KR100551114B1 - 통신 시스템에서의 효율적인 동기화 방법 - Google Patents

통신 시스템에서의 효율적인 동기화 방법 Download PDF

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Abstract

본원은 반복적인 시퀀스가 동일한 반복 길이를 갖는 무선 통신 시스템에서의 반복적인 시퀀스를 구별하는 방법에 관한 것이다. 구별을 위하여, 반복 시퀀스는 하나 이상의 시퀀스의 위상을 변화시킴으로써 변경된다. 반복 시퀀스 및 변경된 반복 시퀀스의 자기-상관 값이 계산되어, 상기 반복 시퀀스 및 변경된 시퀀스의 자기-상관 부호가 비교된다.
프리엠블, 반복 시퀀스, 변경된 시퀀스, 위상 변화, 상호-상관

Description

통신 시스템에서의 효율적인 동기화 방법 {METHOD FOR EFFICIENT SYNCHRONISATION IN A COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 통신 시스템에서 물리층 프리엠블 수단과의 효율적인 동기화방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 무선 근거리 통신망 및/또는 무선 비동기 전송 모드(ATM) 시스템 뿐만 아니라 공중 액세스 시스템으로 사용될 수 있는 단거리 고속 데이터 통신 시스템의 효율적인 동기화 방법에 관한 것이다.
무선 근거리 통신망(WLAN) 및 무선 ATM 시스템을 위한 단거리 고속 데이터 통신 시스템에 대한 요구가 증가하고 있다. 새로운 시스템의 중요한 특성은 집중형 매체 액세스 제어(MAC)이며, 이것은 이용가능한 주파수 스펙트럼을 효율적으로 사용하도록 의도된다. 또한 기지국이라 일컬어지는 액세스 포인트(AP)는 다운-링크 및 업-링크 둘 모두에 대해 용량을 할당함으로써 채널 액세스를 제어하며, 또한 단말기 어댑터(TA)로 일컬어지는 이동 단말기(MT)는 각각의 "채널" 예컨대, 타임 슬롯에서 송수신한다. 이러한 집중형 MAC는 통상적으로 GSM과 같은 셀룰러 이동 무선 시스템에서 사용된다.
그러한 새로운 통신 시스템의 특성은 프로토콜 데이터 유닛(PDU)이 데이터를전송한다는 것이다. 특히, 단지 소수의 PDU 형태, 예컨대, 제어 정보용 (제어 PDU) 및 실제 데이터용 (데이터 PDU) PDU 형태가 존재하며, 각각의 형태는 고정된 크기를 갖는다. 새로운 통신 시스템은 세 가지 부분, 즉 물리층, 논리 링크 제어(LLC) 및 MAC를 포함하는 데이터 링크 제어(DLC), 및 수렴 층(convergence layer)(CL)을 포함하는 것으로 규정된다. CL은 상위층과 DLC 사이의 인터페이스이다. 예컨대, TCP/IP에 대한 CL이 존재할 수 있으며, 이것은 IP 패킷을 (데이터) PDU로 분할한다. DLC 층은 어떤 헤더 정보를 부가하여 물리층에 고정된 크기의 PDU를 제공한다.
새로운 통신 시스템의 물리층은 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)를 기반으로 하게 된다. OFDM 신호는 소정 수(예컨대, 64)의 부반송파로 구성되어 있으며, 이 부반송파는 직교 협대역 변조 반송파의 시퀀스이며, 이것은 소정 채널의 이용가능한 스펙트럼 대역폭을 채운다. 중심 부반송파는 또한 DC 부반송파라 일컬어진다. 그러므로, 물리층 상에 데이터 유닛의 세분성(granularity)은 OFDM 심벌이다.
다양한 표준에 따라 수행되는 WLAN 시스템이 존재한다. IEEE802.11.이 일례이며 이러한 시스템은 5 GHz 모드를 갖는데, 이것은 본 발명에서 사용된 시스템과 유사한 물리층 파라미터를 포함하게 된다. 그러나, IEEE802.11 시스템은 무선으로 IP 패킷을 송신하도록 설계된다. 프로토콜 원리는 이더넷(Ethernet)과 유사하며; 그러므로 MAC은 본 발명의 시스템과 매우 상이하다. IEEE802.11 시스템에서, 예컨대, IP 패킷 또는 가변 길이의 그 세그먼트가 전송된다.
MAC 프레임은 데이터 블럭 뿐만 아니라 논리 채널을 할당하는 트래픽 제어 정보를 포함하는 여러 필드로 구성되어 있다. 동기화 및 채널 추정을 위하여, 프리엠블이 각 블럭의 시작부분에 부가될 수 있다.
데이터 포맷을 간단하게 하기 위하여, 다양한 채널의 프리엠블은 동일한 주기 길이의 반복적인 시퀀스, 즉 64 포인트 FFT(고속 퓨리에 변환) 길이의 1/4로 반복을 포함한다. 새로운 통신 시스템과 간섭할 수 있는 다른 공존하는 통신 시스템을 갖는 환경에서 동작시, 그 공존하는 시스템도 또한 동일한 반복 거리(L)를 사용할 수 있으며, 여기서 거리는 반복적인 시퀀스의 길이이다.
동일한 반복 거리의 재사용으로 인해, 이동 단말기는 셀에서 어떤 AP의 MAC 프레임 구조와의 동기화시에 상당한 문제를 겪을 수 있는데, 그 이유는 BCCH-TS에서 사용되는 반복 길이를 예컨대, ULCH-TS에서 다른 TA에 의해 사용되는 반복 길이와 잘못 해석할 수 있기 때문이다. 이러한 경우라면, TA는 상기 에러있는 검출 사상으로부터 복구하기 위한 수단, 즉 가능한한 빠르게 잘못된 경보를 검출하기 위한 수단을 제공받아야만 한다.
제 2 문제점은 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 소정 주파수 대역에서 W/Hz로 제한하는 스펙트럼 요구이다. 프리엠블 시퀀스가 항상 부반송파의 동일한 서브셋을 사용하는 경우, 이것들은 통상적인 에어프레임(airframe)에 대하여 증가된 전력 스펙트럼 밀도를 가질 수 있으며, 예컨대, 4번째 마다의 부반송파는 강화된 PSD를 가지게 된다.
제 3 문제점은 표준 규정으로 인해, DC 부반송파가 사용될 수 없어서 반복적인 프리엠블 시퀀스의 전력 스펙트럼에서 DC 주위에 부반송파보다 두배 만큼 큰 갭이 존재한다는 것이다. 그러므로, 스펙트럼의 이 부분에서 주파수 다이버시티가 거의 이용되지 않는다.
본 발명은 상술된 동기화, 전력 스펙트럼 밀도 및 주파수 다이버시티 문제점을 해결하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 다양한 입력 전력 레벨 및 주파수 오프셋에 견디며 동일한 반복 거리를 갖는 반복 시퀀스의 구별을 개선하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 또한 소정 주파수 대역에서 주파수 다이버시티 및 전력 스펙트럼 밀도를 제한하는 방법을 제공하는 것이다.
상술된 목적은 본 발명의 방법에 의해 충족되는데, 이 방법에 따르면, 반복적인 시퀀스가 우선 위상을 변화시킴으로써 변경되며, 대응하는 자기-상관 크기 및 부호가 그 시퀀스의 검출 및 구별에 사용된다.
본 발명으로 제공되는 장점은 상술된 문제점이 해결될 수 있다는 것이다. 본 발명은 프리엠블의 구별을 개선하며 통신 시스템의 안정성(robustness)을 증가시킨다. 더욱이, 본 발명은 이용가능한 주파수 스펙트럼의 보다 효율적인 사용을 가능하게 한다.
본 발명의 보다 완전한 이해를 위하여, 첨부 도면과 관련한 다음의 상세한 기술이 참조된다.
도 1은 동적인 TDMA/TDD 시스템에서 MAC 프레임의 예를 도시한 도면.
도 2a,b, 및 c는 상이한 반복 시퀀스 및 이들의 대응하는 자기-상관 값을 도시한 도면.
도 3은 자기-상관의 계산을 도시한 흐름도.
이하, 본 발명이 보다 상세히 기술된다. 본 발명의 방법을 사용함으로써 해결되는 문제점의 이해를 용이하게 하기 위하여, 유연한 MAC 프레임의 보다 상세한 예가 도 1을 참조하여 기술될 것이다.
프레임은 브로드캐스트 제어 채널(BCCH)로 시작하며, 이것은 하나의 AP에 의해 커버되는 셀에 전체에 걸쳐 전송되는 정보를 포함한다. 상이한 MT로의 논리 채널의 할당은 종종 요청 허가 채널(request grant channel)로 일컬이지는 FCCH(프레임 제어 채널)에서 전송된다. 이것은, 다운링크 데이터 블럭을 수신 및/또는 업링크 데이터 블럭을 송신하는 것이 예상될 때 각각의 MT가 프레임내의 전용 시간 주기를 정확하게 알고 있다는 것을 의미한다. 이하, MT로 지정되거나 MT에 의해 송신되는 데이터 블럭을 "버스트"라 한다. 랜덤 액세스 채널(RACH)이 프레임의 종단에 위치된다. MT는 자신의 할당된 업-링크 채널(ULCH 또는 UL)에서 또는 하나의 랜덤 액세스 채널을 통하여 용량에 대하여 요구할 수 있다.
각 필드 내에서, 데이터는 AP로부터 하나의 MT로 전송되거나, 또는 그 반대로 전송된다. 이 전송된 데이터는 전체의 셀을 커버한다. 각 버스트는 하나 이상의 PDU를 포함한다. DLC 층에서, 여러 PDU의 연속(concatenation)은 또한 PDU 열(train) 또는 ATM 셀을 전송하는 경우에는 "ATM 셀" 열로 일컬어질 수 있다. 물리층 상에서, 프리엠블은 동기화 및 채널 추정을 위하여 각 버스트의 시작부분에 부가될 수 있다. 채널 액세스 방식은 동적인 TDMA이다. 그러므로, 버스트는 가변 길이를 갖는다.
버스트에 부가된 프리엠블은, 트레이닝 시퀀스라고 일컬이지며 (프리엠블과 트레이닝 시퀀스라는 용어는 이하에서 교대로 사용됨), 자신들이 속하는 각각의 채널, 예컨대, BCCH-TS(브로드캐스트 채널 트레이닝 시퀀스), ULCH-TS(업-링크 채널 트레이닝 시퀀스)로 라벨되어, OFDM 심벌의 m-번째(m은 0보다 큰 정수)마다의 부반송파만을 사용함으로써 생성될 수 있다. 이것은 FFT 길이 내에서 m번 반복하는 패턴을 발생시키며, 상기 시스템의 경우 64인데, 예컨대 4-번째 마다의 부반송파를 사용하는 것은 L=16의 반복 시퀀스 길이를 발생시킨다.
TS의 실제 목적은 프레임 시작의 검출, 수신된 전력 레벨의 측정 및 주파수 오프셋 추정이다. 본 발명의 통신 시스템에서, 제안된 프리엠블 구조는 세 부분, 즉 A, B 및 C 부분로 구성되어 있으며, 여기서 A 부분은 검출, 전력 레벨 추정(AGC) 및 정밀하지않은(coarse) 시간 추정에 사용된다. 이러한 검출 (및 상이한 TS의 구별) 및 추정은 각기 다른 입력 전력 레벨 및 주파수 오프셋에 견디어야만 한다.
상술된 MAC 프레임은 다수의 가능한 필드 배열의 일례이다. 필드의 상이한 순서도 또한 발생될 수 있다. 더욱이, 상술된 필드의 어떤 것은 나타나지 않으며 다른 것이 부가될 수 있지만, 본 발명은 여전히 적용가능하다. 반복적인 패턴은 상기 설명된 다수의 문제를 발생시킨다.
이러한 문제점에 대한 본 발명의 해결책은 아래와 같다:
다른 트레이닝 시퀀스에 사용된 반복 거리를 재사용하기 위하여, 반복 시퀀스 내에 포함되는 위상 정보가 변경된다.
바람직한 실시예에서, 개별적인 시퀀스는 인접한 시퀀스에서의 반복된 샘플의 위상이 180도 상이하도록 생성된다.
이것은 바람직한 실시예를 설명하기 위해 사용된 특정한 예에 대하여, 주파수 도메인에서 로딩된 부반송파 세트를 2 부반송파 만큼 시프팅함으로써 달성될 수 있다. 이로써, 샘플마다의 선형적으로 증가하는 위상 오프셋이 시간 도메인에 도입되며, 이것이 D=16 샘플의 거리에서 정확하게 180도이므로, TS의 원하는 위상 특성이 구현된다. 이 방법에 의하면 TS 내에 포함된 모든 시퀀스의 위상 정보 뿐만 아니라, 모든 다른 시퀀스의 위상 정보도 변경된다는 것을 알아야 한다. 그러나, TS의 원리적인 구조는 바람직한 실시예에 의해 유지된다.
이와 같이 함으로써, 상기 변경된 반복적인 트레이닝 시퀀스의 자기-상관은 변경되지 않은 반복적인 시퀀스와 비교하여 반대의 부호를 가질 것이다. 이러한 반대의 부호는 예컨대, BCCH-TS와 LUCH-TS를 구별하는데 사용될 수 있다. 이 구별은 또한 주파수 오프셋을 가지고 수신된 TS에 대해서도 가능하다. 오프셋은 자기-상관을 회전시키지만, 그 회전이 +/- 90도를 초과하지 않는한, 구별은 단순히 자기-상관 값의 실수부의 부호를 관찰하는 것만으로 가능하다. 새로운 통신 시스템에서 최대 240 KHz 의 주파수 오프셋이 발생할 수 있다. 자기-상관 오프셋(D=16)을 이용하면, 회전은 70도 미만이 된다. 구별 특성은 또한 신호 값이 클리핑될때(clipped), 즉, 최대값으로 제한될 때 유지된다. 이것은 알려지지 않은 입력 전력 레벨로 신호를 수신하는 경우 그러할 수 있다. 단지 BCCH-TS에 대해서만 변경된 TS(TS')를 사용함으로써, 잘못된 경보없이 프레임 시작을 검출할 수 있는데, 그 이유는 모든 다른 검출이 TS 및 TS'의 구별 특성을 사용함으로써 폐기되기 때문이다. 다른 검출은 MAC 프레임 내의 다른 버스트 또는 반복적인 프레엠블을 사용하여 임의의 다른 시스템으로부터 행하여질 수 있다.
간단하게 하기 위하여, 이하, 위상 변경이 반드시 간단한 부호 반전에 의해서가 아니라 전체 TS에 대해 선형적으로 증가하는 위상에 의해 달성될지라도, "부호 반전" 이라는 표현 및 다른 유사한 표현은 상술된 바와 같이 반복적인 시퀀스에 적용된 위상 변경을 의미하는 것이다.
상술된 바와 같이, 주파수 도메인에서, 상기 변경은 부반송파 사이의 거리의 반씩 스펙트럼을 시프트하는 것과 동일하다. 예컨대, 4번째 마다의 부반송파로 시작하면, 부호 변화 이후에, 부반송파는 2씩 시프트된다. 그러므로, 변경된 스펙트럼 및 원래의 스펙트럼은 중첩되지 않으며 원래 허용된 스펙트럼의 상이한 부분을 사용하므로, 이전보다 더 균일하게 PSD를 사용할 수 있다.
더욱이, 사용될 수 없는 원래 DC 부반송파가 새로운 통신 시스템에서 허용된 부반송파로 시프트된다. 그 결과, 변경된 트레이닝 시퀀스의 스펙트럼의 중앙에 부반송파의 부가적인 갭이 없으므로, 보다 높은 주파수 다이버시티가 이용될 수 있다.
도 2a,b 및 c는 대응하는 자기-상관 값의 플롯(plot)에 따른 다수의 TS(프리엠블)의 예를 도시한 것이다.
도 2a는 소정의 시퀀스(길이 L)를 두 번 반복하는 것으로 구성되어 있는 TS를 도시한 것이다. TS의 자기-상관은 그래프에서 실선으로 플롯팅되어 있다. 그래프에서, 자기-상관 길이 M=L이며 및 자기-상관 오프셋 D=L이다. 변경된 프리엠블(TS')은 두 개의 반복중 하나(도 2a에서 최초의 것)의 부호를 반전하여 TS를 변경함으로써 생성된다. 상기 도면에서(그리고 도 2b 및 c에서), 반전된 부호의 시퀀스는 수직 화살표로 표시된다. TS'의 자기-상관은 TS(변경되지 않은 프리엠블)의 자기-상관에 비교하여 180도 회전한다. 즉, 부호-반전되어 그래프에서 파선으로 도시된다. 원래의 TS 및 변경된 TS 두 가지 모두 정규 OFDM 심벌로서, 즉, 역 FFT에 의해 생성될 수 있다.
도 2b에서, TS는 소정 시퀀스(길이 L)를 네 번 반복하여 생성된다. 이 TS의 자기-상관(M=3L, D=L)은 그래프에서 실선으로 플롯팅된다. 하나씩 걸러 반복(이 예에서 최초로 시작)의 부호를 반전시킴으로써, 대응하는 자기-상관은 180 도 회전되는데, 즉, 부호-반전된다(그래프에서의 파선). 원래의 TS 및 변경된 TS 둘 모두는 정규 OFDM 심벌로서, 즉 역의 FFT에 의해 생성될 수 있다.
도 2c에서, TS는 소정 시퀀스(길이 L)를 여섯 번 반복하는 것으로 구성되지만, 마지막 반복은 부호-반전된다. TS에서 최종 반복의 반전으로 인해, 자기 상관 크기가 피크치 이후에 더 큰 경사도로 떨어지며 또한 작은 측면로브(sidelobe)를 제공하는 결과가 나타난다. 이 TS의 자기-상관(M=4L, D=L)은 그래프에서 실선으로 플롯팅된다. 하나씩 걸러 반복(이 예에서 최초로 시작)의 부호를 반전시키면, 대응하는 자기-상관이 180 도씩 회전된다. 즉, 부호-반전된다(그래프에서의 파선). 이 예에서 원래의 TS 및 변경된 TS는 직접적으로 정규 OFDM 심벌로서, 즉 역의 FFT에 의해 생성될 수 없다는 것을 알아야 한다. 그러나, 중앙 부분(4개의 반복)은 정규 심벌이다. 이 예는 이미 부호-반전된 어떤 반복을 가지며 정규 OFDM 심벌일 수 없는 TS가 또한 부호-반전된 자기-상관을 가진 대응하는 TS를 갖는 것을 지적한다.
자기-상관 부호가 프리엠블 반복의 위상 변경에 좌우되기 때문에, 자기-상관 부호가 프리엠블을 구별하는데 사용될 수 있다. 자기-상관 크기는 프리엠블에 대하여 동일하며, 이것은 성능이 동일하다는 것을 의미한다.
안정성은 프리엠블의 보다 신뢰가능한 검출, 및 (TS 및 그 변경된 버젼(TS')의) 구별 특성이 다중경로 페이딩, 주파수 오프셋 등에 의한 왜곡 이후에도 보존된다는 사실 이 두 가지 모두에 의해 얻어진다.
설명을 위하여, FFT 또는 정규 OFDM 심벌을 사용하여 제안된 구별 특성을 갖는 TS를 구성할 필요가 없다. 본 발명은 그것이 OFDM 신호인지 또는 그렇지않은지에 관계없이 동일한 블럭으로 구성되어 있는 모든 반복적인 구조에 대해 사용될 수 있다. 상기 내용은 개선된 스펙트럼 특성에 대해서도 해당되는데, 여기서 OFDM 및 FFT의 사용은 단지 설명의 역할을 한다.
자기-상관 값을 계산하는 흐름도의 예가 도 3에 제공되어 있다. 거리(D)는 D개의 입력 샘플을 지연시킴으로써 생성된다. 지연된 샘플의 복소 공액이 계산되어 복소 곱(complex multiplication)에서 지연되지 않은 입력 샘플과 결합된다. 그리고 나서, 복소 곱으로부터의 결과가 최종 M 개의 복소값의 이동 합을 생성하는데 사용된다.
상관 결과의 위상과 크기 두 가지 모두가 이용되게 된다. 크기 정보는 프리엠블을 실제로 플리엠블을 검출하기 위하여 취하여지지만, 위상 정보는 상이한 채널의 프리엠블을 구별하는 역할을 한다. 특히, 바람직한 실시예에서 상기 설명된 시나리오의 경우, 실제 위상 정보인 상관 결과의 실수부의 부호가 구별을 위해 사용될 수 있다.
(원래의 그리고 변경된) TS의 쌍의 다른 특성은 이들이 서로에 대해 직교한다는 것이다. 이것은 상기 쌍의 상호 상관이 결과적으로 0이 된다는 것을 의미한다. 그러므로, 상기 설명된 바와 같이 오프셋 자기-상관을 적용하거나 공지된 시퀀스, 즉 정합 필터와의 상호-상관을 이용하여, 쌍 에서의 두 개를 구별할 수 있다.

Claims (3)

  1. 무선 통신 시스템에서 동일한 반복 길이를 갖는 반복 시퀀스를 구별하는 방법에 있어서,
    하나 이상의 시퀀스의 위상을 변화시킴으로써 변경된 반복 시퀀스를 생성하는 단계,
    상기 반복 시퀀스 및 상기 변경된 반복 시퀀스의 자기-상관 값을 계산하는 단계, 및
    상기 반복 시퀀스 및 상기 변경된 시퀀스의 상기 자기-상관 값을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반복 시퀀스 구별 방법.
  2. 무선 통신 시스템에서 동일한 반복 길이를 갖는 프리엠블을 구별하는 방법에 있어서,
    하나 이상의 프리엠블의 위상을 변화시킴으로써 변경된 프리엠블을 생성하는 단계,
    상기 프리엠블 및 상기 변경된 프리엠블의 자기-상관 값을 계산하는 단계, 및
    상기 프리엠블 및 상기 변경된 프리엠블의 상기 자기-상관 값을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리엠블 구별 방법.
  3. 무선 통신 시스템에서 동일한 반복 길이를 갖는 반복 시퀀스를 구별하는 수신기에 있어서,
    하나 이상의 시퀀스의 위상을 변화시킴으로써 변경된 반복 시퀀스를 생성하는 수단,
    상기 반복 시퀀스 및 상기 변경된 반복 시퀀스의 자기-상관 값을 계산하는 수단, 및
    상기 반복 시퀀스 및 상기 변경된 시퀀스의 상기 자기-상관 값을 비교하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반복 시퀀스를 구별하는 수신기 .
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