies on the generalized design method for the constellation pair of the ZTM-OFDM-IM system is required in the future. And an investigation on the IM-based OFDM system is also necessary to further improve spectrum and energy efficiency while suppressing the system complexity.
대용량, 높은 스펙트럼 효율, 주파수 선택적 페이딩에 대한 강인성 등 장점으로 인하여 직교 주파수분할다중화는 Wi-Fi, Long-term evolution, WiMAX 등 많은 무선통신시스템과 표준에 채택되어 왔다. 인덱스 변조 기반 직교 주파수분할다중화(orthogonal frequency division multiplexing with index modulation, OFDM-IM)는 새로운 형태의 다중 반송파 전송방식이다. 이는 전통적인 다중 반송파 전송기술처럼 높은 스펙트럼 효율과 강력한 반다중경로(anti-multipath) 효과를 가지고 있다. 하지만 기존 다중 반송파 전송기술과는 달리 인덱스 변조 기반 직교 주파수분할다중화 기술은 정보를 전송하기 위하여 모든 부반송파를 사용하지는 않는다.ZTM-OFDM-IM (zero-padded tri-mode OFDM-IM)은 스펙트럼 효율과 에너지 효율을 절충한 새로운 형태의 인덱스 변조 기반 직교 주파수분할다중화시스템이다. 이 시스템에서는 능동 부반송파에 실수 또는 복소수 신호를 할당하기 위하여 두 개의 서로 다른 신호성상도가 사용된다.본 논문에서는 ZTM-OFDM-IM 시스템의 성능 향상을 위한 두 가지 기술을 제시한다. 하나는 시스템의 오류 성능을 개선시키기 위한 방법으로 부반송파 신호 사상을 위한 새로운 신호성상도 쌍을 제시하는 것이다. 그리고 다른 하나는 ZTM-OFDM-IM 시스템에서 전송되는 신호의 첨두전력 대 평균전력 비(peak-to-average power ratio, PAPR)을 감소시키기 위한 실제적인 방법을 제시하는 것이다. ZTM-OFDM-IM 시스템의 오류 성능은 부블럭 간의 최소 유클리드 거리에 크게 의존한다. 새로운 시스템에서는 ZTM-OFDM-IM 시스템에서 사용되는 두 개의 사상기 하나는 기존 시스템과 동일한 신호성상도를 사용하고 다른 하나는 동일한 평균 전력을 가지면서도 더 커진 신호성상도를 사용한다. 그 결과, 동일한 스펙트럼 효율 제약 조건에서 새로운 ZTM-OFDM-IM 시스템은 기존 시스템에 비하여 이상적인 가산성 백색 가우시안 잡음(additive white Gaussian noise, AWGN) 환경에서 더욱 우수한 비트 오류 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다. 그리고 주파수 선택적 페이딩 채널에서도 제안된 시스템은 기존 시스템보다 아주 근소하게 낮아진 비트오율(bit error rate, BER)을 가지는 것으로 나타났다.본 논문에서는 ZTM-OFDM-IM 시스템의 전송되는 신호열에서 발생되는 높은 PAPR을 효과적으로 감소시킬 수 있는 방법으로 새로운 신호 사상 규칙과 부분 검색 알고리즘이 제시된다. 새로운 사상 규칙에서는 동일한 정보 비트에 대하여 더 적은 PAPR을 가지는 신호점이 신호점 쌍으로부터 선택되어 ZTM-OFDM-IM 시스템의 부반송파 신호로 사상된다. 또한, 새로운 검색 방법은 ZTM-OFDM-IM 시스템의 파라미터에 따른 PAPR을 순차적으로 조사하면서 최소 PAPR을 갱신한다. 그 결과, 제시된 PAPR 감소기법은 근소한 감소 성능과 스펙트럼 효율 측면에서 근소한 손실이 있지만 완전검색법에 비하여 곱셈 연산량을 매우 크게 감소시키는 것으로 나타났다.따라서 제안된 새로운 ZTM-OFDM-IM 시스템과 이를 위한 PAPR 감소 기법은 초고속 신호처리가 요구되는 5G 이후 이동통신 네트워크와 이를 기반으로 하는 서비스 제공에 유리한 것으로 판단된다. 그리고 이를 위해서는 ZTM-OFDM-IM 시스템의 신호성상도 쌍을 위한 일반화된 설계법에 대한 추가 연구가 필요한 것으로 사료된다. 그리고 스펙트럼 효율과 에너지 효율을 향상시키면서도 시스템의 복잡도를 억압시키는 인덱스 변조 기반 직교 주파수분할다중화 시스템에 대한 연구도 필요하다