KR100623060B1

KR100623060B1 - 다중셀 환경 오에프디엠에이/씨디엠 기반 셀룰라시스템의 송수신기

Info

Publication number: KR100623060B1
Application number: KR1020040112851A
Authority: KR
Inventors: 김덕경; 류제훈
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-09-14
Also published as: KR20060074198A

Abstract

본 발명은 셀 구분을 위한 랜덤코드를 사용하여 다중셀 환경에 적합하며, 사용자를 주파수로 구분하고 데이터를 코드로 다중화하는 OFDMA/CDM을 이용하여 하향링크에서 전치 등화를 수행함으로써 시스템의 성능을 높일 수 있도록 하고, 외부 셀 간섭이 존재하는 다중셀 환경에서 송신전력이 제한되어 있는 경우 전치등화로에 효과적인 전력할당 방식으로 제로삽입 방식을 제안하는 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송수신기이다. 더불어, 다중화된 심볼의 수를 조절하여 셀 영역 전체에서 유연한 서비스를 제공하는 것을 특징으로 한다.

다중셀, OFDMA/CDM, 랜덤 코드, 제로 삽입

Description

다중셀 환경 오에프디엠에이/씨디엠 기반 셀룰라 시스템의 송수신기{A TRANSMITTER AND RECEIVER OF AN OFDMA/CDM-BASED CELLULAR SYSTEM IN A MULTI-CELL ENVIRONMENT}

도 1은 본 발명에 따른 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송신기의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 수신기의 구성도.

도 3은 본 발명의 실험을 위한 파라미터를 나타낸 표.

도 4는 단일셀에서의 모의 실험 결과를 나타낸 도.

도 5는 정규화와 제로삽입에 대한 SIR 비교도.

도 6은 다중화된 심볼 수에 L에 따른 랜덤 코드 이득을 나타낸 도.

도 7은 다중셀에서 거리-BER 결과를 나타낸 도.

도 8은 거리 0.7km에서 L-BER 결과를 나타낸 도.

도 9는 거리에 따른 최대 전송 심볼 수를 나타낸 도.

도 10은 전치/후치 등화를 이용한 성능 개선을 나타낸 도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10-1,10-2,...,10n : 엔코더 20-1,20-2,...,20-n : S/P변환부

30-1,30-2,...,30-n : CDM부 40 : 랜덤 코드 부가부

50 : 전치 등화부 60 : IFFT 변환부

70 : P/S변환부 80 : 가드 타입 삽입부

110 : AWGN가산부 120 : 가드 타입 제거부

130 : S/P변환부 140 : FFT 변환부

150 : 역 스크램블링부 170 : 데이터 검출부

160-1,160-2,...,160-n : 역확산부

180 : P/S변환부

본 발명은 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송수신기에 관한 것으로, 특히 사용자간에는 주파수 분할을 적용하고 사용자의 심볼은 주파수 영역 확산을 적용하는 OFDMA/CDM 방식에 전치 등화(Pre-Equalization)를 적용하여 수신단의 잡음증가를 제거하여 BER(Bit Error Rate) 성능을 향상시키고 셀간의 구분을 위해 서로 다른 코드를 곱해줌으로써 다중셀 환경에 적합함은 물론, 신호대간섭 정도에 따라 다중화된 심볼의 수를 조절하여 셀 영역 전체에서 유연한 서비스를 제공할 수 있는 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송수신기에 관한 것이다.

최근 휴대용 단말기의 보급이 늘어나고 인터넷 사용자수가 증가함에 따라 음성 서비스 이외에 멀티미디어나 데이터 전송과 같이 높은 데이터 전송 서비스에 대한 요구가 증가하고 있다.

특히, CDMA(Code Division Multiple Access) 기술은 사용자 접속의 유연성 및 다중셀 구축의 용이성으로 인해 현재의 3세대 이동통신 시스템의 핵심 기술로 적용되었다 . 그러나 고속데이터 전송의 요구가 증가하면서 무선 전송 기술은 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)을 기반으로 변화하고 있다.

OFDM 시스템은 보호구간을 삽입함으로써 다중 경로 채널에 강한 특성을 가지며, 중첩된 다수의 부반송파를 사용하기 때문에 효율적인 주파수 사용을 할 수 있다. 또한, 단일탭 등화기로 신호를 간단히 복원할 수 있다는 이점을 가지고 있다.

그러나 OFDM 시스템은 위상 잡음과 주파수 옵셋 등과 같이 부반송파의 직교성을 파괴하는 요소에 약하며, 다수의 부반송파를 사용하기 때문에 PAPR (Peak To Average Power Ratio)이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 다중셀 환경에서 셀 외곽으로 갈수록 신호의 전력이 줄어드는 반면, 외부셀 간섭은 반대로 커지기 때문에 외곽에서 성능을 보장할 수 있는 방법이 필요하다. 때문에 주파수 대역과 클러스터 크기를 고려하여 재사용률을 조정하거나, 섹터링을 이용하여 외부셀 간섭을 줄임으로써 시스템의 성능을 높이는 셀 계획이 필요하다.

IEEE 802.11a/g 기반의 무선랜 5GHz 대역을 이용한 OFDM 기술을 이용하여 최대 54Mbps의 전송을 제공한다. 이러한 핫스폿 서비스에서 발전하여 무선 광대역(BWA : Broad Band Wireless Access)을 위해 IEEE 802.16(주판유, "IEEE 802.16d/e fixed BWA supporting mobility", 제10회 이동통신기술 워크숍, 2004, 2월.)의 표준이 활발히 진행 중이다. 이는 TDD (Time Division Duplexing)을 이용하고, 64, 256 FFT 모드에는 TDMA를 2048 FFT 모드에는 OFDMA를 다중접속방식으로 사용한다.

IEEE 802.16의 기술 중 이동성을 접목한 IEEE 802.16e(김용범, "2.3GHz대 주파수를 이용한 휴대 인터넷 서비스", 제10회 이동통신기술 워크숍, 2004, 2월)는 2-6GHz 허가 대역에서 고정 및 이동 무선 접속이 가능하며, 10MHz 대역폭일 때 36MHz(DL+UL)의 전송속도를 제공할 수 있다. 또한 TDD와 FDD을 모두 사용하며 3.5-7km의 커버리지를 갖는다. 주파수 재사용률은 1/3로 셀간에 다른 주파수를 사용하기 때문에 셀 배치에 제약이 따른다. OFDM-CDMA 방식(1. S. Kaiser "On the Performance of Different Detection Techniques for OFDM-CDMA in Fading Channels" IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM'97), Nov. 1995, pp.2059-2063. 2. S. Kaiser "OFDM-CDMA versus DS-CDMA Performance Evaluation for fading channels" IEEE Vehicular Technology Conference (VTC'94), pp. 1665-1669, June, 1995.)는 다중경로에 강하고 등화가 쉬운 이점을 가진 OFDM과 다이버시티 이득을 얻을 수 있고 사용자 접속에 유용한 장점을 가진 CDMA를 결합한 방식이다.

Kaiser 등은 다양한 채널 등화 및 결합(Combining) 방식에 따른 성능분석과 MLD (Maximum Likelihood Detection)를 사용하였을 경우 전체 사용자 Nu 명을 K그룹으로 나누어 개의 수열을 개로 줄임으로써 시스템의 복잡성을 낮추는 방안을 제안하였다.

그러나 다양한 등화 및 결합 방식에 대한 분석은 단일셀 환경에 그치고 있기 때문에 외부셀 간섭이 존재하는 다중셀 환경에서의 연구가 필요하다. DoCoMo에서 제안한 VSF-OFCDM（Variable spreading factor orthogonal frequency and code division multiplexing) 방식(H. ATARASHI, S. ABETA, and M SAWAHASHI, "Variable Spreading Factor-Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing (VSF-OFCDM) for Broadband Packet Wireless Access", IEICE Trans. Cmmun., Vol. E86-B, No.1 January, 2003.)은 단일셀과 다중셀 환경 및 채널응답 특성에 따라 확산지수(SF : Spreading Factor)를 다르게 적용하여 상황에 따른 최적의 SF를 이용하여 성능을 개선한다는 것이다.

이 방식의 특징은 EGC를 이용한 후치등화를 적용하며, 사용자를 코드로 다중화하고, 데이터를 주파수대역으로 구분한다는 것이다. 그러나 다중셀 환경에서 SF에 따라 성능이 향상되는 점을 보였지만 거리에 따른 성능을 나타내지 않음으로써 전체 셀 영역에서 서비스가 가능한지를 알 수 없고 서비스하기 위한 방안을 보이지 않고 있다.

사용자를 코드로 구분하는 상기의 OFDM과 CDMA 결합 방식에는 전치등화 방식을 적용할 수 없다. Cosovic이 제안한 OFDMA/CDM에 전치등화를 적용한 방식 (I. Cosovic "OFDMA Code-division Multiplexing with Pre-equalization for Mobile Communications". Telecommunications Forum (TELFOR'03), Belgrade, Serbia and Montenegro, November 25-27, 2003.)은 단일셀 환경에서 다양한 등화방식과 정규화를 이용한 송신전력 할당을 제안하고 있다. 그러나 이 방식은 단일셀 환경에서의 성능을 분석하는 것에 그치고 있다. 때문에 다중셀에 적합한 송신 및 수신기 구조와 성능 분석이 필요하다. 또한, 전체 셀 영역에서의 서비스를 보장하기 위한 방법이 제안되고 있지 않고, 전치등화를 적용할 경우 발생하는 시간지연에 따른 성능 열화에 대한 방안을 보이고 있지 않다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 셀 구분을 위한 랜덤코드를 사용하여 다중셀 환경에 적합하며, 사용자를 주파수로 구분하고 데이터를 코드로 다중화하는 OFDMA/CDM을 이용하여 하향링크에서 전치 등화를 수행함으로써 시스템의 성능을 높일 수 있도록 하고, 신호대간섭 정도에 따라 다중화된 심볼의 수를 조절하여 셀 영역 전체에서 유연한 서비스를 제공할 수 있도록 하며, 외부 셀 간섭이 존재하는 다중셀 환경에서 송신전력이 제한되어 있는 경우 전치등화로에 효과적인 전력할당 방식으로 제로삽입 방식을 제안하는 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송수신기를 제공함에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송신기는, OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템에 있어서, 각 사용자의 전송하고자하는 데이터를 엔코딩하는 복수의 엔코더; 상기 각 엔코더의 출력을 병렬 데이터로 변환하는 복수의 S/P변환부; 상기 S/P변환부의 각 출력을 코드의 길이 만큼 확장하고 확장된 데이터마다 서로 다른 확산 코드를 곱한 후, 같은 코드 순번을 갖는 신호와 가산하여 주파수 영역 확산을 통해 코드 다중화하는 복수의 CDM부; 상기 CDM부의 출력 신호에 셀간의 구분을 위해 같은 길이를 갖는 랜덤 코드를 곱하는 랜덤코드 부가부; 상기 랜덤코드 부가부의 출력을 전치 등화하는 전치 등화부; 상기 전치 등화부의 출력을 IFFT 행하여 변환하는 IFFT 변환부; 상기 IFFT 변환부의 출력을 직렬 데이터로 변환하는 P/S변환부; 상기 P/S변환부의 출력에 인터 심볼 간섭(ISI)과 인터 캐리어 간섭(ICI)이 발생하지 않도록 가드 타임(Guard time)을 삽입하는 가드 타임 삽입부;로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 수신기는, OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템에 있어서, OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송신기에서 삽입된 가드 타임(Guard time)을 제거하는 가드 타임 제거부; 상기 가드 타임 제거부의 출력 데이터를 병렬 데이터로 변환하는 S/P변환부; 상기 S/P변환부의 출력을 FFT 변환하여 주파수 영역의 신호로 변환하는 FFT 변환부; 상기 FFT 변환부의 출력에 셀 구분 스크램블링 코드를 곱해 역 스크램블링하는 역 스크램블링부; 상기 역 스크램블링부의 출력에 서로 다른 역확산 코드를 곱하고, 그 결과값을 합하여 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송신기에서 확산되기 이전의 데이터로 역확산하는 역확산부; 상기 역확산부의 출력으로부터 해당 사용자의 데이터를 검출하는 데이터 검출부 및 데이터 검출부의 출력을 직렬 데이터로 변환하는 P/S변환부;로 구성됨을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

OFDMA/CDM는 기존의 OFDMA 방식과 마찬가지로 전체 OFDM 부반송파(Sub-Carriers)에서 특정 서브 채널(Sub-Channel)에 해당하는 주파수를 한 사용자가 사용한다. 또한, 한 사용자가 할당된 서브-채널에 코드로 분할된 다수의 데이터를 실어서 전송하는 방식이다.

채널은 사용자에 따라 다른 특성을 갖기 때문에 기존의 OFDMA/CDMA 시스템에서와 같이 사용자를 코드로 분할하는 방식에서는 같은 주파수를 사용하는 서브 채널에 여러 사용자의 데이터가 있기 때문에 주파수 영역에서 등화를 수행할 때 사용자들 간에 코드 특성이 달라진다.

그러나 OFDMA/CDM 방식에서는 사용자들이 주파수 영역에서 구별되어 있으므로 서로 다른 채널 특성을 갖는다 하더라도 다른 사용자들의 신호에 영향을 미치지 않는다. 또한 같은 서브 채널 안에 코드로 분할된 다수의 데이터들은 같은 사용자에게 전송되기 때문에 채널 특성이 같으며 따라서 등화를 수행하는 것이 코드간의 특성에 영향을 주지 않는다. 따라서 하향링크에서 기존의 OFDM/CDMA 방식에서는 적용할 수 없었던 전치 등화(Pre-Equalization)을 적용할 수 있으며, 데이터를 코드로 분할하기 때문에 코드간의 직교성을 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송신기에 대한 구성도를 도시한 것이다.

도시한 바와 같이, 각 사용자의 전송하고자하는 데이터를 엔코딩하는 엔코더(10-1,10-2,...,10n), 상기 엔코더(10-1,10-2,10-n)의 출력을 병렬 데이터로 변환하는 S/P변환부(20-1,20-2,...,20-n), 상기 S/P변환부(20-1,20-2,...,20-n)의 각 출력을 코드(서로 직교성을 갖는 Walsh Hadamard 코드)의 길이인 SF만큼 확장하고, 확장된 데이터마다 서로 다른 확산 코드를 곱한 후, 같은 코드 순번을 갖는 신호와 가산하여 주파수 영역 확산을 통해 코드 다중화하는 CDM부(30-1,30-2,...,30-n), 상기 확산된 신호에 셀간의 구분을 위해 같은 길이를 갖는 랜덤 코드를 상기 CDM부(30-1,30-2,...,30-n)의 출력에 곱하는 랜덤코드 부가부(40), 상기 랜덤코드 부가부(40)의 출력을 전치 등화하는 전치 등화부(50), 상기 전치 등화부(50)의 출력을 IFFT(Inverse Fast Fourie Transform) 행하여 변환하는 IFFT 변환부(60), 상기 IFFT 변환부(60)의 출력을 직렬 데이터로 변환하는 P/S변환부(70), 상기 P/S변환부(70)의 출력에 인터 심볼 간섭(ISI : Inter Symbol Interference)과 인터 캐리어 간섭(ICI : Inter Carrier Interference)이 발생하지 않도록 하기 위해서 가드 타임(Guard time)을 삽입하는 가드 타임 삽입부(80)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송신기는 신호를 전송하기 위해 OFDMA방식에 따라 사용자에게 서로 다른 주파수 대역이 할당하며, 상기 엔코더(10-1,10-2,...,10n), S/P변환부(20-1,20-2,...,20-n), CDM부(30-1,30-2,...,30-n)를 통해 각 사용자(user 1-user Nu)의 전송하고자 하는 L개의 심볼을 SF길이를 가지는 L개의 서로 다른 확산 코드를 이용하여 확산시켜 코드 영역에서 다중화하여 전송한다.

즉, 각 사용자의 데이터는 엔코더(10-1,10-2,10-n)와 S/P변환부(20-1,20-2,...,20-n)를 거친 후, 데이터간에 코드분할을 하기 위해서 각 데이터를 CDM부(30-1,30-2,...,30-n)의 카피기(Copier)에서 코드의 길이인 SF만큼 카피된다. 그리고 첫 번째 데이터를 카피한 신호에는 확산 코드 c_1,1,c_1,2,...,c_1,SF를, L번째 데이터를 카피한 신호에는 확산 코드 c_L,1,c_L,2,...,c_L,SF를 곱하여 확산시키고(CDM부(30-1,30-2,...,30-n)의 곱셈기), 코드 인덱스가 같은 신호끼리 가산된다(CDM부(30-1,30-2,...,30-n)의 가산기). 즉, 같은 순번을 갖는 신호와 더해져서 주파수 영역 확산을 통해 코드 다중화된다. 여기서, 상기 확산 코드는 심볼간의 직교성을 유지하기 위해서 Walsh-hadamard 코드를 사용한다.

그리고 총 Nu명이 동시에 전송한다는 가정 하에 전체 개의 부반송파에 셀 간의 구분을 하기 위해서 개의 길이를 갖는 스크램블링 코드 즉, 랜덤 코드를 상기 랜덤코드 부가부(40)에서 상기 CDM부(30-1,30-2,...,30-n)의 출력에 곱한다. 일 예로, 스크램블링 코드 는 i 번째 셀 k 번째 사용자의 q 번째 부반송파에 곱해지는 코드이다.

그리고 전치 등화부(50)에서 상기 랜덤 코드 부가부(40)의 출력에 등화 계수(W)를 곱하여 전치 등화를 수행한 후, IFFT 변환부(60)를 거쳐 변환되며, 이때 파일럿(Pilot)신호를 데이터 신호 사이에 삽입하여 수신기에서 이용할 수 있도록 할 수 있다.

상기 IFFT 변환부(60)의 출력은 P/S변환부(70)를 거친 후, 가드 타임 삽입부 (80)를 통해 P/S변환부(70)의 출력에 ISI와 ICI가 발생하지 않도록 하기 위해서 가드 타임(Guard time)을 삽입한 다음 수신단으로 전송되며, 상기 전치 등화부(50)에 대하여는 하기에서 보다 상세히 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 수신기에 대한 구성도를 도시한 것으로, 셀 구분 스크램블링 코드를 곱해 역 스크램블링후, SF개의 부반송파에 서로 다른 L개의 역확산 코드인 Walsh-hadamard 코드를 곱해 L개의 데이터를 검출하게 된다.

도시한 바와 같이, 수신된 신호에 AWGN(Additive White Gaussian Noise)을 가산하는 AWGN가산부(110), 상기 AWGN가산부(110)의 출력으로부터 상기 송신기의 가드 타임 삽입부(80)에서 삽입된 가드 타임을 제거하는 가드 타임 제거부(120), 상기 가드 타임 제거부(120)의 출력 데이터를 병렬 데이터로 변환하는 S/P변환부(130), 상기 S/P변환부(130)의 출력을 FFT(Fast Fourie Transform) 변환하여 주파수 영역의 신호로 변환하는 FFT 변환부(140), FFT 변환부(140)의 출력에 셀 구분 스크램블링 코드를 곱해 역 스크램블링하는 역 스크램블링부(150), SF개의 부반송파에 서로 다른 L개의 역확산 코드인 Walsh-Hadamard 코드를 곱한 후, 그 결과 값을 합하여 상기 송신기에서 확산되기 전의 데이터로 역확산하는 역확산부(160-1,160-2,...,160-n), 상기 역확산부(160-1,160-2,...,160-n)의 출력으로부터 해당 사용자의 데이터를 검출하는 데이터 검출부(170) 및 데이터 검출부(170)의 출력을 직렬 데이터로 변환하는 P/S변환부(180)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 수신기에는 기지국으로부터 상기 송신기를 통해 송신되어 다중경로 채널을 겪은 신호가 수신되며, 이 수신된 신호는 페이딩(Fading)과 잡음(Noise)에 의해 왜곡된다. 그러나 기지국의 송신단에서 상기 송신기의 전치 등화부(50)를 통해 하향링크의 채널 응답의 역수인 W(상기 송신기의 등화 계수)를 곱해주었기 때문에 채널에 의한 왜곡을 보상하고 데이터간 직교성을 유지할 수 있게 된다.

수신기에서 상기 AWGN가산부(110)를 통해 수신된 신호의 보호구간을 제외한 신호를 제거하게 되며, WGN가산부(110)의 출력은 가드 타임 제거부(120)를 통해 상기 송신기의 가드 타입 삽입부(80)에서 삽입된 가드 타임이 제거된다. 상기 가드 타임 제거부(120)의 출력은 S/P변환부(130)를 통해 FFT 변환부(140)에 입력되어 FFT 변환되어 주파수 영역의 신호로 변환된다. 이때, 각 사용자는 FFT 변환부(140)의 출력신호 중에서 자신의 서브 채널에 해당하는 부반송파의 신호를 취하게 되며, user 1의 서브 채널의 신호는 d_k,l중에서 d_1,l에 해당하는 신호이며, 따라서 사용자를 주파수 분할할 수 있다.

그리고 상기 FFT 변환부(140)의 출력은 역 스크램블링부(150)로 입력되어 해당하는 셀에 따라 스크램블링 코드(랜덤 코드)가 곱해져 역 스크램블링된다.

이후, 상기 역 스크램블링부(150)의 출력은 역확산부 (160-1, 160-2,...,160-n)로 입력되어 SF개의 부반송파에 서로 다른 L개의 확산 코드인 Walsh-Hadamard 코드를 곱한 후(역확산부(160-1,160-2,...,160-n)의 곱셈기), 그 결과 값 이 합산되어(역확산부(160-1,160-2,...,160-n)의 가산기) 상기 송신기에서 확산되기 전의 데이터로 역확산되며, 이에 따라 랜덤 코드로 구별되는 다른 셀로부터의 간섭에 대해 원하는 신호는 다이버시티 이득을 얻을 수 있게 되며, 따라서 기지국에서 전송한 L개의 데이터를 코드간 간섭없이 검출할 수 있게 된다.

그리고 상기 역확산부(160-1,160-2,...,160-n)의 출력은 데이터 검출부(170) 및 P/S변환부(180)를 통해 원래의 데이터로 출력된다.

한편, 상기와 같은 본 발명은 기지국의 송신기에서 상기 전치 등화부(50)를 이용하여 전치 등화를 하게 된다. 일반적인 후치 등화를 이용하는 시스템은 채널 응답 값이 작은 부반송파의 경우 잡음 증대로 인해 성능이 열화될 수 있으며, 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 OFDMA/CDM 전송 방식에 상기 전치 등화부(50)를 이용한 전치 등화 방법을 적용한 것이다.

그러나 전치 등화에서는 송신전력 제한과 시간지연에 의한 성능 저하가 문제이다. 따라서 본 발명에서는 기존의 이상적인 ZF(Zero Forcing) 및 직교성을 유지하는 정규화 방식과는 달리 채널 응답 값이 작은 부반송파는 전력을 할당하지 않는 제로 삽입 방식을 이용한다. 이 방식은 코드간의 직교성이 깨지는 대신 유효 신호의 파워를 높이는 장점을 가진다. 또한, 전치등화를 적용할 때 발생할 수 있는 성능 저하의 가장 큰 원인인 시간 지연에 따른 문제를 해결하기 위해 전/후치 등화 방법의 이용도 고려할 수 있을 것이다.

다중셀 환경에서는 셀 외곽 영역에서 서비스할 수 있는 방안과 더불어 셀 전체의 성능을 높이는 것이 중요하다. 외곽 영역에서는 신호가 작고 외부셀 간섭과 잡음이 상대적으로 큰 값을 갖기 때문에 무엇보다도 간섭 및 잡음에 비해 신호의 값을 키우는 것이 중요하다. 때문에 정규화에 비해서 신호의 크기를 높일 수 있는 제로삽입 방식이 다중셀 환경에 적합하다고 판단되며, 채널 응답 값이 작은 부반송파에 제로삽입을 적용함에 따라 그 역수에 해당되는 상당히 큰 신호 전력을 다른 부반송파에 할당함으로써 신호 전력을 향상시킬 수 있게 된다.

다음은 이상과 같은 본 발명에 대한 실험결과를 살펴본다.

도 3은 실험을 위한 파라미터이다. 다중셀 환경을 위한 셀 간의 구별을 위해서 랜덤 코드를 사용하였고, 데이터를 다중화하기 위해서 직교성을 갖는 Walsh-Hadamard 코드를 사용하였다. 다중셀 환경으로 7-cell에 셀 반경이 1km로 설정하였으며 Wrap-around 는 사용하지 않는다. 다중 경로 채널은 각각 레일레이 페이딩을 가지는 6개의 경로 모델을 적용하였다. 등화 하는 과정에서 채널 추정은 완벽하다고 가정하였으며, 셀 선택은 가장 큰 신호를 전송하는 기지국을 선택하도록 하였다.

도 4는 단일셀 환경에서 모의실험 결과이다. L=32인 OFDMA/CDM 그리고 OFDMA에 후치 등화를 적용한 결과에서 SF 값이 클수록 성능의 열화가 발생한다. 그 이유는 잡음이 등화 과정에서 증가하기 때문이다. BER의 값이 0.02 이하인 성능을 갖는 위치를 살펴보면 정규화를 적용한 결과는 거리가 0.4km 까지 전송할 수 있지만 OFDMA/CDM 방식에 후치등화를 적용하면 0.3km까지 전송할 수 있다. 이는 정규화를 적용하였을 때 신호가 작아지는 것보다 수신단에서 잡음증가에 의한 성능 저하의 영향이 더 크기 때문이다. 또한 제로삽입을 적용한 결과가 정규화를 적용한 결과보다 향상된 이유는 직교성이 깨지는 것 대신 0값이 삽입되지 않은 다수의 부반송파에 파워를 높이기 때문이다. 끝으로 AWGN 환경에서와 같은 성능을 보이는 전력제한이 없는 경우가 0.6km 까지 전송할 수 있는 이유는 수신 신호의 값도 클 뿐만 아니라 수신단의 잡음 증가 또한 제거하였기 때문이다.

다중셀 환경에서 정규화 방식과 제로삽입을 적용한 경우에 신호대 간섭비 (SIR)의 분포를 도 5에 나타내었다. 이때 셀 중심으로부터 0.8km인 위치에서 측정하였으며 L은 32를 사용하였다. 정규화 방식을 적용하면 등화계수가 1보다 작은 값을 가지므로 신호와 간섭 모두 작아진다. 반면 제로삽입은 정규화에 비해서 다수의 부반송파에의 파워를 높임으로 신호의 값은 커지고 간섭 신호에 적용한 등화계수는 실제 간섭 신호가 이동한 경로를 고려한 값이 아님으로 정규화 방식에 비해 작아진다. 평균 SIR의 값을 비교해보면 제로삽입 방식이 정규화 방식 보다 약 1.9dB 더 좋아진다.

도 6은 OFDMA/CDM 기반 시스템에서 셀 구분을 위해 스크램블링 코드를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우 신호대 간섭비를 나타낸다. 이때 위치는 0.8km, L은 4, 8, 16, 32로 변화시키면서 관찰하였다. 세로축은 코드를 사용함으로써 사용하지 않은 경우 대비 얻을 수 있는 SINR 이득을 나타내며 가로축은 전송한 심볼 수 L을 나타낸다. 제안한 구조에서 랜덤코드를 사용하면 3.5-4.5 dB의 이득을 얻을 수 있다.

도 7은 앞에서 언급한 모의실험 파라미터를 사용하여 다중셀 환경에서 거리에 따라 구한 BER 성능 결과이다. OFDMA/CDM의 결과가 OFDMA의 결과보다 향상된 이유는 주파수 다이버시티와 랜덤 코드의 이득 때문이다. 단일셀 환경에서 가장 좋은 성능을 보인 송신전력의 제한을 주지 않는 방식은 신호의 전력이 크지만 외부 셀 간섭의 전력 또한 크기 때문에 성능이 저하된다. 정규화를 적용한 경우는 외부 셀 간섭에 의한 성능저하가 전력 제한이 없는 경우에 비해 상대적으로 적다. 제로 삽입을 하는 경우의 성능이 가장 좋은 이유는 채널 특성 값이 매우 작은 곳에서 0를 삽입하여 다른 부반송파의 파워를 높이기 때문이다. 또한 0가 삽입되지 않은 부반송파의 신호들은 특정한 값 이상의 채널을 겪으므로 페이딩에 의해 신호의 크기가 작아지는 것을 줄일 수 있다. 또한, 특정 BER 이하의 성능을 유지하며 전체 셀 영역에서 사용자에게 서비스를 제공하기 위해서는 다양한 L 값에 따른 성능 분석이 필요하다.

도 8은 0.7km인 지점에서 심볼 수 L에 따라 측정한 BER을 나타낸다. OFDMA/CDM 방식에 후치등화를 적용한 결과는 간섭 신호와 잡음증가로 인하여 전치등화를 하는 결과보다 성능이 저하된다. 또한 제로삽입을 하는 결과가 L값이 작은 곳에서 더 큰 향상을 보이는 것은 제로삽입 방식을 적용하기 때문에 발생하는 코드 간의 간섭이 줄어들기 때문이며, 다중셀 환경에서 셀외각 영역을 서비스하기 위해 적은 심볼을 전송해야하는 경우 제로삽입이 더 큰 성능 향상을 보일 것으로 판단된다.

도 9는 특정 거리에서 각각의 전력 할당 방식을 사용하였을 때 BER=0.02를 만족시키면서 최대로 전송할 수 있는 심볼 수를 나타낸다. OFDMA를 사용하는 경우 주파수 재사용 계수를 1로 가정하였으며 최대 32개의 심볼을 0.2km 까지 서비스 할 수 있다. 그러나 그 이상의 영역을 서비스하기 위해서는 복잡한 셀 계획을 해야 한다. OFDMA/CDM에 후치등화를 적용하면 서비스할 수 있는 영역이 0.5km 까지 늘어나며 이때 보낼 수 있는 심볼 수는 4이다. 정규화를 적용한 전치등화 방식은 심볼 4개를 전송하면서 0.7km까지 서비스 영역을 확장할 수 있다. 끝으로 제로삽입의 경우를 보면 0.3km-32개, 0.4km-24개, 0.5km-18개, 0.7km-12개, 0.8km-10, 0.9km-8개 그리고 1.1km까지 6개의 심볼을 전송할 수 있으며 심볼의 수를 변환함으로써 유연하게 전체 셀 영역 내에서 운용이 가능하다.

도 10은 다중셀 환경에서 기지국과의 거리가 0.7km인 지점에서 시간지연이 존재하는 경우 제안한 전/후치등화를 적용한 결과를 나타낸다. 채널 추정이 완벽하다고 가정하였지만 신호를 수신하고 등화를 적용할 때까지 16 OFDMA심볼의 지연이 있다고 가정했다. BER=0.02인 지점을 기준으로 볼 때 후치등화에 MMSE를 적용한 결과는 BER=0.02를 만족시킬 수 없다. 또한 제로삽입을 적용한 결과에 시간지연이 존재하는 경우는 L이 8 미만인 값에서 만족시킬 수 있다. 그러나 제안한 전/후치등화 를 적용하면 L=10으로 BER=0.02의 성능을 얻을 수 있다.

상기와 같이 본 발명은 고속전송 및 유연한 셀 구축 및 운용이 가능한 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템을 제안한 것으로, 전송전력제한이 있는 하향링크에서 전치등화에 적합한 전력할당 방식을 제안하고, 다양한 다른 방법들과 성능비교를 통해 제안된 방안이 우수함을 보였으며, 특히, 기지국과의 거리에 따른 단일 셀과의 성능 비교 및 셀 경계로 접근함에 따른 다중화 심볼수를 변화시킴으로써 유연한 셀 운용이 가능함을 보였으며, 제안된 방안은 TDD나 저속 이동의 FDD 시스템에 활용될 수 있을 것으로 예상되며, 고속 이동의 경우 전/후치 결합방안을 활용할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경하여 실시할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 셀 구분을 위한 랜덤코드를 사용하여 다중셀 환경에 적합함과 더불어 사용자를 주파수로 구분하고 데이터를 코드로 다중화하는 OFDMA/CDM을 이용하여 하향링크에서 전치 등화를 수행함으로써 시스템의 성능을 높일 수 있게 되며, 신호대간섭 정도에 따라 다중화된 심볼의 수를 조절하여 셀 영역 전체에서 유연한 서비스를 제공함이 가능하게 된다.

또한, 외부 셀 간섭이 존재하는 다중셀 환경에서 송신전력이 제한되어 있는 경우 전치등화로에 제로삽입 방식을 이용함에 따라 효과적인 전력할당이 가능하게 된다.

Claims

OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템에 있어서,

각 사용자의 전송하고자하는 데이터를 엔코딩하는 복수의 엔코더;

상기 각 엔코더의 출력을 병렬 데이터로 변환하는 복수의 S/P변환부;

상기 S/P변환부의 각 출력을 코드의 길이 만큼 확장하고 확장된 데이터마다 서로 다른 확산 코드를 곱한 후, 같은 코드 순번을 갖는 신호와 가산하여 주파수 영역 확산을 통해 코드 다중화하는 복수의 CDM부;

상기 CDM부의 출력 신호에 셀간의 구분을 위해 같은 길이를 갖는 랜덤 코드를 곱하는 랜덤코드 부가부;

상기 랜덤코드 부가부의 출력을 전치 등화하는 전치 등화부;

상기 전치 등화부의 출력을 IFFT 행하여 변환하는 IFFT 변환부;

상기 IFFT 변환부의 출력을 직렬 데이터로 변환하는 P/S변환부;

상기 P/S변환부의 출력에 인터 심볼 간섭(ISI)과 인터 캐리어 간섭(ICI)이 발생하지 않도록 가드 타임(Guard time)을 삽입하는 가드 타임 삽입부;로 구성됨을 특징으로 하는 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송신기.
제 1 항에 있어서, 상기 전치 등화부는

채널특성값이 특정값 이하인 부반송파에 제로를 삽입하여 전력을 할당하지 않는 제로 삽입 방식으로 전치 등화하는 것을 특징으로 하는 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송신기.
OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템에 있어서,

OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송신기로부터 송출된 신호 중에 삽입된 가드 타임(Guard time)을 제거하는 가드 타임 제거부;

상기 가드 타임 제거부의 출력 데이터를 병렬 데이터로 변환하는 S/P변환부;

상기 S/P변환부의 출력을 FFT 변환하여 주파수 영역의 신호로 변환하는 FFT 변환부;

상기 FFT 변환부의 출력에 셀 구분 스크램블링 코드를 곱해 역 스크램블링하는 역 스크램블링부;

상기 역 스크램블링부의 출력에 서로 다른 역확산 코드를 곱하고, 그 결과값을 합하여 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송신기에서 확산되기 이전의 데이터로 역확산하는 역확산부;

상기 역확산부의 출력으로부터 해당 사용자의 데이터를 검출하는 데이터 검출부;

상기 데이터 검출부의 출력을 직렬 데이터로 변환하는 P/S변환부;로 구성됨을 특징으로 하는 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 수신기.
제 3 항에 있어서, 상기 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송신기로부터 송출된 신호는 채널특성값이 특정값 이하인 부반송파에 제로를 삽입하여 전력을 할당하지 않는 제로 삽입 방식으로 전치 등화된 신호인 것을 특징으로 하는 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 수신기.
OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템에 있어서,

각 사용자의 전송하고자하는 데이터를 엔코딩하는 복수의 엔코더; 상기 각 엔코더의 출력을 병렬 데이터로 변환하는 복수의 S/P변환부; 상기 S/P변환부의 각 출력을 코드의 길이 만큼 확장하고 확장된 데이터마다 서로 다른 확산 코드를 곱한 후, 같은 코드 순번을 갖는 신호와 가산하여 주파수 영역 확산을 통해 코드 다중화하는 복수의 CDM부; 상기 CDM부의 출력 신호에 셀간의 구분을 위해 같은 길이를 갖는 랜덤 코드를 곱하는 랜덤코드 부가부; 상기 랜덤코드 부가부의 출력을 전치 등화하는 전치 등화부; 상기 전치 등화부의 출력을 IFFT 행하여 변환하는 IFFT 변환부; 상기 IFFT 변환부의 출력을 직렬 데이터로 변환하는 P/S변환부; 상기 P/S변환부의 출력에 인터 심볼 간섭(ISI)과 인터 캐리어 간섭(ICI)이 발생하지 않도록 가드 타임(Guard time)을 삽입하는 가드 타임 삽입부;로 구성되는 송신수단과;

상기 송신수단으로부터 송신되어 수신된 신호에 삽입된 가드 타임(Guard time)을 제거하는 가드 타임 제거부; 상기 가드 타임 제거부의 출력 데이터를 병렬 데이터로 변환하는 S/P변환부; 상기 S/P변환부의 출력을 FFT 변환하여 주파수 영역의 신호로 변환하는 FFT 변환부; 상기 FFT 변환부의 출력에 셀 구분 스크램블링 코드를 곱해 역 스크램블링하는 역 스크램블링부; 상기 역 스크램블링부의 출력에 서로 다른 역확산 코드를 곱하고, 그 결과값을 합하여 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송신기에서 확산되기 이전의 데이터로 역확산하는 역확산부; 상기 역확산부의 출력으로부터 해당 사용자의 데이터를 검출하는 데이터 검출부; 상기 데이터 검출부의 출력을 직렬 데이터로 변환하는 P/S변환부;로 구성되는 수신수단으로 구성됨을 특징으로 하는 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송수신기.
제 5 항에 있어서, 상기 전치 등화부는

채널특성값이 특정값 이하인 부반송파에 제로를 삽입하여 전력을 할당하지 않는 제로 삽입 방식으로 전치 등화하는 것을 특징으로 하는 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송수신기.
제 5 항에 있어서, 상기 송수신수단에서 셀 영역 내의 위치 및 신호대잡음값에 따라 상기 CDM부에서 다중화되는 심볼 수를 바꾸어 유연하게 서비스할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 다중셀 환경 OFDMA/CDM 기반 셀룰라 시스템의 송수신기.