Digital Communications

EEE3012 - Spring 2020

Instructor

Dong In Kim

dikim@skku.ac.kr

299-4585

office hours: Wed/Fri (5–6pm) in 23528

by appointment

TA Jong Ho Moon (299-4663 or menia1492@naver.com)

hand in all assignments to room 23517 (or in class)

Text

Textbooks

John G. Proakis and Masoud Salehi

Fundamentals of Communication Systems, 2nd Ed.

References

Simon Haykin

Communication Systems, 5th Ed.

Bernard Sklar

Digital Communications, 2nd Ed. Prentice Hall. 2001.

Schaum’s outlines (Hsu), 2nd Ed

Web

Course web-page

notes

assignments

handouts/old test/exams

userid: ece

password: pluto

Grading

Grading policy

assignments – 10%

final project – 20%

midterm – 25%

final – 45%

Syllabus

1. Baseband Transmission of Digital Signals (2 weeks)

effect of limited channel bandwidth (ISI)

pulse shaping with zero ISI

effect of channel noise

realization of matched filter

adaptive equalizer

2. Signal-Space Analysis (2 weeks)

geometric representation of signals

design of optimum receiver

correlation receiver

matched-filter receiver

performance of error

Syllabus

3. Band-Pass Transmission of Digital Signals (4 weeks)

coherent detection of modulated signals

phase-shift keying (PSK)

quadrature PSK (QPSK)

M-ary PSK (MPSK)

M-ary quadrature amplitude modulation (QAM)

coherent frequency-shift keying (FSK)

noncoherent detection of modulated signals

optimum quadrature receiver

noncoherent orthogonal modulation

noncoherent binary FSK

differential PSK

Syllabus

4. Multicarrier Modulation and OFDM (1.5 weeks)

orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)

modulation/demodulation in OFDM systems

OFDM system implemented via FFT algorithm

applications of OFDM

wireless LANs

LTE cellular systems

5. Information and Forward Error Correction (2.5 weeks)

channel capacity

linear block codes

convolutional codes

turbo codes

Syllabus

6. Digital Transmission in Fading Multipath Channels (2 weeks)

channel model for time-varying multipath channels

performance of binary modulation in Rayleigh fading channels

multiple antenna systems (e.g., MIMO)

spread-spectrum communication systems

direct-sequence spread spectrum

frequency-hopped spread spectrum

digital cellular communication systems

7. Ultra-low Power Communications for IoT Devices (1 week)

ambient backscatter communication

bi-static scatter radio

주요성과 주요논문 및 기술성과

초저전력(µWatt) ‘Ambient Backscatter’ 무선통신 기술 김 동 인 교수

1895년 마르코니가 최초로 3km 무선통신에 성공한 이후로 1990년대에 셀룰러 이동통신의 보급에 이르기까지 무선통신 분야는 지속

적으로 진화하면서 일상의 삶에 많은 변화를 가져왔다. 그러나 최근에 들어서서 사물인터넷(IoT: Internet-of-Things)의 등장으로 기기

간(M2M: Machine-to-Machine) 통신의 필요성이 커지면서 저전력으로 동작하는 IoT 센서의 에너지 자립을 위한 초저전력(ultra-low

power) 무선통신 기술의 개발이 많은 연구자의 주목을 받고 있다. 특별히, ‘Ambient Backscatter’ 무선통신 기술은 소모전력이 µWatt

정도의 초저전력으로 동작이 가능하여 M2M 통신의 실현에 매우 중요한 기술로 인식되고 있다.

무선에너지 하비스팅 통신융합 연구센터에서는 마이크로파(RF) 기반 원거리 무선충전 기술을 개발하여 최근 50m 거리에서 무

전원(battery-less)으로 동작하는 센서 플랫홈을 구현하여 성공적으로 시연을 하였다(데모영상: http://www.youtube.com/

watch?v=9LpE1_1xOyQ). 이러한 원거리 무선충전으로 µWatt 단위의 에너지를 공급받아 동작하는 IoT 센서의 경우 환경오염, 대기변

화 등 측정한 데이터를 AP에 업로드 하기 위해서는 초저전력으로 동작하는 새로운 무선통신 기술의 개발이 요구되고 있다.

현재 연구의 흐름은 크게 두 방향으로 진행되고 있으며, Ambient Backscatter 기반 대규모(massive) M2M 통신에서 IoT 센서 상호간

에 미치는 간섭을 제거할 수 있는 주파수 천이(FS: frequency-shifting) 방식과, 주 사용자(PU: Primary User)의 신호 및 스펙트럼을

동시에 활용하여 이차 사용자(SU: Secondary User)에 해당하는 IoT 센서의 에너지 및 스펙트럼의 효율을 동시에 높여 주는 Cognitive

Backscatter 통신 방식이 이에 해당한다. 전자의 경우는 미국 워싱톤 대학의 센서 연구그룹에서 주도적으로 연구를 수행하고 있으며, 후

자의 경우는 본 연구센터와 국제공동연구를 수행하고 있는 싱가포르 난양공대(NTU)와 함께 선도적인 연구를 수행하고 있다.

위의 국제공동연구를 수행하여 최근에 무선통신 분야 최우수 저널인 IEEE Communications Surveys & Tutorials (Impact Factor:

20.230)에 “Ambient Backscatter Communications: A Contemporary Survey” 및 IEEE Wireless Communications (Impact

Factor: 9.202)에 “Ambient Backscatter Assisted Wireless Powered Communications”을 각각 발표하고, 아울러 Cambridge

University Press 출판사의 지원으로 “Ambient Backscatter Communication Networks”의 교재를 이 분야에서 최초로 집필하여 동

분야의 연구를 선도적으로 이끌고 있다.

Ambient Backscatter 무선통신 기술의 동작은 그림 1에서 TV

또는 셀룰러/와이파이 신호 등 주변의 전자파 신호를 이용하여

IoT 센서에 수신된 전자파를 센서의 안테나를 통해 흡수(임피던

스 정합, 즉 안테나의 임피던스와 load modulator의 임피던스를

일치시키는 경우)하거나 또는 반사(임피던스 부정합)하는 간단한

안테나 스위칭을 통해 센서의 데이터를 전송할 수 있다. 따라서

종래의 마르코니 무선통신에서 신호의 변조 및 전송과정에서 필

요한 amplifier, mixer, A/D converter 등 많은 전력을 소모하는

능동소자를 사용하지 않고, 그림 2의 Backscatter transceiver

A에서 수동소자만으로 간단히 안테나 스위칭을 통해 주변의 전

자파 신호를 흡수(데이터 ‘0’)/반사(데이터 ‘1’)하는 동작으로 인

접한 Backscatter transceiver B에서 수신 에너지의 변화를 감

지하여 전송된 데이터를 쉽게 복호할 수 있다.

Backscatter 무선통신에서 데이터 전송을 위한 안테나 스위칭에

소모되는 전력은 µWatt 단위이며, 특별히 데이터 ‘0’을 전송하는

경우 주변의 전자파를 흡수하여 에너지를 수집할 수 있어 센서의

수명(lifetime)을 길게 유지할 수 있는 이점이 있다.

▲ 그림 1. Backscatter 무선통신 시스템 (a) 송신부, (b) 수신부

▲ 그림 2. Ambient Backscatter 무선통신 시스템 구조