KR100612671B1 - 다중 반송파 ｃｄｍａ 시스템에서 가변 코드 셋을 이용한 피크 대 평균 전력비 감소 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 반송파 CDMA 시스템에서 가변 코드 셋을 이용한 피크 대 평균 전력비 감소 방법에 관한 것이다.

본 발명의 다중 반송파 CDMA 시스템에서 가변 코드 셋을 이용한 피크 대 평균 전력비 감소 방법은 사용자의 직렬 복소 데이터 심볼을 병렬 데이터 심볼로 변환하는 제1 단계; 상기 변환된 병렬 데이터 심볼을 사용자당 확산 코드가 적어도 2개 이상인 가변 코드 셋 중 제1 확산 코드에 의해 확산하는 제2 단계; 상기 확산된 데이터의 합을 병렬 데이터 심볼로 변환하는 제3 단계; 상기 변환된 병렬 데이터 심볼을 역고속푸리에 변환(IFFT)하는 제4 단계; 상기 IFFT 변환된 출력 신호의 PAPR을 미리 정해진 PAPR 문턱값과 비교하여 문턱값을 초과할 경우 피드백 회로를 통해 상기 출력 신호를 상기 제2 단계로 궤환하여 상기 가변 코드 셋의 제1 확산 코드와 다른 제2 확산 코드로 확산되도록 하는 제5 단계;를 포함하여, RF 파워 증폭기의 허용 한계를 넘지 않는 PAPR을 갖는 데이터 심볼을 전송하도록 함에 기술적 특징이 있다.

PAPR(피크 대 평균 전력비), 가변 코드 셋(VCS)

Description

다중 반송파 ＣＤＭＡ 시스템에서 가변 코드 셋을 이용한 피크 대 평균 전력비 감소 방법{Method for Reduction of PAPR(Peak-to-Average Power Ratio) Using Variable Code Set in Multi-carrier CDMA System}

도 1은 일반적인 MC-CDMA 통신 시스템의 하향 링크 송신기의 구조도,

도 2는 본 발명에 따른 MC-CDMA 시스템에서 가변 코드 셋을 이용한 PAPR 감소 장치의 구조도,

도 3은 본 발명의 PAPR 감소 방법에 따른 제1 성능 분석 그래프,

도 4는 본 발명의 PAPR 감소 방법에 따른 제2 성능 분석 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 제1 직병렬 변환기 20 : 확산 변조부

30 : 제2 직병렬 변환기 40 : 역고속푸리에 변환부

50 : PAPR 문턱값 비교부

본 발명은 다중 반송파 CDMA 시스템에서 가변 코드 셋을 이용한 피크 대 평균 전력비 감소 방법에 관한 것으로, 확산 코드가 사용자당 2개 이상인 가변 코드 셋을 이용하고 PAPR 문턱값 비교를 통해 궤환되도록 함으로써, RF 파워 증폭기의 허용 한계를 넘지 않는 피크 대 평균 전력비(PAPR)를 갖는 데이터 심볼을 전송하도록 하는 가변 코드 셋을 이용한 피크 대 평균 전력비 감소 방법에 관한 것이다.

일반적인 통신 시스템은 RF 파워 증폭기로서 고출력 증폭기(HPA : High Power Amplifier)와 같은 비선형 증폭기를 사용하며, 다중 반송파 코드 분할 다중 접속(MC-CDMA) 통신 방식은 많은 부반송파를 사용함으로써 피크 대 평균 전력비(PAPR : Peak to Average Power Ratio)가 커져서 고출력 증폭기에 큰 문제를 발생시킨다.

다중 반송파 코드 분할 다중 접속 통신 방식은 많은 부반송파를 사용하기 때문에 높은 피크 대 평균 전력비로 인하여 진폭 변화가 크게 되며, 비선형 영역에서의 동작으로 인하여 큰 성능 저하가 있을 뿐만 아니라, 부반송파 간의 혼변조나 인접 채널로의 방사가 나타난다.

따라서, 다중 반송파 신호의 피크 대 평균 전력비를 감소시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 현재 제안된 방법으로는 부반송파로 들어가는 신호 입력에 코드워드(Codeword)로 이루어진 행렬을 사용하는 방법과, 증폭기를 통과하기 전에 클립핑을 사용하는 방법, 에러 정정용 블록 코딩에서의 리던던시를 이용하는 방법이 있다.

상기 부반송파로 들어가는 신호 입력에 코드워드로 이루어진 행렬을 사용하는 방법은, 높은 피크 대 평균 전력비를 갖는 코드워드를 사용하지 않는 것으로서, 낮은 피크값을 갖는 코드워드를 찾기 위한 많은 계산이 필요하고, 코드워드로 인해 발생하는 추가적인 대역폭의 요구는 스펙트럼의 효율을 떨어뜨리며, 부반송파가 많아지는 시스템에서는 매우 비효율적이다.

또한, 클립핑 방법은 신호의 크기가 정해진 값보다 크면 그 크기를 정해진 값으로 잘라내는 방법으로 간단하게 피크 대 평균 전력비는 줄일 수 있으나, 비선형 연산으로 인해 대역 내(in-band) 왜곡으로 인해 BER 성능이 나빠지고 대역 외(out-band) 잡음을 발생시켜 인접 채널 간섭이 발생한다는 단점이 있다.

그리고, 리던던시를 이용하는 방법은 여분의 반송파에 신호의 피크 대 평균 전력비가 낮아지도록 코딩 기법을 부가하여 전송하는 것으로 신호의 왜곡 없이 피크 대 평균 전력비는 감소되나, 최적의 코드를 찾기 위해 많은 연산이 필요할 뿐만 아니라, 스펙트럼 효율 및 정보 전송의 효율이 크게 저하되며 룩업 테이블(look-up table)이나 생성 매트릭스의 크기가 커져 매우 복잡하고 계산량이 많다는 단점이 있다.

도 1은 일반적인 MC-CDMA 통신 시스템의 하향 링크 송신기의 구조도이다.

도시된 바와 같이, 사용자의 복소 데이터 심볼은

이고, M은 l번째 사용자의 복소(complex) 데이터 심볼로서, l=1,2,..., L이다. 직렬 복소 데이터 심볼은 첫 번째 직병렬 변환기(1)를 통과하여 병렬 데이터 심볼로 변환되고, 각 복소 심볼은 확산 변조부(2)를 통해 확산 코드(spreading code)

에 의해 확산되며 L은 확산 계수(SF : Spreading Factor)로 확 산 코드의 길이를 나타낸다.

상기와 같이 각각 확산된 코드를 갖는 데이터는 다시 더해져 두 번째 직병렬 변환기(3)를 통과한 후 병렬 데이터로 변환되고, 역고속푸리에 변환부(IFFT : Inverse Fast Fourier Transform, 4)를 거쳐 채널을 통해 전송된다. 여기서, IFFT 크기는 N=ML로 나타낼 수 있다.

상기와 같이 무선 채널로 전송되는 신호는 N개의 부반송파의 같은 위상이 중첩될 경우 평균 전력의 N배에 해당하는 피크 전력이 생성되며, 이렇게 생성된 높은 전력은 부반송파의 수가 증가함에 따라 비례적으로 증가하여 RF 전력 증폭기의 허용 한계를 넘어서 신호의 비선형적 왜곡을 발생시켜 전력 효율을 떨어뜨리게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 피크 대 평균 전력비 감소 방법의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 복잡한 설계 기술과 추가적인 회로 및 많은 연산량 없이 피크 대 평균 전력비를 감소시켜 RF 파워 증폭기의 허용 한계를 넘지 않는 피크 대 평균 전력비(PAPR)를 갖도록 하기 위한 다중 반송파 CDMA 시스템에서 가변 코드 셋을 이용한 피크 대 평균 전력비 감소 방법 을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 MC-CDMA 시스템에서 피크 대 평균 전력비(PAPR)를 감소시키는 방법에 있어서, 사용자의 직렬 복소 데이터 심볼을 병렬 데이터 심볼로 변환하는 제1 단계; 상기 변환된 병렬 데이터 심볼을 사용자당 확산 코드가 적어도 2개 이상인 가변 코드 셋 중 제1 확산 코드에 의해 확산하는 제2 단계; 상기 확산된 데이터의 합을 병렬 데이터 심볼로 변환하는 제3 단계; 상기 변환된 병렬 데이터 심볼을 역고속푸리에 변환(IFFT)하는 제4 단계; 상기 IFFT 변환된 출력 신호의 PAPR을 미리 정해진 PAPR 문턱값과 비교하여 문턱값을 초과할 경우 피드백 회로를 통해 상기 출력 신호를 상기 제2 단계로 궤환하여 상기 가변 코드 셋의 제1 확산 코드와 다른 제2 확산 코드로 확산되도록 하는 제5 단계;를 포함하여, RF 파워 증폭기의 허용 한계를 넘지 않는 PAPR을 갖는 데이터 심볼을 전송하도록 다중 반송파 CDMA 시스템에서 가변 코드 셋을 이용한 피크 대 평균 전력비 감소 방법에 의해 달성된다.

삭제

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

먼저, 도 2는 본 발명에 따른 MC-CDMA 시스템에서 가변 코드 셋을 이용한 PAPR 감소 장치의 구조도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 가변 코드 셋을 이용한 PAPR 감소 장치는 제1 직병렬 변환기(10), 확산 변조부(20), 제2 직병렬 변환기(30), 역고속푸리에 변환부(40), PAPR 문턱값 비교부(50)을 포함하여 구성된다.

본 발명에서 가변 코드 셋(VCS : Variable Code Set)은 사용자 당 적어도 2개 이상의 확산 코드로 이루어진 코드 셋을 말한다.

상기 제1 직병렬 변환기(10) 및 제2 직병렬 변환기(30)는 직렬 복소 데이터 심볼을 병렬 데이터 심볼로 변환하는 것으로, 제1 직병렬 변환기(10)는 사용자의 직렬 복소 데이터 심볼을 병렬 데이터 심볼로 변환하고, 제2 직병렬 변환기(30)는 확산 변조부(20)에 의해 확산된 코드의 합을 병렬 데이터 심볼로 변환한다.

확산 변조부(20)는 사용자당 적어도 2개 이상의 확산 코드를 지원하며, 상기 제1 직병렬 변환기(10)에 의해 변환된 병렬 데이터 심볼을 상기 가변 코드 셋 중 어느 하나의 확산 코드에 의해 확산하며, 직병렬 변환 및 IFFT 변환을 거친 출력 신호의 피크 대 평균 전력비(이하, PAPR이라 함)를 문턱값과 비교하여 PAPR 값이 문턱값보다 큰 값일 경우 상기 사용된 확산 코드를 제외한 다른 확산 코드로 다시 확산한다.

역고속푸리에 변환부(40)는 상기 제2 직병렬 변환기(30)에 의해 변환된 병렬 데이터 심볼을 역고속푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform:IFFT)한다.

PAPR 문턱값 비교부(50)는 상기 IFFT 변환된 출력 신호의 PAPR을 미리 정해진 PAPR 문턱값과 비교하고, 문턱값을 초과할 경우 피드백 회로를 통해 상기 출력 신호를 상기 확산 변조부(20)로 궤환하여, 상기 사용된 확산 코드와 다른 확산 코드로 확산되도록 한다. 이때, PAPR 값이 문턱값을 초과하지 않는 경우, 해당 신호를 그대로 출력한다.

상기와 같은 본 발명의 장치를 데이터 처리 과정에 따라 설명하면 다음과 같다.

먼저, 사용자의 직렬 복소 데이터 심볼은 제1 직병렬 변환기(10)를 통과하여 병렬 데이터 심볼로 변환되고 확산 변조부(20)를 통해 확산 코드의 길이가 L 인 사용자의 확산 코드에 의해 확산된다. 확산 코드 매트릭스는 다음과 같이 나타낼 수 있다. 이때, l=1,2,..,L이다.

상기 코드

은 L×L 크기인 정방 행렬(square matrix)로 전체 코드 셋을 나타낸다. 정방 행렬의 행(row)은 사용자가 가질 수 있는 코드 셋의 크기이고, 열(column)은 확산 코드의 길이 L 을 나타낸다.

일반적인 MC-CDMA 시스템에서 한 사용자는 한 개의 확산 코드를 가지지만, 본 발명에 따른 가변 코드 셋을 이용한 PAPR 감소 방법에서는 사용자에게 2개 이상의 확산 코드를 할당한다. 따라서, 전체 코드 셋은 사용자의 수에 따라 작은 여러 개의 코드로 분할되며, 전체 코드 셋의 크기 L, 총 사용자 수 K 라 하면 사용자당 가질 수 있는 최대 코드 셋의 크기는 L/K 이다.

예를 들어, K 번째 사용자의 가변 코드 셋의 크기(수)가

라 하면 K 번째 사용자가 갖는 코드 셋(

)은 다음과 같다. (단,

)

상기와 같이 확산 변조부(20)를 통해 확산된 사용자들의 심볼의 합은 제2 직병렬 변환기(30)를 통과하여 병렬 데이터 심볼로 변환된다. 이때, 더해지는 모든 코드 셋의 수는

로 나타낼 수 있으며, K는 사용자 수,

는 사용자당 갖는 코드 셋의 수를 나타낸다.

다음, 병렬 데이터 심볼은 역고속푸리에 변환부(IFFT, 40)를 거쳐 출력되고, 출력된 신호는 PAPR 문턱값 비교부(50)는 출력 신호의 PAPR을 미리 정해진 PAPR 문턱값과 비교한다. 이때, 상기 PAPR 문턱값은 모든 코드 셋의 조합에 의해 결정될 것이다.

상기 PAPR 문턱값 비교부(50)는 상기 PAPR 값이 문턱값을 넘는 경우 상기 출력된 신호를 확산 변조부(20)로 궤환하여 가변 코드 셋의 다른 확산 코드 즉, 앞서 사용된 확산 코드와는 다른 확산 코드에 의해 작은 PAPR을 갖는 데이터 심볼을 전송할 수 있도록 하고, 문턱값을 넘지 않는 경우엔 그대로 전송한다.

이때, 다중 사용자 MC-CDMA의 평균 전력(average power)은 사용자 수, 심벌 수 그리고 확산 코드의 길이에 비례하므로

이 되고, 최대 전력(peak power)은 각 사용자들이 직교 코드를 사용하기 때문에 사용자의 수와 상관없이 단지 심벌 수와 확산 코드의 곱의 제곱에 비례하여 증가하므로

이 된다.

따라서, 다중 사용자 MC-CDMA 의 피크 대 평균 전력비(PAPR)은 다음과 같다.

여기서, M은 사용자당 심볼 수, L은 확산 코드의 길이, K는 사용자 수를 나타낸다. 본 발명에 따른 가변 코드 셋 시스템에서 각 사용자의 코드 셋의 크기는 2 이상이며, 별도의 부가 정보는 요구되지 않는다.

한편, 확산 코드로서 왈시 코드(Walsh-Hadamard sequence)를 사용하면 위상이 중첩될 경우 평균 전력의 N배에 해당하는 큰 PAPR을 가지게 되므로, 본 발명의 실시예에서는 왈시 코드 대신 PN 확산 코드(Pseudo Random Noise Code)인 M-sequence를 확산 코드(Spread Code)로 사용하여 신호의 합을 줄인다.

다음, 도 3은 본 발명의 PAPR 감소 방법에 따른 제1 성능 분석 그래프, 도 4는 본 발명의 PAPR 감소 방법에 따른 제2 성능 분석 그래프이다.

도시된 바와 같이, 도 3은 사용자 수가 일정할 때(K=4) 사용자 당 코드 셋의 수(

)를 달리한 시뮬레이션 결과로서, PAPR 문턱값(PAPRo)에 따라 각 PAPR 값이 PAPR 문턱값보다 큰 값을 갖게 되는 Pr값 및 가변 코드 셋의 확산 코드의 수에 따른 성능을 확인할 수 있으며, 사용자 수가 일정할 때 가변 코드 셋의 수가 많을수록 성능이 좋다는 것을 알 수 있다.

또한, 도 4는 사용자 수(K)와 가변 코드 셋의 확산 코드의 수(

)를 달리한 시뮬레이션결과로서, PAPR 문턱값(PAPRo)에 따라 PAPR 값이 PAPR 문턱값보다 큰 값 을 갖게 되는 Pr값 및 확산 코드의 수가 일정한 경우의 사용자 수에 따른 성능을 확인할 수 있으며, 확산 코드의 수 즉, 가변 코드 셋의 크기가 일정한 경우 사용자수가 많을수록 성능이 좋다는 것을 알 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 발명의 다중 반송파 CDMA 시스템에서 가변 코드 셋을 이용한 피크 대 평균 전력비 감소 방법은 어떠한 부가 정보도 사용하지 않고, PAPR 문턱값보다 큰 심볼은 궤환하여 가변 코드 셋에 의해 최소 PAPR을 갖는 데이터 심볼을 전송할 수 있으며, 적절한 문턱값이 설정되면 궤환이 불필요하여 IFFT를 수행한 후 PAPR시퀀스를 선택해야 하기 때문에 발생하는 하드웨어적 복잡성을 막을 수 있으며, 사용자가 증가할수록 PAPR 이득을 볼 수 있어 MC-CDMA 시스템에 적합하다는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. MC-CDMA 시스템에서 제1 직병렬 변환기가 직렬 복소 데이터 심볼을 병렬 데이터 심볼로 변환하는 제1단계, 확산 변조부가 상기 변환된 병렬 데이터 심볼을 확산 코드로 확산하는 제2단계, 제2 직병렬 변환기가 상기 확산된 코드의 합을 병렬 데이터 심볼로 변환하는 제3단계, 역고속푸리에 변환부가 상기 병렬 변환된 심볼을 역고속푸리에변환(Inverse Fast Fourier Transform)하는 제4단계, PAPR 문턱값 비교부가 상기 역고속푸리에 변환된 신호의 피크 대 평균 전력비(PAPR)를 미리 정해진 PAPR 문턱값과 비교하여 문턱값 이하로 낮아지도록 처리하는 제5단계로 구성되는 피크 대 평균 전력비(PAPR) 감소 방법에 있어서,

   상기 제2단계에서,

   상기 확산 변조부는 상기 제1단계의 출력 심볼을 사용자당 확산 코드가 적어도 2개 이상인 가변 코드 셋의 확산 코드 중 어느 하나의 확산 코드로 확산하고, 상기 제5단계에 의해 상기 PAPR 문턱값 비교부로부터 피드백 신호가 궤환되면 상기 가변 코드 셋의 확산 코드 중 이전 확산 코드를 제외한 나머지 확산 코드 중 어느 하나의 확산 코드로 상기 제1단계의 출력 심볼을 재확산하며,

   상기 제5단계에서,

   상기 PAPR 문턱값 비교부는 상기 역고속푸리에변환된 신호의 피크 대 평균 전력비를 미리 정해진 PAPR 문턱값과 비교하고, 문턱값을 초과하는 경우 피드백 회로를 통해 상기 확산 변조부로 피드백 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 다중 반송파 CDMA 시스템에서 가변 코드 셋을 이용한 피크 대 평균 전력비 감소 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 가변 코드 셋은 PN 시퀀스(Pseudo Random Noise Code)인 것을 특징으로 하는 다중 반송파 CDMA 시스템에서 가변 코드 셋을 이용한 피크 대 평균 전력비 감소 방법.

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