PAPR Control in Digital Predistortion Systems Using PC-CFR and RLS Forgetting Factor Adjustment

현대 무선 통신은 공중을 통해 방대한 양의 데이터를 전송하기 위해 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)라고 불리는 기술에 의존합니다. 이 방식은 신호를 여러 개의 작은 하위 신호로 나누어 동시에 이동하게 함으로써 고속 인터넷과 선명한 화상 통화를 가능하게 합니다. 그러나 이 기술의 근본적인 특징 중 하나는 이러한 하위 신호들이 가끔 완벽하게 일치하여 갑작스럽고 거대한 전력 스파이크를 생성한다는 점입니다. 마치 잔잔한 강물에 몇 초마다 갑자기 거대한 파도가 솟구치는 것과 같습니다. 이것이 신호의 본질입니다. 높은 정점 대 평균 전력비(PAPR)라고 알려진 이러한 스파이크는 신호를 증폭하여 전송하는 하드웨어에 심각한 문제를 일으킵니다. 만약 증폭기가 이러한 드문 극단적 정점을 처리하도록 설정되면, 대부분의 시간 동안 비효율적으로 작동하여 엄청난 양의 에너지를 낭비하게 됩니다. 반대로 효율적으로 작동하도록 설정하면, 정점이 찌그러져 메시지가 왜곡되고 인접한 라디오 채널에 간섭을 일으키게 됩니다.

이를 해결하기 위해 엔지니어들은 신호가 송신기에서 나가기 전에 이를 다스리는 2단계 과정을 사용합니다. 먼저, 증폭기를 안전하게 유지할 수 있을 만큼만 가장 높은 정점을 깎아내는데, 이를 크레스트 팩터 감소(crest factor reduction)라고 합니다. 그다음으로, 디지털 보정이라 불리는 기술을 적용하는데, 이는 증폭기의 자연스러운 왜곡과 반대 방향으로 신호를 의도적으로 변형시켜 최종 출력이 깨끗하고 선형적이도록 만드는 과정입니다. 과제는 이 두 단계를 조화시키는 데 있습니다. 초기 절삭이 너무 공격적이면 신호의 형태가 손상됩니다. 만약 디지털 보정이 제대로 튜닝되지 않으면, 정점이 다시 자라나 첫 번째 단계의 노력을 무색하게 만들 수 있습니다. 이 두 과정을 동시에 위한 완벽한 설정을 찾는 것은 어렵습니다. 왜냐지, 한 가지를 변경하면 종종 다른 것에 부정적인 영향을 미치며, 최적의 설정은 그 순간의 라디오 장비의 특정 상태에 따라 달라지기 때문입니다.

중국 통신대학교(Communication University of China)의 연구진은 두 단계를 조정함으로써 이 균형을 자동으로 찾는 방법을 조사했습니다. 그들은 스파이크를 노이즈를 너무 많이 유발하지 않으면서 상쇄할 수 있도록 정교하게 형성된 펄스를 사용하는 특정 유형의 피크 절삭 방식과, 실시간으로 디지털 보정을 조정하는 수학적 학습 알고리즘에 초점을 맞추었습니다. 연구팀은 학습 알고리즘의 '메모리'—즉, 과거의 데이터와 새로운 데이터에 얼마나 많은 가중치를 두느냐 하는 것—가 보정 후 남은 신호 정점의 높이에 직접적인 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 과거를 너무 적게 기억하는 설정은 신호를 격렬하게 요동치게 하여 새로운 정점을 만들어내는 반면, 너무 많이 기억하는 설정은 변화하는 조건에 빠르게 적응하지 못할 수 있습니다.

연구진은 이러한 설정들의 다양한 조합을 테스트하기 위한 단계별 절차를 개발했습니다. 그들은 먼저 출력 신호가 원래 메시지와 얼마나 일치하는지를 나타내는 신호 품질이 저하되기 시작할 때까지 피크 절삭량을 점진적으로 늘렸습니다. 그들은 품질이 나빠지기 직전의 지점에서 멈추어, 시스템이 데이터를 손상시키지 않고 처리할 수 있는 최대 절삭량을 식별했습니다. 이 한계치가 설정된 후, 그들은 신호 정점을 가능한 한 낮게 유지하면서도 최상의 신호 품질을 유지할 수 있는 학습 알고리즘의 메모리 값을 조정했습니다. 이 접근 방식은 두 제어 장치를 독립적인 노브가 아니라, 하나가 다른 하나가 작동할 수 있는 안전한 환경을 조성하도록 조정되는 연결된 시스템으로 취급합니다.

실험에서 연구팀은 강력한 증폭기와 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA, 재구성 가능한 컴퓨터 칩의 일종)를 갖춘 실제 라디오 설비를 사용했습니다. 새로운 조정 방법을 적용하기 전, 시스템은 12.985 dB의 정점 대 평균 전력비를 생성하여 그들의 안전 제한치인 12.5 dB를 초과했습니다. 새로운 절차를 적용함으로써, 그들은 정점 비율을 11.593 dB로 성공적으로 줄여 요구되는 범위 내로 안전하게 가져왔습니다. 더 중요한 것은, 이러한 감소가 신호 명료도의 희생을 수반하지 않았다는 점입니다. 보정된 신호의 품질은 크게 향상되었으며, 의도된 신호와 실제 신호 사이의 오차는 3.660 dB 감소했습니다. 또한, 인접한 라디오 채널로 누설되는 간섭도 상위 채널과 하위 채널에서 각각 2.554 dB와 2.416 dB만큼 개선되었습니다.

이 연구는 단순히 정점의 볼륨을 줄이는 것만으로는 충분하지 않으며, 디지털 보정이 절삭 수준에 맞춰 튜닝되어야 한다는 것을 보여줍니다. 연구진은 정삭을 너무 과하게 밀어붙이면, 설령 정점을 더 낮추더라도 실제로는 전체적인 신호 품질을 해치고 간섭 수준을 반드시 개선하는 것도 아니라는 사실을 발견했습니다. 그들의 방법은 신호가 깨끗하고, 정점이 제어되며, 간섭이 최소화되는 최적의 지점을 찾아냅니다. 새로운, 더 낮은 정점 수준에 따라 시스템의 안전 임계값을 업데이트함으로써, 이 절차는 송신기가 미래의 운영을 위해 효율적이고 안정적인 상태를 유지하도록 보장합니다. 이 작업은 고속 데이터를 에너지 낭비나 간섭 없이 효율적으로 전송할 수 있도록 현대 무선 송신기의 복잡한 트레이드오프를 관리하는 실질적인 방법을 제공합니다.