KR100363382B1 - 근거리 무선 네트워크에서의 채널 왜곡 보상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에서 근거리 무선 네트워크에서의 채널 왜곡 보상 장치는 송신측 변조장치에서 송출되는 신호의 채널에 추정값을 곱하여 신호 채널 상의 왜곡된 위상 성분을 복원하는 위상복원블록; 위상복원블록에 의해 위상이 복원된 신호에 복소 코드 워드를 곱하여 심볼 주기 동안 에너지를 모으는 상관 과정을 거쳐 결정변수를 구하는 코드워드상관기블록; 코드워드상관기블록에 의해 출력되는 결정변수에서 최대 크기를 갖는 상관값을 선택하며, 최대 크기를 갖는 상관값에 따라 6비트의 데이터를 복호하는 최대상관검파블록; 최대상관검파블록에 의해 검파된 최대 상관값의 극성의 조합을 이용하여 위상을 검출하며, 최대 크기를 갖는 상관값에 따라 2비트의 데이터를 복호하는 복소극성검파블록; 최대상관검파블록에 의해 선택된 최대 상관값을 발생시킨 하나의 코드 워드와, 복소극성검파블록에 의해 선택된 위상을 이용하여 채널 추정을 수행하는 채널추정블록; 최대상관검파블록에 의해 복호된 6비트의 데이터와, 복소극성검파블록에 의해 복호된 2비트의 데이터를 결합하여 복원하고, 복원된 병렬의 8비트 데이터를 직렬 데이터로 변환하는 수신측 멀티플렉스를 구비한다. 따라서, 채널 왜곡 현상을 보상할 수 있으며, 이로 인하여, 기존 채널 보상 방식으로 사용되는 학습 신호 및 파일롯 신호를 사용하지 않음에 따라 동기 검파를 가능하게 하면서 채널 정보를 손쉽게 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

근거리 무선 네트워크에서의 채널 왜곡 보상장치{APPARATUS FOR COMPENSATING MULTIPATH FADING CHANNELS IN WIRELESS PERSONAL AREA NETWORK}

본 발명은 근거리 무선 네트워크(Wireless Personal Area Network : 이하, WPAN이라 약칭함)에서의 채널 왜곡 보상장치에 관한 것으로, 특히 사무실 등의 근거리 실내에서 무선으로 연결되는 네트워크 방식을 사용할 경우에 발생되는 신호의 반사, 굴절, 회절이나 기타 산란 등의 채널 왜곡 현상을 보상할 수 있도록 하는 채널 왜곡 보상장치에 관한 것이다.

통상적으로, WPAN 시스템은 다수의 다양한 장비들을 근거리에서 무선으로 연결시켜 생성하는 네트워크를 의미한다. 이러한 네트워크를 형성함으로써 개인은 다양한 장비들을 통합하여 사용할 수 있고 이를 통해 보다 다양한 일을 손쉽게 할 수 있는 것이다.

그러나, WPAN 시스템이 주로 이용될 것으로 예상되는 사무실 등의 실내에서는 송신 신호의 반사, 굴절, 회절이나 기타 산란 등의 채널 왜곡으로 인해 성능이 더욱 저하되게 되며, 채널 왜곡 보상기에 의한 채널 왜곡의 보상은 필수적이다.

그런데, 현재 대부분의 WPAN 시스템은 시스템 복잡도 문제로 인하여 채널 왜곡 보상기를 채택하지 않고, 채널 보상 방식을 제안하는데, 이 제안되는 채널 보상 방식은 신호가 전송되는 채널에 관한 채널 정보를 필요로 한다. 즉, 채널 정보를 얻기 위해 파일롯 신호나 학습 신호를 사용하여 채널 왜곡 보상기에서 필요로 하는 채널 정보를 제공한다.

이 파일롯 신호나 학습 신호를 사용하는 방식은 송신기 구조에 따라 영향을 받으며, 결과적으로 수신 단의 복잡도를 초래한다. 즉, 파일롯 신호를 사용하는 방식은 송신기단에서 특정 주파수에 약속된 신호를 전송함으로써 수신 단에서 채널을 통과한 파일롯 신호로부터 채널 정보를 얻게 되며, 학습 신호를 사용하는 방식은 데이터를 전송하기 전에 약속된 신호를 전송함으로써 수신 단에서 이 신호를 이용하여 채널 보상을 하게 된다.

보다 상세하게 설명하면, 상술한 파일롯 신호나 학습 신호를 사용하는 채널 보상 방식을 사용하기 위해서 수신기의 구조가 이들에 대한 정보를 줄 수 있도록 설계되어야 한다.

이러한 수신기 구조는 규격으로 정해지기 때문에 이러한 방식을 사용한다는 것은 한정적일 뿐만 아니라, 파일롯 신호를 사용하는 경우에는 특정 주파수에 파일롯 신호를 전송하여야 하기 때문에 주파수 효율성이 저하되면, 학습 신호를 사용하는 방식의 경우에도 전송 패킷에 학습 신호를 같이 포함시켜야 하기 때문에 데이터 전송률의 저하를 초래한다.

또한, WPAN 시스템에서는 전력 소모 등의 이유로 파일롯 신호 및 학습 신호를 사용하지 않아 채널 정보를 얻을 수 있는 동기 검파가 불가능하다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 사무실 등의 근거리 실내에서 무선으로 연결되는 네트워크 방식을 사용할 경우, 송신측으로부터 수신된 신호에 채널 추정값을 곱하여 채널 상에서 왜곡된 위상 성분을 복원하여 채널 왜곡 현상을 보상할 수 있도록 하는 근거리 무선 네트워크에서의 채널 왜곡 보상장치를 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에서 근거리 무선 네트워크에서의 채널 왜곡 보상장치는 송신측 변조장치에서 송출되는 신호의 채널에 추정값을 곱하여 신호 채널 상의 왜곡된 위상 성분을 복원하는 위상복원블록; 위상복원블록에 의해 위상이 복원된 신호에 복소 코드 워드를 곱하여 심볼 주기 동안 에너지를 모으는 상관 과정을 거쳐 결정변수를 구하는 코드워드상관기블록; 코드워드상관기블록에 의해 출력되는 결정변수에서 최대 크기를 갖는 상관값을 선택하며, 최대 크기를 갖는 상관값에 따라 6비트의 데이터를 복호하는 최대상관검파블록; 최대상관검파블록에 의해 검파된 최대 상관값의 극성의 조합을 이용하여 위상을 검출하며, 최대 크기를 갖는 상관값에 따라 2비트의 데이터를 복호하는 복소극성검파블록; 최대상관검파블록에 의해 선택된 최대 상관값을 발생시킨 하나의 코드 워드와, 복소극성검파블록에 의해 선택된 위상을 이용하여 채널 추정을 수행하는 채널추정블록; 최대상관검파블록에 의해 복호된 6비트의 데이터와, 복소극성검파블록에 의해 복호된 2비트의데이터를 결합하여 복원하고, 복원된 병렬의 8비트 데이터를 직렬 데이터로 변환하는 수신측 멀티플렉스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 근거리 무선 네트워크에서 CCK 변조방식이 채택된 송신측 변조장치에 대한 블록 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 근거리 무선 네트워크에서의 수신측 채널 왜곡 보상장치에 대한 블록 구성도이며,

도 3은 본 발명에 따른 β값에 따른 채널 추정 에러의 확률밀도 함수에 대하여 도시한 도면이며,

도 4는 본 발명에 따른 채널 추정기의 추정 에러율에 대하여 도시한 도면이며,

도 5는 본 발명에 따른 채널 추정 방식의 비트 에러율 성능에 대하여 도시한 도면이며,

도 6a는 본 발명에 따른 위상 변수 인코딩 규칙을 표로서 도시한 도면이며,

도 6b는 본 발명에 따른 위상 변수에 대한 차동 QPAK 변조 규칙을 표로서 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 송신측 멀티플렉스 2 : 코드워드선택블록

3 : 차동변조블록 10 : 위상복원블록

20 : 코드워드상관기블록 30 : 최대상관검파블록

40 : 복소극성검파블록 50 : 채널추정블록

60 : 수신측 멀티플렉스

a : 코드워드정보라인 b : 극성정보라인

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 근거리 무선 네트워크에서 씨씨케이(Complementary Code keying : 이하, CCK라 칭함) 변조방식이 채택된 송신측 변조장치에 대한 블록 구성도로서, 송신측 멀티플렉스(multiplex)(1)와, 코드워드선택블록(2)과, 차동변조블록(3)을 포함한다.

송신측 멀티플렉스(1)는 송신측 단말기(도시되지 않음)에 의해 송출되는 직렬 데이터를 병렬 데이터로 변환하는 블록으로서, 변환된 병렬 데이터 중 8비트의 데이터()에서 6비트의 데이터를 코드워드선택블록(2)에 제공하며, 2비트의 데이터를 차동변조블록(3)에 제공한다.

코드워드선택블록(2)은 6비트의 데이터를 가지고 64개의 복소 코드 워드 중 한 개의 코드 워드, 즉를 선택하여 차동변조블록(3)에 제공한다.

차동변조블록(3)은 송신측 멀티플렉스(1)로부터 제공되는 2비트의 데이터를 이용하여 코드워드선택블록(2)에 의해 선택되어 제공되는 한 개의 코드 워드의 위상을 바꾼 송신 신호, 즉 수학식(7)과 같은 송신 신호를 도 2에 도시된 위상복원블록(10)에 송출한다.

여기서, 8비트의 데이터, 즉 8비트의 코드 1워드는 수학식(1)과 같이로 표현된다.

여기서,는 전송되는 정보 비트에 따라 결정된다. 즉, 11Mbps의 전송율의 경우, 8비트의 데이터()는 도 6a에 도시된 바와 같이, 전송할 위상 변수,,,중에서 하나의 변수를 결정하게 된다.

이때, 연속되는 두개의 비트에 대한 차동 변조 방식이 적용되는데, 적용될 때의 인코딩 규칙은 도 6b에 도시된 바와 같이 수행된다.

따라서, 도 6a 및 도 6b에 도시된 것에 의해서 위상 변수,,,의 값이 결정되면,로 표현되는 64개의 복소 코드 워드를 이용하여 수학식(2) 및 수학식(3)과 같이 표현된다.

그리고, 수학식(2) 및 수학식(3)을 이용하면, 전송 신호는 수학식(4)과 같이정의된다.

여기서,는 전송 전력,는 반송 주파수, 그리고는 심볼 주기를 나타낸다. 다시 말해서, 건물 내에서 사용되는 무선 WPAN 시스템의 경우, 검파기 대역폭(coherence bandwidth)과 검파기 시간(coherence time)으로 대표되는 채널 특성은 수학식(5)과 같이 정의된다.

상술한 바와 같은 가정하에서 2.4GHz대에서 11Mbps로 동작하는 무선 WPAN 시스템의 채널은 수학식(6)과 같이 저속 주파수 선택적 페이딩(fading) 채널로 모델링된다.

여기서, N은 다경로 채널수,,, 및은 각각 n번째 채널의 크기, 위상 및 지연 성분을 나타낸다.

또한, j번째 복소 코드 워드가 전송되었다고 가정하면, 채널 통과후의 복소 송신 신호는 수학식(7)과 같이 정의된다.

여기서, n(t)는 평균이 영인 가우시안 잡음을 의미한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 근거리 무선 네트워크에서의 수신측 채널 왜곡 보상장치에 대한 블록 구성도로서, 위상복원블록(10)과, 코드워드상관기블록(20)과, 최대상관검파블록(30)과, 복소극성검파블록(40)과, 채널추정블록(50)과, 수신측 멀티플렉스(60)를 포함한다.

위상복원블록(10)은 도 1에 도시된 차동변조블록(3)에 의해 송출되는 송신 신호, 즉 수학식(7)의 신호에 채널추정블록(50)에 의해 계산된 채널 추정값을 곱하여 채널 상에서 왜곡된 위상 성분을 복원하여 코드워드상관기블록(20)에 제공한다.

코드워드상관기블록(20)은 위상복원블록(10)에 의해 위상이 복원된 수학식(7)의 신호에 64개의 복소 코드 워드를 곱하여 수학식(8)∼수학식(12)에 정의된 것과 같이 심볼 주기동안 에너지를 모으는 상관 과정을 거치게 되며, 최종적으로 64개의 복소 상관값, 즉 l번째 브랜치에 대한 결정변수및을 구하여 최대상관검파블록(30)에 제공한다.

여기서,이며,이다.

상술한 수학식(8)에서 결정 변수은 수학식(9)과 같이 정의된다.

여기서,는 다 경로로 인한 l번째 레이크(RAKE) 브랜치에 대한 자기 간섭 성분이고,는 가우시안 잡음으로 인한 영향을 나타낸다. 이와 동시에, 결정 변수와,및도 수학식(10, 11, 12)과 같이 구할 수 있다.

특히, 코드워드상관기블록(20)에서 최대상관검파블록(30)에 제공된 l번째 브랜치에 대한 결정변수및는값에 따라 두 가지 형태를 취하게 된다.

즉,인 경우(또는)에,의 동 위상 및 직교위상 성분은 수학식(13, 14)과 같은 형태를 취한다.

반면에,경우(또는)에는및이 수학식(15, 16)과 같은 형태를 취한다.

최대상관검파블록(30)은 코드워드상관기블록(20)에 의해 출력되는 64개의 결정변수및에서 최대 에너지(크기)를 가지는 상관값및을 선택하는 블록으로서, 코드워드상관기블록(20)에서 상술한 수학식(13,14,15,16)에 의해 출력되는 결정변수및에서에 대해 ||과 ||이 각각 최대가 되는 상관값을 구하여 복소극성검파블록(40)에 제공하며, 또한 최대 상관값에 따라 6비트의 데이터를 복호하여 코드워드정보라인(a)를 통해 수신측 멀티플렉스(60)에 제공한다. 이때, 최대 상관값을및로 표현하며, 이 값들은 m=j인 경우에 가장 높은 확률을 발생한다.

상술한 바와 같이, 최대상관검파블록(30)에 의해 선택된 최대 상관값을 이용할 경우, 최대 상관값및이 가우시안 잡음과 채널 계수를 포함하는 실수부 및 허수부로서 표현된다. 특히, 다 경로 성분으로 인한 자기 간섭 성분과 가우시안 잡음으로 인한 간섭 성분이 평균이 영인 가우시안 변수이기 때문에, 최대 상관값및에 기초한 언바이어스드(unbiased) 추정기를 설계할 수 있다.

복소극성검파블록(40)은 최대상관검파블록(30)에 의해 검파된 최대 상관값및의 극성(+ 또는 -)을 검파하는 블록으로서, 최대 상관값및의 극성(+ 또는 -)의 4가지 조합, 즉 + +, +-, -+, --의 조합을 이용하여 도 6b에 도시된 큐피에스케이(Quadrature Phase Shift Keying : 이하, QPSK라 약칭함) 변조 규칙의 데이터 2비트를 판단하여 이에 해당되는 위상을 검출하고, 검출된 위상을 채널추정블록(50)에 제공하며, 또한, 최대 상관값및에 따라 2비트의 데이터를 복호하여 극성정보라인(b)을 통해 수신측 멀티플렉스(60)에 제공한다.

채널추정블록(50)은 64개의 코드 워드 중, 최대상관검파블록(30)에 의해 선택된 최대 상관값을 발생시킨 하나의 코드 워드와, 복소극성검파블록(40)에 의해 선택된 위상을 이용하여 수학식(17)과 같이 채널 추정을 수행하고, 수행된 채널 추정값을 위상복원블록(10)에 제공한다. 이때 복소극성검파블록(40)에 의해 선택된 위상에 따라 수학식(17)과 같이 채널 추정 방식이 두 가지 경우로 구분된다.

여기서,는 시간 t에서 l번째 경로에 해당하는 채널에 대한 예측치를 나타내며, β는 채널 예측시에 사용되는 갱신 변수이다.

수신측 멀티플렉스(60)는 위상복원블록(10)내지 최대상관검파블록(30)에 의해 위상이 복원되면서 복호된 6비트의 데이터와, 복소극성검파블록(40)에 의해 복호된 2비트의 데이터를 결합하여 복원하고, 복원된 병렬의 8비트의 데이터를 직렬의 데이터로 변환하여 수신측 단말기(도시되지 않음)에 송출한다.

한편, 도 2에 도시된 근거리 무선 네트워크에서의 수신측 채널 왜곡 보상장치에 대한 블록 구성도를 참조하면서, 채널 추정 방식을 검증하기 위해, N=4와 도플러 주파수에 대해서 시뮬레이션 실험을 수행하여 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같은 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있다.

즉, 도 3은 본 발명에 따른 β값에 따른 채널 추정 에러의 확률밀도 함수에 대하여 도시한 도면으로서, β=0.8인 경우에 추정 에러의 확률 밀도 함수가 최소의 분산값이며, β=1.0인 경우에 추정 에러의 확률 밀도 함수가 최대의 분산값을 가짐을 알 수 있다. 여기서, β값은 채널 환경에 민감하기 때문에, 저속 페이딩(fading)인 경우에는 비교적 큰 β값이 적절하며 고속 페이딩(fading)인 경우에는 적은 β값이 유리하다. 여기서, β값은 0보다 크거나 같고, 1보다는 작거나 같다(0≤β≤1).

그리고, 도 4는 본 발명에 따른 채널 추정기의 추정 에러율에 대하여 도시한 도면으로서, 채널 추정기가 채널 크기보다 채널 위상을 보다 효과적으로 보상함을 알 수 있다. 즉, 일반적으로 채널 위상 에러가 채널 크기 에러보다 시스템 성능에 주된 영향을 미치기 때문에, 이러한 채널 위상에 대한 보상은 비트 에러율을 크게 향상시킨다.

또한, 도 5는 본 발명에 따른 채널 추정 방식의 비트 에러율 성능에 대하여 도시한 도면으로서, β값에 따른 비트 에러율을 보여 주고 있다. 즉, 채널 위상에 대한 보상으로 인해 높은 신호대 잡음비(SNR)에서 기존 비동기식 검파기에 비해 최적 검파기에 근접되도록 회로를 설계함에 따라 향상된 성능을 보임을 알 수 있는 것이다.

즉, β값이 0.8일 때, 최적 검파기에 가장 근접하며, β값이 1.0일 때, 비동기 검파기에 가장 근접하게 됨에 따라 수학식(17)에서 β값을 0.8로 적용하여 최적 검파기에 가장 근접하도록 회로를 설계해야 하는 것이다.

상기와 같이 설명한 본 발명은 사무실 등의 근거리 실내에서 무선으로 연결되는 네트워크 방식을 사용할 경우, 송신측으로부터 수신된 신호에 채널 추정값을 곱하여 채널 상에서 왜곡된 위상 성분을 복원함으로써, 채널 왜곡 현상을 보상할 수 있으며, 이로 인하여, 기존 채널 보상 방식으로 사용되는 학습 신호 및 파일롯 신호를 사용하지 않음에 따라 동기 검파를 가능하게 하면서 채널 정보를 손쉽게 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 근거리 무선 네트워크의 씨씨케이(Complementary Code keying : 이하, CCK라 칭함) 변조방식이 채택된 송신측 변조장치에서 송출되는 신호 채널의 왜곡을 보상하는 수신장치에 있어서,

   상기 송신측 변조장치에서 송출되는 신호의 채널에 추정값을 곱하여 상기 신호 채널 상의 왜곡된 위상 성분을 복원하는 위상복원블록;

   상기 위상복원블록에 의해 위상이 복원된 상기 신호에 복소 코드 워드를 곱하여 심볼 주기 동안 에너지를 모으는 상관 과정을 거쳐 결정변수를 구하는 코드워드상관기블록;

   상기 코드워드상관기블록에 의해 출력되는 결정변수에서 최대 크기를 갖는 상관값을 선택하며, 상기 최대 크기를 갖는 상관값에 따라 6비트의 데이터를 복호하는 최대상관검파블록;

   상기 최대상관검파블록에 의해 검파된 최대 상관값의 극성의 조합을 이용하여 위상을 검출하며, 상기 최대 크기를 갖는 상관값에 따라 2비트의 데이터를 복호하는 복소극성검파블록;

   상기 최대상관검파블록에 의해 선택된 최대 상관값을 발생시킨 하나의 코드 워드와, 상기 복소극성검파블록에 의해 선택된 위상을 이용하여 채널 추정을 수행하는 채널추정블록;

   상기 최대상관검파블록에 의해 복호된 6비트의 데이터와, 상기 복소극성검파블록에 의해 복호된 2비트의 데이터를 결합하여 복원하고, 상기 복원된 병렬의 8비트 데이터를 직렬 데이터로 변환하는 수신측 멀티플렉스를 포함하는 것을 특징으로 하는 근거리 무선 네트워크에서의 채널 왜곡 보상장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코드워드상관기블록은,

   상기 복소극성검파블록에 의해 검출된 위상에 따라 두 가지의 결정변수 형태를 취하는데,

   상기 위상이인 경우(또는)에,

   및

   의 형태를 취하며,

   상기 위상이경우(또는)에,

   및

   의 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 근거리 무선 네트워크에서의 채널 왜곡 보상장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 채널추정블록은,

   상기 채널 추정을 수행함에 있어, 상기 채널 추정 과정 식은

   의 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 근거리 무선 네트워크에서의 채널 왜곡 보상장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 복소극성검파블록은,

   상기 최대 상관값 극성의 4가지(+ +, +-, -+, --) 조합을 이용하여 큐피에스케이(Quadrature Phase Shift Keying) 변조 규칙의 데이터 2비트를 판단하여 위상을 검출하여 상기 채널추정블록에 제공하는 것을 특징으로 하는 근거리 무선 네트워크에서의 채널 왜곡 보상장치.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 채널추정블록은,

   상기 신호 채널 예측 시에 사용되는 갱신 변수β=0.8의 값에 의해 최소의 분산값을 가지며, 상기 β값이 채널 환경에 민감함에 따라 저속 페이딩(fading)인 경우 큰 β값을 사용하며, 고속 페이딩(fading)인 경우 적은 β값을 사용하며, 상기 β값의 범위는 0보다 크거나 같고 1보다는 작거나 같은 것을 특징으로 하는 근거리 무선 네트워크에서의 채널 왜곡 보상장치.