KR100640080B1

KR100640080B1 - Ｏｆｄｍａ 시스템에서의 송신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100640080B1
Application number: KR1020050062639A
Authority: KR
Inventors: 김일규; 김영훈; 방승찬; 정찬복
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2006-10-30
Also published as: KR20060050068A

Abstract

본 발명에 따른 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서의 송신 장치는 각 채널별 송신 데이터를 인코딩하고 변조한 다음, 주파수 호핑 코드를 사용하는 각 채널이 점유하는 하나 이상의 부반송파와 하나 이상의 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple) 심볼 구간으로 이루어진 호핑 블록에 변조된 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 삽입한다. 그리고 확산인자가 상기 호핑 블록 크기와 동일한 서로 다른 2진 직교 코드를 이용하여 각 채널별 상기 호핑 블록을 시간 및 주파수 영역에서 2차원 확산시킨 후, 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더한 후, 셀 고유의 2진 확산 코드를 이용하여 스크램블링한다. 그리고 역 고속 푸리에 변환하고 CP(Cyclic Prefix)를 삽입하여 전송한다. 이렇게 하면, OFDMA 방식과 MC-CDMA(multicarrier-code division multiple access) 방식의 단점을 모두 극복할 수 있다.

OFDM, 코드 다중화, 주파수 호핑, 푸리에 변환, 다중접속, MIMO

Description

ＯＦＤＭＡ 시스템에서의 송신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR RECEIVING IN OFDMA SYSTEM}

도 1 및 도 2는 종래 OFDMA 방식을 나타낸 도면이다.

도 3a 및 도 3b는 종래 MC-CDMA 방식을 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에서 사용되는 MC-OFDMA 방식을 나타낸 도면이다.

도 5는 도 4에 도시된 호핑 블록을 나타낸 도면이다.

도 6은 호핑 블록 단위의 시간/주파수 2차원 확산을 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 OFDMA 시스템의 기지국 송신기를 나타낸 도면이다.

도 8은 도 7에 도시된 파일롯 다중화부 및 직교코드 확산부를 나타낸 도면이다.

도 9는 도 7에 도시된 OFDM 심볼 처리부를 나타낸 도면이다.

도 10은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 기지국 송신기의 동작 과정을 나타낸 도면이다.

도 11은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 OFDMA 시스템의 기지국 송신기를 나타낸 도면이다.

도 12는 호핑 코드 그룹으로 사용되는 프라임 시퀀스를 나타낸 도면이다.

도 13은 순방향링크에서 셀을 구분하는 방법을 나타낸 도면이다.

도 14는 도 12에 도시된 호핑 코드 그룹 1번을 할당받은 기지국에서 사용하는 19개의 주파수 호핑 코드를 나타낸 도면이다.

도 15는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 OFDMA 시스템의 기지국 송신기를 나타낸 도면이다.

도 16은 MIMO 기술 적용 시 파일롯 심볼과 데이터 심볼의 위치를 나타낸 도면이다.

도 17은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 OFDMA 시스템의 기지국 송신기를 나타낸 도면이다.

도 18은 도 17에 도시된 빔 형성부를 나타낸 도면이다.

본 발명은 순방향링크에서 주파수 호핑 코드를 이용하여 채널을 구분하되, 인접 셀과 호핑 코드의 충돌 시에 성능 저하를 줄이고 순방향링크에서 빔 형성(Beam Forming) 및 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 기술을 적용할 때 파일롯 채널을 지원하는 직교 코드의 채널 부족 문제를 극복할 수 있는 OFDMA(orthogonal frequency division multiplexing) 시스템의 순방향 무선전송 다중접속 기술을 적용한 OFDMA 시스템에서의 송신 장치 및 방법에 관한 것이다.

3세대 셀룰라 이동통신 시스템은 크게 북미지역을 근간으로 하는 CDMA2000 방식과 유럽/일본을 근간으로 하는 WCDMA 방식으로 나뉘어진다. 두 방식 모두 기본적으로 직접시퀀스 대역확산 코드분할 다중접속(Direct Sequence-CDMA; DS-CDMA) 방식을 사용한다. DS-CDMA 방식은 정보 신호에 해당 사용자의 고유 코드를 이용하여 직접 대역을 확산하는 방식으로, 음성 및 저속 데이터 통신용에 매우 적합한 방식으로 알려져 있다. 하지만 사용자의 데이터 전송 속도가 높을 경우(예를 들어, 1 Mbps이상), DS-CDMA 방식은 다 경로 채널 환경에서 성능이 매우 떨어지는 단점이 있다.

이러한 DS-CDMA의 단점을 보완하기 위해 최근 4세대 이동통신 시스템에서는 단일 반송파를 사용한 광대역 변조 방식보다 심벌 주기가 상대적으로 긴 여러 개의 반송파들을 사용하여 병렬로 전송하는 다중 반송파 변조 방식들을 채택하고 있다. 그 중에서 대표적인 OFDM 방식은 대역이 겹치는 상호 직교하는 부반송파들을 사용함으로써 주파수 이용 효율이 높아지며, FFT(fast Fourier transform)를 이용한 고속 구현이 가능하고, 매 심볼마다 순환 접두부(Cyclic Prefix, CP)를 삽입함으로써 부반송파별로 단일 탭 등화기를 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점들로 인하여, OFDM 방식은 디지털방송, 무선 LAN(Local Area Network) 등에서 표준 변조 방식으로 채택되고 있으며, 제 4세대 이동통신 시스템에서도 가장 주목받고 있다.

기존에 제안된 OFDM 기반의 순방향 다중 접속기술은 크게 두 가지가 있는데 첫 번째는 호핑 코드를 이용하여 채널을 구분하는 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 방식이고, 두 번째는 사용자마다 상호 직교하는 코드를 할당하여 각 사용자 신호를 주파수 영역으로 확산시키고 다른 사용자 신호와 다중화하여 전송하는 MC-CDMA(multicarrier-code division multiple access) 방식이다.

도 1 및 도 2는 종래 OFDMA 방식을 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 종래 OFDMA 방식은 호핑 블록(10) 단위로 서로 다른 호핑 코드를 이용하여 순방향링크의 채널을 구분한다. 하나의 호핑 블록(10)은 N_F 개의 부 반송파와 N_T 개의 OFDM 심볼 구간을 점유한다. 여기서, N_F×N_T를 호핑 블록 크기라 정의한다. 도 2에서는 N_F=8 이고 N_T=4로가 되어 호핑 블록 크기는 32가 되는 것으로 가정하였다.

도 2에서 S₁ ~ S₃₂는 하나의 호핑 블록(10)을 점유하는 트래픽 채널의 변조 심볼이며, 각각의 변조 심볼은 데이터 심볼과 파일롯 심볼로 이루어져 있다. 파일롯 심볼은 이동국이 데이터 심볼을 코히런트 복조할 때 채널 추정용으로 사용된다. 이처럼, OFDMA 방식은 하나의 변조 심볼이 호핑 블록 내 하나의 부반송파 및 하나의 OFDM 심볼 구간만을 점유한다.

이러한 OFDMA 방식이 셀룰라 이동통신시스템에 사용되었을 때 인접 셀에서 사용하는 주파수 호핑 코드와 홈 셀에서 사용하는 주파수 호핑 코드간 충돌이 발생했을 때 충돌이 일어나는 호핑 블록(10)의 데이터 심볼은 복조가 불가능해지는 단점을 가지고 있다.

도 3a 및 도 3b는 종래 MC-CDMA 방식을 나타낸 도면이다.

도 3a에 나타낸 바와 같이, 종래 MC-CDMA 방식은 k 번째 채널의 변조 심볼 (S₁ ^K, S₂ ^K, S₃ ^K, S₄ ^K)을 주파수 영역 및 시간 영역의 2차원 확산 코드를 이용하여 주파수/시간 영역 2차원 직접 시퀀스 확산을 수행한다. 이때, 각 채널은 시스템에서 사용되는 부 반송파 주파수를 매 OFDM 심볼 구간에서 모두 사용한다. 도 3a에서는 시스템에서 사용되는 부반송파 주파수 개수가 8인 경우를 도시하였다.

도 3a 및 도 3b에서는 2차원 확산 코드의 확산인자(Spreading Factor, SF)는 8인데, SF는 시간 영역 SF(SF_T)와 주파수 영역 SF(SF_F)로 나누어진다. 도 3a 및 도 3b에서는 SF_T는 4이고, SF_F는 2로 도시하였다.

MC-CDMA 방식에서는 주파수/시간 영역의 2차원 확산 코드로 서로 다른 직교 코드를 서로 다른 사용자에게 할당함으로써 채널을 구분할 수 있다. 이때, 채널 별 서로 다른 직교 코드로 확산된 신호는 도 3b와 같이 부 반송파 및 심볼 구간별로 모두 더해진 후, 셀 고유의 스크램블링 코드가 곱해져서 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)를 취한 후 송신된다.

이러한 MC-CDMA 방식은 채널 별 순방향링크의 전력 제어 기술 도입 시에 Near-Far 환경에서 성능이 저하 될 수 있다.

즉, 이동국이 기지국 근처에 위치할 때 다른 셀에 주는 간섭을 최소화하기 위해 기지국 근처에 위치한 이동국에는 작은 전력을 송신하도록 순방향링크의 전력 제어를 하는 것이 CDMA 시스템에서 전체 시스템 용량을 높이는 기술이다. 하지만 다른 이동국이 셀 경계에 위치할 경우 그 이동국에는 높은 전력을 송신하여야 한다. 이때, 기지국 근처에 있는 채널과 셀 경계에 위치한 채널간 송신 전력은 최대 30dB 이상 차이가 날 수 있다. 이러한 환경에서 시간/주파수 영역의 기본 확산 블록(20) 내에서 두 채널은 완벽한 직교성을 유지하여야 한다. 그렇지 않을 경우 기지국 근처에 있는 이동국이 수신한 신호에는 셀 경계에 있는 이동국을 위해 송신한 30dB 이상 센 신호가 간섭으로 들어와서 성능을 많이 저하시킬 수 있다.

기본 확산 블록(20)의 크기는 채널의 코히런스 대역폭 및 코히런스 타임에 의해 결정된다. MC-CDMA 방식에서 기본 확산 블록(20)의 크기를 작게 할 경우 직교성을 충분히 유지 할 수 있으나, 순방향 링크의 코드 채널 수가 작아져서 비효율적이다. 반면, 순방향링크의 코드 채널 수를 늘리려고 기본 확산 블록(20)의 크기를 크게 가져 갈 경우 채널간 직교성이 깨져서 Near-Far 환경에서 시스템의 성능이 많이 저하된다.

또한 MC-CDMA 방식은 순방향링크에서 MIMO 혹은 빔 형성 기술 도입 시, 파일롯 채널이 기본 확산 블록(20) 내 직교 코드 채널을 많이 사용해야 된다. 즉, MIMO 기술 도입 시에는 송신 안테나 수만큼 파일롯 채널이 필요하고, 빔 형성 기술 도입 시에는 사용자 트래픽 채널 수와 동일한 파일롯 채널이 필요하게 된다. 만약, MIMO와 빔 형성을 동시에 지원할 경우 필요한 파일롯 채널 수는 안테나 수와 사용자 트래픽 채널 수를 곱한 만큼 필요하게 된다. 이 경우 순방향 링크의 직교 코드 수가 모자라서 전체적인 용량이 매우 감소하게 된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래 OFDM 방식과 MC-CDMA 방식의 단점을 극복할 수 있는 OFDMA 시스템의 송신 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이 다.

본 발명의 한 특징에 따른 OFDMA 시스템에서의 송신 장치는,

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서 데이터를 송신하는 장치로서,

각 채널별 데이터를 인코딩하고 변조하는 채널별 채널 코딩 및 변조부; 주파수 호핑 코드를 사용하는 각 채널이 점유하는 하나 이상의 부반송파와 하나 이상의 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple) 심볼 구간으로 이루어진 호핑 블록에 상기 데이터가 변조된 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 삽입하는 채널별 파일롯 다중화부; 확산인자가 상기 호핑 블록의 크기와 동일한 서로 다른 2진 직교 코드를 이용하여 각 채널별 상기 호핑 블록을 시간 및 주파수 영역에서 2차원 확산시킨 후, 상기 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더하는 채널별 직교코드 확산부; 및 상기 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더해진 상기 각 채널별 복수의 호핑 블록을 처리하여 안테나를 통해 전송하는 OFDM 심볼 처리부를 포함한다.

본 발명의 다른 한 특징에 따른 OFDMA 시스템에서의 송신 장치는,

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서 데이터를 복수의 안테나를 통해 송신하는 장치로서,

각 채널별 데이터를 인코딩하고 변조하는 채널 코딩 및 변조부; 각 채널별로 상기 데이터가 변조된 데이터 심볼을 상기 안테나 수에 해당하는 복수의 그룹으로 나누어 출력하는 채널별 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 처리부; 주파수 호 핑 코드를 사용하는 각 채널이 점유하는 하나 이상의 부반송파와 하나 이상의 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple) 심볼 구간으로 이루어진 호핑 블록에 상기 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 삽입하는 채널별 복수의 파일롯 다중화부; 확산인자가 상기 호핑 블록의 크기와 동일한 서로 다른 2진 직교 코드를 이용하여 각 채널별 상기 호핑 블록을 시간 및 주파수 영역에서 2차원 확산시킨 후, 상기 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더하는 채널별 복수의 직교코드 확산부; 및 상기 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더해진 각 채널별 호핑 블록을 처리하여 각 안테나를 통해 전송하는 채널별 OFDM 심볼 처리부를 포함한다.

본 발명의 또 다른 한 특징에 따른 OFDMA 시스템에서의 OFDMA 시스템에서의 송신 방법은,

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서 데이터를 송신하는 방법으로서,

각 채널별 상기 데이터를 변조하는 단계; 주파수 호핑 코드를 사용하는 사용자 트래픽 채널이 점유하는 하나 이상의 부반송파와 하나 이상의 OFDM 심볼 구간으로 이루어진 호핑 블록에 상기 변조된 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 삽입하는 단계; 상기 데이터 심볼과 및 파일롯 심볼이 삽입된 호핑 블록을 서로 다른 2진 직교 코드를 이용하여 시간 및 주파수 영역에서 2차원 확산시키는 단계; 상기 2차원 확산된 호핑 블록을 상기 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더하는 단계; 및 상기 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더해진 호핑 블록내의 데이터 심볼 및 파일롯 심볼들을 처리하여 전송하는 단계를 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 OFDMA 시스템의 송신 장치 및 송신 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

MC-CDMA 방식의 경우, 하나의 기본 확산 블록 내에서 서로 다른 코드를 이용하여 사용자 트래픽 채널을 구분한다. 이때, 셀 내 사용자들의 위치가 서로 다르기 때문에 순방향 링크의 전력 제어 도입 시, 기본 확산 블록 내에서 직교 코드 채널간 직교성(Orthogonality)이 깨질 수 있다. 직교성이 깨질 경우, 앞서 설명한 것처럼 기지국 근처에 있는 이동국이 수신한 신호에는 셀 경계에 있는 이동국을 위해 기지국이 송신한 센 신호가 간섭으로 들어와서 성능을 많이 저하시킬 수 있다.

예를 들어, 직교성이 깨져서 셀 경계에 있는 이동국을 위해 기지국이 송신한 센 신호의 1%가 기지국 근처에 있는 이동국의 수신 신호에 간섭으로 들어 왔다고 했을 때, 최대 30dB의 이상의 순방향 링크의 전력 제어 동작 범위(dynamic range)를 고려하면, 자기 신호의 10배 이상의 간섭 신호가 들어오는 것과 동일하다. 이것을 방지하기 위해서는 기지국 근처에 있는 이동국에도 셀 경계에 있는 이동국과 거의 동일한 전력을 송신해야 한다. 즉, MC-CDMA 방식에서는 다른 셀에 미치는 간섭 을 최소화하여 전체 시스템 용량을 늘리는 기술인 순방향 링크의 전력제어 알고리즘을 도입할 수 없다.

그리고 OFDMA 방식의 경우, 하나의 호핑 블록 내에서 전송되는 데이터 심볼들과 파일롯 심볼은 동일 사용자의 트래픽 채널에 속한다. 따라서, 사용자별 순방향링크 전력 제어가 도입된다 하더라도 기본적으로 한 사용자가 점유하는 호핑 블록 내 각 심볼들의 전송 전력은 데이터 심볼의 송신 전력과 파일롯 심볼의 송신 전력 간에는 약간의 옵셋이 있을 수 있으나 거의 동일하다. 따라서, 호핑 블록 내에서 직교성이 약간 깨지더라도 복조기에서 재확산(dispreading)을 했을 경우 다른 심볼들은 약간의 간섭(interference)으로만 작용하여 복조에 커다란 영향을 미치지 않는다.

또한 셀내 사용자 트래픽 채널들은 기본적으로 직교 호핑 코드를 이용하여 구분되기 때문에 임의의 시간에서 서로 다른 호핑 블록, 즉 서로 다른 부 반송파 그룹을 사용한다. 따라서, 사용자 트래픽 채널간에는 주파수 분할로 인한 정교한 직교성이 유지되기 때문에 사용자 트래픽 채널별 전력 제어가 도입되어 서로 송신 전력이 많이 차이가 나더라도 MC-CDMA에서와 같은 Near-Far 문제가 발생하지 않는다. 이러한 이유로 인하여 본 발명의 실시 예에서는 OFDMA 방식을 적용한다. 본 발명에서 사용되는 MC-OFDMA 방식에 대해 도 4를 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 블록 단위(300)의 주파수 호핑을 수행하며 서로 다른 주파수 호핑 코드를 이용하여 순방향링크의 사용자 트래픽 채널을 구분한다. 이때, 사용자 트래픽 채널로는 사용자 패킷 채널(User Packet Channel) 또는 전용 채널(Dedicated Channel), WCDMA의 경우, 지정 채널(Dedicated Physical Channel, DPCH) 혹은 패킷 전용 채널(High Speed Downlink Shared CHannel, HS-DSCH)이 있을 수 있다.

두 개의 사용자 트래픽 채널은 호핑 코드 시퀀스의 심볼 크기가 19인 서로 다른 직교 호핑 코드를 사용한다. 이와 같이, 서로 다른 주파수 호핑 코드를 이용하여 순방향 링크의 사용자 트래픽 채널을 구분하며, 2개의 사용자 트래픽 채널이 점유하는 호핑 블록들 간에는 충돌(hitting)이 없음을 알 수 있다.

도 5는 도 4에 도시된 호핑 블록을 나타낸 도면이고, 도 6은 호핑 블록 단위의 시간/주파수 2차원 확산을 나타낸 도면이다.

먼저, 도 5를 보면, 하나의 호핑 블록(30)은 한 개 이상의 부 반송파와 한 개 이상의 OFDM 심볼 구간(OFDM Symbol Duration)으로 이루어져 있으며, 하나의 사용자 트래픽 채널은 하나의 호핑 블록(30)을 모두 점유한다. 여기서, 순방향링크의 사용자 트래픽 채널이 하나의 호핑 블록(30)을 모두 점유하는 이유는 하나의 호핑 블록(30) 내에서 전송되는 데이터 심볼의 전력을 모두 동일하게 함으로써, 종래 MC-CDMA 방식의 단점을 극복하기 위함이다.

도 5에서는 N_F=8, N_T=4로 가정했을 때, 임의의 사용자 트래픽 채널이 점유하는 호핑 블록의 구성을 나타낸 것으로, 기지국 송신단에서 역 푸리에 변환(IFFT)를 취하기 전의 주파수 영역의 신호이다.

이때, 데이터 전송을 위해 사용되는 총 부 반송파 수를 N_used라 정의하면, N_used/N_F는 호핑 코드 시퀀스의 심볼 크기가 된다. 호핑 코드 시퀀스의 심볼 크기는 호핑 코드 시퀀스의 한 심볼이 가질 수 있는 값의 범위이다.

OFDM 시스템에서 데이터 전송을 위해 사용되는 총 부 반송파 수인 N_used는 일반적으로 OFDM 시스템의 FFT 크기인 N_FFT보다 작다. 본 발명의 실시 예에서는 N_FFT=512, N_used=304로 가정하였다.

따라서, 도 4 및 도 5와 같이, 호핑 코드 시퀀스의 심볼 크기는 자동으로 N_used/N_F=19가 되고, 호핑블록 크기는 N_F×N_T=32가 된다.

k번째 호핑 코드를 사용하는 사용자 트래픽 채널에 할당된 임의의 호핑 블록(400)의 i번째 인덱스의 주파수 영역(domain)의 송신 신호(IFFT를 취하기 전 신호)는 아래의 수학식 1로 표현될 수 있다.

수학식 1에서

은 현재 셀(셀번호 u)의 스크램블링 코드의 i번째 인덱스이고,

는 1 혹은 -1의 실수 값을 가질 수도 있고 실수 부 빛 허수 부가 각각 1 혹은 -1의 값을 갖는 복소 값을 가질 수 있다. 만약,

가 실수 일 경우 수학식 1은 실 곱셈(Real Multiply)이 되고,

가 복소수일 경우 수학식 1은 복소 곱셈 (Complex Multiply)이 된다.

수학식 1에서

는 셀 고유의 스크램블링 코드로 스크램블링 되기 전의 k번째 호핑 코드를 사용하는 사용자 트래픽 채널의 호핑 블록내 i번째 주파수 영역 심볼로서, 수학식 2로 표현된다.

수학식 2에서,

는 k번째 호핑 코드를 사용하는 사용자 트래픽 채널의 디지털 이득이며, 채널 별 송신 전력비를 결정하는 값이다. 채널 별 순방향링크의 전력제어 도입 시,

는 k번째 호핑 코드를 순방향링크 채널로 할당받은 이동국으로부터 피드백 정보를 받아 시간적으로 계속 변하게 된다.

수학식 2에서

는 호핑 블록(400) 내의 N_F×N_T 개의 입력 변조 심볼 중 j번째 변조 심볼의 상대적인 Gain을 나타내며,

는 j번째 변조 심볼 값을 나타낸다. 변조 방식으로서 M-ary PSK 혹은 M-ary QAM이 사용되며, N_F×N_T 개의 입력 변조 심볼 중 일부는 파일롯 심볼이고 나머지는 데이터 심볼이다.

수학식 2에서

는 길이가 N_F×N_T이고, 코드 개수도 N_F×N_T인 2진 직교코드 집합의 j번째 코드 시퀀스의 i번째 심볼 인덱스이며 1 또는 -1값을 가진다.

2진 직교 코드는 수학식 3처럼 직교 특성을 가지며 일반적으로 월쉬/하다마드 코드 등이 2진 직교코드로 사용된다.

결국, k 번째 호핑 코드를 사용하는 사용자 트래픽 채널의 임의의 호핑 블록 내의 입력 변조 심볼들은 심볼별 이득이 곱해진 후 심볼별로 2진 직교 코드로 시간/주파수 2차원 확산되어 모두 더해 진 후 채널 이득이 곱해 지고 다시 셀 고유의 2진 스크램블링 코드로 스크램블링 된다는 것을 의미한다. 이를 도 6에 도시하였다.

도 6에서는 k번째 호핑 코드를 사용하는 사용자 트래픽 채널의 임의의 호핑 블록에서 N_F×N_T개의 입력 변조 심볼들이 각각 서로 다른 2진 직교 코드 시퀀스에 의해 시간/주파수축 상에서 2차원 확산되고 다시 더해지는 과정을 나타낸 도면이다. 도 6에서는 편의상 심볼별 이득(Gain)은 표시하지 않았다.

도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 OFDMA 시스템의 기지국 송신기를 나타낸 도면이다. 도 8은 도 7에 도시된 파일롯 다중화부 및 직교코드 확산부를 나타낸 도면이고, 도 9는 도 7에 도시된 OFDM 심볼 처리부를 나타낸 도면이다. 도 7에서는 송신 안테나가 1개일 경우인 경우 기지국 송신기를 도시하였다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 OFDMA 시스템의 기지국 송신기는 채널 코딩 및 변조부(100₁, 100₂, …, 100_k), 파일롯 다중화부(200₁, 200₂, …, 200_k), 직교코드 확산부(300₁, 300₂, …, 300_k), OFDM 심볼 처리부(400) 및 IF/RF(500)를 포함한다.

채널 코딩 및 변조부(100₁, 100₂, …, 100_k)는 각 채널의 송신 데이터 스트림을 입력받아 채널 인코딩하고 변조한다.

파일롯 다중화부(200₁, 200₂, …, 200_k)는 채널 코딩 및 변조부(100₁, 100₂, …, 100_k)로부터 데이터 변조 심볼을 입력받고, 파일롯 심볼을 입력받아 다중화시킨다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 파일롯 다중화부(200₁)는 곱셈기(210, 220) 및 다중화기(230)를 포함한다. 도 8에서는 첫 번째 채널 데이터 스트림을 처리하는 파일롯 다중화(200₁)만을 도시하였다. 곱셈기(210)는 채널 코딩 및 변조부(100₁)로부터 입력받은 변조 심볼에 이득(

)을 곱한 후 다중화기(230)로 출력한다. 곱셈기(220)는 파일롯 심볼에 이득(

)을 곱한 후 다중화기(230)로 출력한다. 다중화기(230)는 각각의 이득(

,

)이 곱해진 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 호핑 블록 크기(N_F× N_T) 단위로 다중화한다.

직교코드 확산부(300₁, 300₂, …, 300_k)는 다중화기(230)의 출력 심볼을 각각 서로 다른 직교 코드로 확산시킨다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 직교코드 확산부(300₁)는 직/병렬 변환기(310), 곱셈기(320-1, 320-2, …, 320-SF), 직교코드 발생기(330-1, 330-2, …, 330-SF) 및 덧셈기(340)를 포함한다. 도 8에서는 첫 번째 채널 데이터 스트림을 처리하는 직교코드 확산부(300₁)만을 도시하였다. 직/병렬 변환기(310)는 다중화기(230)의 출력 심볼을 입력받아 병렬로 변환한다. 곱셈기(320-1, 320-2, …, 320-SF)는 직/병렬 변환기(310)의 출력 심볼에 서로 다른 직교 코드를 곱하여 확산시킨다. 직교 코드 발생기(330-1, 330-2, …, 330-SF)는 직/병렬 변환기(310)의 출력 심볼이 각각 다른 직교 코드에 의해 확산되도록 서로 다른 직교 코드를 발생시킨다. 덧셈기(340)는 곱셈기(320-1, 320-2, …, 320-SF)의 출력 심볼을 모두 더한 OFDM 심볼을 OFDM 심볼 처리부(400)로 출력한다.

OFDM 심볼 처리부(400)는 덧셈기(340)에 의해 모두 더해진 OFDM 심볼을 입력받아 OFDM 심볼 처리를 수행한다.

도 9에 나타낸 바와 같이, OFDM 심볼 처리부(400)는 채널 이득 조절기(411₁, 411₂, …, 411_k), 곱셈기(412₁, 412₂, …, 412_k), 부반송파 심볼 매퍼(413₁, 413₂, …, 413_k), 주파수 호핑 코드 발생기(414₁, 414₂, …, 414_k), 다중화기(415), 병/직렬 변환기(416), 스크램블링 코드 발생기(417), 곱셈기(418), 직/병렬 변환기(419), IFFT(420) 및 CP(Cyclic Prefix, 이하 CP라 한다.) 삽입기(421)를 포함한다.

채널 이득 조절기(411₁, 411₂, …, 411_k)는 순방향 링크의 전력 제어 도입 시에 이동국으로부터 순방향링크의 전력 세기를 측정하여 피드백으로 전달받아 각각의 채널을 실시간 제어한다. 곱셈기(412₁, 412₂, …, 412_k)는 덧셈기(340)로부터 출 력된 OFDM 심볼에 채널 이득(G^k)을 곱하여 해당 부반송파 심볼 매퍼(413₁, 413₂, …, 413_k)로 출력한다. 부반송파 심볼 매퍼(413₁, 413₂, …, 413_k)는 호핑 블록 구간 동안 주파수 영역 심볼을 입력받아 매핑하여 IFFF가 수행되는 단위인 OFDM 심볼 구간에 한번씩 심볼을 다중화기(415)로 출력한다. 주파수 호핑 코드 발생기(414₁, 414₂, …, 414_k)는 각각 사용자 트래픽 채널의 호핑 블록 번호를 다중화기(415)로 출력한다. 이때, 각 사용자 트래픽 채널은 서로 다른 주파수 호핑 코드를 사용한다. 다중화기(415)는 각 사용자 트래픽 채널의 주파수 호핑 코드 발생기(414₁, 414₂, …, 414_k)로부터 입력받은 호핑 블록 번호에 해당하는 호핑 블록 위치에 각 사용자 트래픽 채널의 부반송파 심볼 매퍼(413₁, 413₂, …, 413_k)로부터 매 OFDM 심볼 구간마다 입력받은 심볼을 순차적으로 정렬하여 병/직렬 변환기(416)로 출력한다. 병/직렬 변환기(416)는 다중화기(415)로부터 출력되는 주파수 영역 심볼을 직렬로 변환한다. 스크램블링 코드 발생기(417)는 현재 셀 고유의 스크램블링 코드를 발생시켜 곱셈기(418)로 출력한다. 곱셈기(418)는 병/직렬 변환기(416)로부터 출력되는 심볼에 셀 고유의 스크램블링 코드를 곱하여 스크램블링시킨다. 직/병렬 변환기(419)는 스크램블링 코드가 곱해진 주파수 영역 심볼을 다시 병렬로 변환하여 IFFT(420)로 출력한다. IFFT(420)는 병렬로 변환된 주파수 영역 심볼을 입력받아 역 푸리에 변환을 수행한다. CP 삽입기(421)는 IFFT(420)의 출력 신호, 즉 시간 영 역의 심볼에 CP를 삽입한다.

IF/RF(500)는 CP가 삽입된 시간 영역의 심볼을 RF로 변환하여 안테나(600)를 통하여 이동국의 수신장치로 출력한다.

이와 같이 구성된 OFDMA 시스템의 기지국 송신기의 동작에 대해 도 10을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 각 사용자 트래픽 채널의 송신 데이터는 각각의 채널 인코딩 및 변조부(100₁, 100₂, …, 100_k)에서 인코딩 및 변조되고(S100), 각 사용자 트래픽 채널의 곱셈기(210)에 의해 데이터 심볼에 해당하는 이득(

)이 곱해지고, 곱셈기(220)에 의해 파일롯 심볼에 해당하는 이득(

)이 곱해진 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 다중화기(230)에서 다중화된다(S200).

즉, 다중화기(230)는 호핑 블록 크기(N_F×N_T) 단위로 파일롯 심볼과 데이터 심볼을 다중화하며, 호핑 블록 당 파일롯 심볼의 개수는 1개이고, N_F×N_T개 중 파일롯 심볼을 제외한 나머지 심볼은 데이터 심볼로 사용된다. 이때, 파일롯 심볼의 위치는 매 호핑 블록마다 고정된 위치에 지정된다.

이후, 다중화기(230)의 출력을 직병렬 변환기(310)에서 입력받아 병렬로 변환된다(S300). 이때, 직병렬 변환기(310)의 N_F×N_T개의 출력 중 1개는 파일롯 심볼 이고 나머지는 데이터 심볼이다.

직병렬 변환기(310)의 출력 심볼은 각각의 직교 코드 발생기(330-1, 330-2, …, 330-SF)에 의해 서로 다른 직교 코드에 의해 확산되고(S400), 덧셈기(340)에서 모두 더해진다. 이때, 직교 코드의 확산 계수(SF:Spreading Factor)는 호핑블록 크기(N_F×N_T)와 같다(SF=N_F×N_T). 그리고 파일롯 심볼은 매 호핑 블록에 대해 동일한 직교 코드로 확산된다. 그런 후에, 각 사용자 트래픽 채널의 곱셈기(412₁, 412₂, …, 412_k)에서 채널 이득(G^k)이 곱해진다(S500). 이때, 사용자 트래픽 채널의 채널 이득(G^k)은 순방향 링크의 전력 제어 도입 시에 이동국이 순방향링크의 전력 세기를 측정하여 피드백으로 기지국에 알려 줌으로써 실시간 조정되는 파라미터이다.

곱셈기(412₁, 412₂, …, 412_k)의 출력은 수학식 4로 표현되는 주파수 영역의 심볼 시퀀스가 된다.

수학식 4의

는 수학식 2에 정의되어 있다.

각 사용자 트래픽 채널의 곱셈기(412₁, 412₂, …, 412_k)의 출력은 각 사용자 트래픽 채널의 부반송파 심볼 매퍼(413₁, 413₂, …, 413_k)로 입력되고, 부반송파 심볼 매퍼(413₁, 413₂, …, 413_k)는 호핑 블록 구간 동안 수학식 4로 표현되는 SF(N_F× N_T)개의 주파수 영역 심볼을 입력으로 받아서 매핑하여 IFFT가 수행되는 단위인 OFDM 심볼 구간에 한번씩 N_F개의 심볼을 다중화기(415)로 출력한다(S600).

즉, 호핑 구간내 첫번째 OFDM 심볼 구간에는

를 병렬로 출력하고, 두번째 OFDM 심볼 구간에는

`를 병렬로 출력하고, 마지막 OFDM 심볼 구간에는

을 병렬로 출력한다.

다중화기(415)는 각 사용자 트래픽 채널의 부 반송파 심볼 매퍼(413₁, 413₂, …, 413_k)로부터 매 OFDM 심볼 구간마다 N_F개의 심볼과 각 사용자 트래픽 채널의 호핑 코드 발생기(414₁, 414₂, …, 414_k)로부터 호핑 블록 번호를 입력으로 받아, 호핑 블록 번호에 해당하는 호핑 블록 위치에 채널별 N_F개의 주파수 영역의 심볼을 순차적으로 정렬한다.(S700)

다중화기(415)는 매 OFDM 심볼 구간마다 K개의 채널로부터 받은 N_F×K개의 주파수 영역의 심볼을 위에 언급한 절차로 다중화한 후, 병/직렬 변환기(416)로 출력한다. 이때, 병/직렬 변환기(416)로 출력되는 주파수 영역의 심볼은 총 N_used개이며, 채널 수 K가 최대 용량일 경우 N_F×K는 N_used와 같고, K가 최대 용량보다 작을 경우 N_F×K는 N_used보다 작다. 그리고 다중화기(415)는 채널 수 K가 최대 용량이 아 닐 경우 총 N_used개의 부 반송파 영역 중 사용되지 않는 부분을 0으로 출력한다.

그리고 병직렬 변환기(416)에서 직렬로 변환된 주파수 영역의 심볼은 스크램블링 코드 발생기(417)에 의해 셀 고유의 스크램블링 코드로 스크램블링된다(S800, S900). 이때, 스크램블링 코드는 인접 기지국간에 다른 코드를 사용한다. 이렇게 하면, 인접 셀간 주파수 호핑 코드가 충돌이 발생했을 경우에도 이동국에서 스크램블링 코드를 이용하여 재확산함으로써 인접 셀에서 오는 감섭을 최소화할 수 있다.

이와 같이, 스크램블링 코드가 곱해진 신호는 직/병렬 변환기(419)에 의해 다시 병렬로 변환되어 IFFT(420)의 입력으로 들어간다(S1000).

IFFT(420)는 직/병렬 변환기(419)로부터 N_used개의 주파수 영역의 심볼을 입력으로 받아 역 푸리에 변환을 수행한다(S1100). 이때, IFFT(420)의 입력 크기는 N_FFT로써 N_used보다 큰 값인데 일반적으로 N_FFT - N_used 에 해당하는 부 반송파 심볼들은 0으로 셋팅된 후 역 푸리에 변환된다.

역 푸리에 변환기(420)의 출력 신호, 즉 시간 영역에서의 신호는 무선 채널에서 ISI를 없애기 위해 최종적으로 CP(Cyclic Prefix) 삽입기(421)에 의해 CP가 삽입되어 IF/RF(500)와 안테나(600)를 통해 이동국으로 전송된다(1200, S1300). 이때, OFDM 심볼의 전송은 심볼단위로 이루어지나 OFDM 심볼이 다중경로 채널을 통해 전송되는 동안 이전 심볼에 의한 영향을 받게 된다. 이러한 OFDM 심볼간 간섭을 방지하기 위해 인접한 OFDM 심볼 사이에 채널의 최대지연확산(Maximum delay spread)보다 길도록 길이를 설정하여 CP를 추가 삽입한다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 직교코드 확산부(300_1a)는 역 하다마드 변환기(IFHT:Inverse Fast Hadamard Transformer, 320_a) 및 병직렬 변환기(330_a)를 사용한다는 점을 제외하면, 도 7에 도시된 본 발명의 제1 실시 예와 동일하다. 도 11에서도 마찬가지로 첫 번째 채널 데이터 스트림을 처리하는 직교코드 확산부(300_1a)만을 도시하였다.

역 하다마드 변환기(320_a)는 직병렬 변환기(310)의 출력 심볼에 역하다마드 변환을 수행한다.

병/직렬 변환기(330_a)는 역하다마드 변환된 심볼을 직렬로 변환한 후, OFDM 신호 처리부(400)로 출력한다.

이와 같이, 역 하다마드 변환기(320_a)와 병직렬 변환기(330_a)를 사용하면, 연산량을 많이 줄일 수 있다.

한편, 순방향링크에서 인접한 셀의 구분은 인접 셀 간 서로 다른 주파수 호핑 코드 그룹 및 서로 다른 스크램블링 코드로 구분된다. 즉 인접한 셀의 구분은 호핑 코드 및 2진 스크램블링 코드의 2차원 코드 셋으로 구분된다. 이때, 코드 특성이 좋은 어떠한 호핑 코드를 사용해도 무방하나 본 발명의 실시 예에서는 프라임(Prime) 시퀀스를 사용한다.

임의의 프라임 번호 P 에 대해 프라임 시퀀스 집합

은 수학식 5에서와 같이 P 개의 프라임 시퀀스로 이루어져 있다.

수학식 5에서

는 알파벳 크기가 P 이고, 길이도 P 인 k번째 프라임 시퀀스이며 하기의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.

수학식 6에서

는 수학식 7로 정의된다.

수학식 7에서 mod는 모듈러(modulo) 연산자이다.

임의의 k번째 프라임 시퀀스

를 s만큼 순환 시프트(Cyclic shift)한 시퀀스를

로 정의했을 때,

는 수학식 8로 표현된다.

수학식 8에서

이다.

결국, 임의의 프라임 번호 P 에 대해 총 P ² 개의 순환 시프트된 프라임 시퀀스가 존재한다.

순환 시프트된 임의의 두 프라임 시퀀스간에 정규화된 상호 상관 값을 수학식 9로 표현했을 때, 순환 시프트된 프라임 시퀀스는 수학식 10 및 수학식 11의 특성을 갖는다.

수학식 9에서

는 x와 y가 같을 때는 1이고, x와 y가 다를 때는 0이다. 이때, j와 k는 코드번호를 나타낸다.

결국, 수학식 9는 j번째 프라임 시퀀스를

만큼 순환 시프트한 시퀀스와 k번째 프라임 시퀀스를

만큼 순환 시프트한 시퀀스의 정규화 된 상호 상관 값을 의미한다.

수학식 10은 j와 k가 다를 때, 모든

와

값에 대해 값으로서, 서로 다른 두 개의 시퀀스의 모든 순환 시프트에 대해 정규화 된 상호 상관 값이 1/P 또는 0이라는 것이다. 이것은 시퀀스 길이(

)내에서 두 시퀀스간 충돌이 0아니면 1이라는 것을 의미한다.

수학식 11은 j와 K가 0인 경우를 제외하고 j와 k가 같을 때

와

값에 대해 값으로서, 이는 하나의 프라임 시퀀스를 순환 시프트해서 만들어지는 시퀀스들은 직교 집합(Orthogonal set)임을 의미한다.

이와 같은 두가지 특성으로 인해 본 발명의 실시 예에서는 주파수 호핑 코드로 프라임 시퀀스를 사용한다.

도 12는 호핑 코드 그룹으로 사용되는 프라임 시퀀스를 나타낸 도면이다. 도 12에서는 호핑 코드 시퀀스의 심볼 크기가 19인 직교 호핑 코드에 적용했을 때 생성되는 시퀀스를 도시하였다.

도 12에 나타낸 바와 같이, 0번 프라임 시퀀스의 코드 알파벳은 모두 “0”임을 알 수 있다. 따라서, 호핑 코드로써 프라임 시퀀스를 사용할 때, 0번째 프라임 시퀀스는 사용하지 않는다. 즉, 0번을 제외한 나머지 프라임 시퀀스는 각각 하나의 호핑 코드 그룹을 형성한다. 예를 들어, 1번 프라임 시퀀스는 1번 호핑 코드 그룹에 매핑되고, 2번 프라임 시퀀스는 2번 호핑 코드 그룹, …, P-1번 프라임 시퀀스는 P-1번 호핑 코드 그룹에 매핑된다.

도 13에 나타낸 바와 같이, 순방향링크에서 기지국 구분은 인접한 기지국간에 1차로 서로 다른 호핑 코드 그룹이 할당되고, 2차로 셀 고유의 2진 스크램블링 코드가 할당되어 구분된다. 임의의 호핑 코드 그룹을 할당받은 기지국은 할당받은 호핑 코드 그룹 번호에 해당하는 프라임 시퀀스의 순환 시프트에 의해 생성되는 P개의 호핑 코드를 셀 내 순방향링크의 채널 구분을 위해 사용한다. 이때, 2진 직교 코드와는 달리 호핑 코드의 경우는 개수가 적기 때문에 재사용해야 한다. 따라서, 인접한 셀에서는 호핑 코드 그룹 번호 및 진 스크램블링 코드 번호가 모두 다르나, 멀리 떨어진 셀에서는 호핑 코드 그룹을 재 사용할 수 있기 때문에 호핑 코드 그룹 번호는 같고 스크램블링 코드 번호는 다름을 알 수 있다.

한편, 순방향링크에서 셀 공통 채널들, 즉 시스템 정보 및 셀 정보 등을 실어나르는 공통 방송 채널(Common Broad Casting Channel) 또는 페이징 채널(예를 들어, WCDMA 규격의 PCCPCH 혹은 SCCPCH 등)은 사용자 트래픽 채널과는 달리 동일 호핑 블록(30) 내에서 2진 직교 코드를 서로 다른 것을 사용하여 채널을 구분 할 수 있다. 순방향 공통 채널들은 사용자 트래픽 채널에 비해 전송 속도도 매우 낮고 셀 경계까지 방송(broadcasing)되어야 하기 때문에, 기본적으로 순방향 전력 제어를 필요로 하지 않는다. 또한, 공통 채널간의 전력비도 별로 차이가 나지 않기 때문에 호핑 블록(30) 내에서 공통 채널별 서로 다른 2진 직교코드를 이용하여 채널을 구분하더라도 Near-Far 문제 등이 발생하지 않는다.

이와 같은 순방향 공통 채널에 하나 이상의 주파수 호핑 코드를 할당할 수 있으며, 하나의 주파수 호핑 코드를 한 개 이상의 순방향 공통 채널이 동시에 점유하여 사용할 수 있다. 이 경우, 한 개 이상의 순방향 공통 채널들이 하나의 동일한 주파수 호핑 코드를 사용할 경우 한 호핑 블록(30) 내에서 서로 다른 2진 직교 코드를 이용하여 주파수/시간 2차원 직접 시퀀스 확산되어 호핑 블록(30) 내에서 더 해진 후 다른 채널의 호핑 블록에 있는 OFDM 심볼들과 주파수 영역에서 다중화되고 다중화된 OFDM 심볼들은 셀 고유의 2진 확산 코드를 이용하여 스크램블링된 후 역 푸리에 변환되고 CP가 삽입되어 전송된다.

도 13에서 H는 호핑 코드 그룹 번호를 나타내며, S는 2진 스크램블링 코드 번호를 나타낸다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 각각의 주파수 호핑 코드는 수학식 8을 이용하여 1번 프라임 시퀀스(Original 시퀀스)를 순환 시프트하여 생성된다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 셀 구분은 셀 내 사용자 트래픽 채널을 구분하는 호핑 코드간에는 충돌(Hitting)이 한번도 일어나지 않고 인접한 셀의 호핑 코드간에는 충돌을 최소화하며, 충돌이 일어나더라고 셀 고유의 2진 직교 코드로 구분하여 이동국으로 하여금 복조가 가능하게 한다.

즉, 셀 내의 호핑 코드의 집합은 수학식 10의 특성 2에 의해 직교 집합(Orthogonal set)이다. 따라서 셀 내 주파수 호핑 코드에 의해 구분되는 채널은 서로 간섭을 주지 않는다. 그리고 인접한 셀 간 임의의 두 주파수 호핑 코드간에는 수학식 10의 특성 1에 의해 P번의 호핑 구간 동안 충돌이 0번 혹은 1번 밖에 일어나지 않는다. 충돌이 일어났을 경우 셀 고유의 2진 직교 코드로 구분함으로써 이동국으로 하여금 복조가 가능하게 한다.

도 15는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 OFDMA 시스템의 기지국 송신기를 나 타낸 도면이고, 도 16은 MIMO 기술 적용 시 파일롯 심볼과 데이터 심볼의 위치를 나타낸 도면이다. 도 15에서는 복수의 송신 안테나를 사용하여 데이터를 전송하는 MIMO 기술이 결합된 시스템의 기지국 송신기를 도시하였다. 이때, 파라미터 M은 송신 안테나 수를 나타낸다.

도 15에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 OFDMA 시스템의 기지국 송신기는 MIMO 처리부(150₁, …, 150_k)가 추가되며, 각 사용자 트래픽 채널당 파일롯 다중화부(200₁₁´, …, 200_1M´, …, 200_k1´, …, 200_kM´), 직교코드 확산부(300₁₁´, …, 300_1M´, …,300_k1´, …, 300_kM´), OFDM 심볼 처리부(400₁´, …, 400_M´) 및 IF/RF(500₁´, …, 500_M´)의 수가 송신 안테나 수만큼 추가된다는 점을 제외하면, 본 발명의 제1 실시 예와 동일하다.

MIMO 방식의 경우, 이동국으로 하여금 각각의 기지국 송신 안테나별 채널 추정을 하도록 하기 위해서 각각의 호핑 코드 채널별, 호핑 코드 블록별 그리고 기지국 송신안테나 별로 1개씩의 파일롯 심볼을 필요로 한다. 따라서, 총 N_F×N_T인 2진 직교 코드 중 M개는 파일롯 심볼의 확산용으로 사용되어야 하므로, 총 N_F×N_T인 2진 직교코드 중 M개를 제외한 나머지 직교 코드만 데이터 심볼의 확산용으로 사용된다. 그리고 호핑 코드 채널당 그리고 매 호핑 블록당 총 전송되는 데이터 변조 심볼 수는 M×(N_F×N_T－M)이 된다. 따라서 안테나당 송신되는 데이터 심볼 수는 N_F×N_T－M이 된다.

각 사용자 트패픽 채널의 MIMO 처리부(150₁, …, 150_k)는 매 호핑 구간(Hopping Duration)마다 채널 코딩 및 변조부(100₁´, …, 100_k´)로부터 M×(N_F×N_T－M)개의 데이터 변조 심볼을 받아 M개의 그룹으로 나누어 각 그룹을 각각 하나의 출력 포트로 연결한다. M개의 출력 포트는 각각 N_F×N_T－M개의 변조 데이터 심볼과 M개의 파일롯 심볼에 해당하는 M개의 심볼 위치에 “0”을 출력한다.

파일롯 다중화부(200₁₁´, …, 200_1M´, …, 200_k1´, …, 200_kM´) 및 직교코드 확산부(300₁₁´, …, 300_1M´, …,300_k1´, …, 300_kM´), OFDM 심볼 처리부(400₁´, …, 400_M´) 및 IF/RF(500₁´, …, 500_M´)는 1에서 M개의 안테나 별로 하나씩 필요하다는 점을 제외하면 도 7 내지 도 8과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 단, 차이점은 M개의 파일롯 다중화부 및 직교코드 확산부 내에 있는 각각의 다중화기의 파일롯 심볼 위치 정보가 M개의 블록마다 다르다는 점이다. 즉, 파일롯 심볼의 확산용으로 사용되는 2진 직교 코드 번호가 M개의 블록마다 다르다. 결국 MIMO 처리부(150₁, …, 150_k)에서 매 호핑 블록(30)마다 M개의 송신 안테나로 송신되는 파일롯 심볼은 M개의 서로 다른 2진 직교 코드에 의해 시간/주파수 2차원 확산된다.

반면, 데이터 심볼은 안테나 별로 동일한 직교 코드 집합이 곱해진다. 즉, 각각의 송신 안테나로 전송되는 호핑 블록당 데이터 심볼 개수는 N_F×N_T－M개가 되 고 파일롯 심볼까지 합하면 안테나당 N_F×N_T－M+1 개의 심볼이 전송된다. 도 16에 송신 안테나 개수(M)가 4개일 경우, 직교 코드 중 앞의 4개는 파일롯 심볼의 확산용으로 사용하고 나머지는 MIMO 송신 데이터 심볼의 확산용으로 사용되었을 경우를 도시하였다.

도 16을 보면,

는 수학식 3을 만족하는

개의 직교 코드 중 j번째 코드이고,

는 파일롯 심볼 그리고

는 k번째 사용자 트래픽 채널의 m번째 송신 안테나로 전송되는 i번째 심볼을 나타낸다.

도 16에서 알 수 있듯이, 데이터 심볼 영역의 경우, 각 송신 안테나 별로 서로 다른 심볼이 전송되지만 동일 위치에 있는 송신 안테나 별 서로 다른 심볼들은 동일한 직교코드로 확산되어 전송된다. 또한, 각 송신 안테나별 파일롯 심볼들은 서로 다른 직교코드로 확산되는 것을 알 수 있다. 파일롯 심볼 영역에서 파일롯이 존재하지 않은 영역은 앞에서 언급했듯이 “0”이 전송된다.

한편, 임의의 사용자 트래픽 채널에 MIMO 기술을 적용할 때에는 각 송신 안테나 별로 서로 다른 데이터가 전송될 수 있기 때문에 데이터 전송 속도는 도 7 내지 도 10과 같이 송신 안테나가 1개인 기본 전송 모드에서 전송 속도의 M배가 된다. 이와 같이, MIMO 기술 도입 시 전송 속도는 기본 전송 속도의 M배가 되는 반면 이동국 수신기에도 안테나가 M개 이상 있어야 하고 기본적으로 이동국 수신기에서 매우 복잡한 MIMO 복조 알고리즘을 수행해야 한다. 그리고 이동국 수신기에서 수신 된 신호에서 안테나간 상관(correlation)이 많이 발생했을 경우, 비트 에러가 많이 나는 단점을 가지고 있다. 따라서, MIMO 기술은 채널 환경이 좋은 환경에서만 선택적으로 사용할 수 있고, 송신 다이버시티 기술과 선택적으로 사용한다.

도 17은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 OFDMA 시스템의 기지국 송신기를 나타낸 도면이고, 도 18은 도 17에 도시된 빔 형성부를 나타낸 도면이다. 도 17에서는 MIMO와 순방향링크의 빔 형성 기술을 동시에 지원하는 경우의 기지국 송신기를 도시하였다.

도 17에 나타낸 바와 같이, MIMO와 순방향 빔 형성 기술을 동시에 지원하는 본 발명의 기지국 송신기는 각 사용자 트래픽 채널당 M개의 빔 형성부(350₁₁, …, 350_1M, …, 350_k1, …, 350_kM) 및 M개의 안테나 그룹(600₁˝,…, 600_M˝)을 더 포함한다는 점을 제외하면 도 15에 도시된 본 발명의 제3 실시 예와 동일하다. 이때, 각각의 안테나 그룹은 P개의 안테나를 포함한다. 안테나 그룹 내 안테나간 간격은 빔 형성을 위해 통상 캐리어 주파수의 반파장 길이(Half Wave Length)에 해당하는 거리만큼 이격시키고, 안테나 그룹간 거리는 송신 다이버시티를 얻기 위해 파장길이의 10배 이상 이격시킨다.

도 18에 나타낸 바와 같이, 빔 형성부(350₁₁, …, 350_1M, …, 350_k1, …, 350_kM)는 직교코드 확산부(300₁₁˝, …, 300_1M˝, …,300_k1˝, …, 300_kM˝)의 출력을 입력받아 사용자 트래픽 채널별, 안테나 그룹별 수학식 12의 빔 형성 가중치를 곱 한 후, OFDM 심볼 처리부(400₁˝, …, 400_M˝)로 출력하여 안테나 그룹 내 P개의 안테나로 전송된다.

수학식 12에서

는 k번째 사용자 트래픽 채널의 m번째 안테나 그룹의 i번째 안테나를 위한 가중치(weight) 인덱스로서 복소 값을 가진다.

빔 형성부(350₁₁, …, 350_1M, …, 350_k1, …, 350_kM)의 P개의 출력은 OFDM 심볼 처리부(400₁˝, …, 400_M˝)의 입력이 되고, OFDM 심볼 처리부(400₁˝, …, 400_M˝)내에는 P개의 OFDM 심볼 처리부가 있으며, IF/RF(500₁˝, …, 500_M˝)내에도 P개의 IF/RF가 있다. 각각의 OFDM 심볼 처리부 및 IF/RF는 그룹 내 P개의 송신 안테나 각각에 일대일로 연결된다.

그리고 채널 코딩 및 변조부(100₁˝, …, 100_k˝), MIMO 처리부(150₁´, …, 150_k´), 파일롯 다중화부(200₁₁˝, …, 200_1M˝, …, 200_k1˝, …, 200_kM˝), 직교코드 확산부(300₁₁˝, …, 300_1M˝, …,300_k1˝, …, 300_kM˝), OFDM 심볼 처리부(400₁˝, …, 400_M˝) 및 IF/RF(500₁˝, …, 500_M˝)의 기능은 앞서 설명한 도 7 내지 도 9, 도 15와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

이상의 실시 예들은 본원 발명을 설명하기 위한 것으로, 본원 발명의 범위는 실시 예들에 한정되지 아니하며, 첨부된 청구 범위에 의거하여 정의되는 본원 발명의 범주 내에서 당업자들에 의하여 변형 또는 수정될 수 있다.

본 발명에 의하면, 셀 내 사용자 트래픽 채널들은 기본적으로 직교 호핑 코드를 이용하여 구분되기 때문에 임의의 시간에서 서로 다른 호핑 블록, 즉 서로 다른 부 반송파그룹을 사용한다. 따라서, 사용자 트래픽 채널간에는 주파수 분할로 인한 정교한 직교성이 유지되기 때문에 사용자 트래픽 채널별 전력제어가 도입되어 서로 송신 전력이 많이 차이가 나더라도 MC-CDMA에서와 같은 Near-Far 문제가 발생하지 않는다.

또한, 인접 셀 간에 서로 다른 주파수 호핑 코드 그룹을 사용하며, 인접 셀 간에 스프램블링 코드 또한 서로 다른 2진 확산 코드를 이용한다. 이때, 인접 셀 간에 서로 다른 호핑 코드를 사용하더라도 임의의 호핑 블록에서 충돌이 날 수 있는데 이동국 수신기에서 현 셀의 스크램블링 코드를 이용하여 재 확산을 함으로써, 다른 셀로부터 수신한 신호를 suppressing 하여 복조가 가능해지므로 종래 OFDMA 방식의 단점을 극복할 수 있다.

Claims

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서 데이터를 송신하는 장치에 있어서,

각 채널별 데이터를 인코딩하고 변조하는 채널별 채널 코딩 및 변조부;

주파수 호핑 코드를 사용하는 각 채널이 점유하는 하나 이상의 부반송파와 하나 이상의 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple) 심볼 구간으로 이루어진 호핑 블록에 상기 데이터가 변조된 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 삽입하는 채널별 파일롯 다중화부;

확산인자가 상기 호핑 블록의 크기와 동일한 서로 다른 2진 직교 코드를 이용하여 각 채널별 상기 호핑 블록을 시간 및 주파수 영역에서 2차원 확산시킨 후, 상기 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더하는 채널별 직교코드 확산부; 및

상기 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더해진 상기 각 채널별 복수의 호핑 블록을 처리하여 안테나를 통해 전송하는 OFDM 심볼 처리부를 포함하는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서 데이터를 복수의 안테나를 통해 송신하는 장치에 있어서,

각 채널별 데이터를 인코딩하고 변조하는 채널 코딩 및 변조부;

각 채널별로 상기 데이터가 변조된 데이터 심볼을 상기 안테나 수에 해당하 는 복수의 그룹으로 나누어 출력하는 채널별 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 처리부;

주파수 호핑 코드를 사용하는 각 채널이 점유하는 하나 이상의 부반송파와 하나 이상의 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple) 심볼 구간으로 이루어진 호핑 블록에 상기 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 삽입하는 채널별 복수의 파일롯 다중화부;

확산인자가 상기 호핑 블록의 크기와 동일한 서로 다른 2진 직교 코드를 이용하여 각 채널별 상기 호핑 블록을 시간 및 주파수 영역에서 2차원 확산시킨 후, 상기 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더하는 채널별 복수의 직교코드 확산부; 및

상기 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더해진 각 채널별 호핑 블록을 처리하여 각 안테나를 통해 전송하는 채널별 OFDM 심볼 처리부를 포함하는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
제2항에 있어서,

각각 복수의 안테나를 포함하는 복수의 안테나 그룹으로 이루어지며,

상기 각 채널별 복수의 직교코드 확산부로부터 출력된 상기 호핑 블록에 빔 형성 가중치를 곱하여 빔 형성을 수행하는 각 채널별 상기 안테나 그룹의 수에 해당하는 복수의 빔 형성부를 더 포함하는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
제3항에 있어서,

상기 채널별 OFDM 심볼 처리부 각각은 빔 형성된 각 채널별 상기 호핑 블록을 처리하는 상기 안테나 그룹의 수에 해당하는 복수의 OFDM 심볼 처리부를 포함하는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
제3항에 있어서,

상기 2진 직교 코드는 상기 안테나별로 다르며,

동일 위치의 안테나에 대한 서로 다른 데이터 심볼은 동일한 2진 직교 코드로 확산되는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 주파수 호핑 코드로 프라임 시퀀스 또는 상기 프라임 시퀀스의 순환 시프트로 생성되는 시퀀스를 사용하는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
제6항에 있어서,

상기 OFDM 심볼 처리부는 스크램블링 코드를 이용하여 상기 호핑 블록을 스크램블링하며, 상기 스크램블링 코드로 상기 인접 셀 간에 서로 다른 2진 확산 코드를 사용하는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
제7항에 있어서,

상기 2진 확산 코드로 월쉬/하다마드(Walsh/Hadamard) 코드를 사용하는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
제6항에 있어서,

하나의 안테나를 통해 송신되는 호핑 블록당 상기 파일롯 심볼의 개수는 1개인 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
제6항에 있어서,

상기 파일롯 다중화부는 상기 파일롯 심볼을 고정된 위치에 삽입하는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
제6항에 있어서,

상기 각각의 직교코드 확산부는,

상기 파일롯 다중화부로부터 출력된 호핑 블록 내의 상기 데이터 심볼과 상기 파일롯 심볼을 병렬로 변환하는 직/병렬 변환기;

상기 호핑 블록의 크기와 동일한 서로 다른 상기 2진 직교 코드를 이용하여 상기 병렬로 변환된 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 2차원 확산시키는 직교코드 발생기; 및

상기 2차원 확산된 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 모두 더하는 덧셈기를 포함하는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
제6항에 있어서,

상기 각각의 직교코드 확산부는,

상기 파일롯 다중화부로부터 출력된 호핑 블록 내의 상기 데이터 심볼과 상기 파일롯 심볼을 병렬로 변환하는 직/병렬 변환기;

상기 병렬로 변환된 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 역하다마드 변환시키는 역하다마드 변환기; 및

상기 역하다마드 변환된 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 다시 직렬로 변환하는 병/직렬 변환기를 포함하는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
제6항에 있어서,

상기 각각의 OFDM 심볼 처리부는,

상기 직교코드 확산부로부터 출력되는 주파수 영역의 심볼에 호핑 채널별 이득을 곱하는 제1 곱셈기;

상기 OFDM 심볼 구간에 한번씩 상기 호핑 채널별 이득이 곱해진 주파수 영역의 심볼을 출력하는 부반송파 심볼 매퍼;

각 호핑 채널의 호핑 블록 번호에 해당하는 호핑 블록 위치에 상기 OFDM 심볼 구간마다 출력되는 상기 주파수 영역의 심볼을 순차적으로 정렬한 후, OFDM 심볼 구간마다 출력하는 다중화기;

상기 다중화기로부터 출력된 상기 주파수 영역의 심볼을 직렬로 변환하는 병/직렬 변환기;

상기 직렬로 변환된 상기 주파수 영역의 심볼에 상기 셀 고유의 2진 스크램블링 코드를 곱하는 제2 곱셈기;

상기 스크램블링 코드가 곱해진 상기 주파수 영역의 심볼을 병렬로 변환하는 직/병렬 변환기;

상기 병렬로 변환된 상기 주파수 영역의 심볼을 역 푸리에 변환하는 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform); 및

상기 역 푸리에 변환된 상기 주파수 영역의 심볼에 CP(Cyclic Prefix)를 삽입하는 CP 삽입기를 포함하는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
제13항에 있어서,

상기 다중화기는 통화중인 채널이 최대가 아닐 경우, 복수의 부반송파 영역 중 현재 통화중인 채널에 의해 점유되지 않는 부분을 “0”으로 출력하는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
제13항에 있어서,

상기 각각의 OFDM 심볼 처리부는,

동일한 호핑 코드를 할당받은 수신 장치로부터 측정된 순방향링크의 전력 세기를 피드백으로 전달받아 상기 호핑 채널별 이득을 조절하는 채널 이득 조절기를 더 포함하는 OFDMA 시스템에서의 송신 장치.
OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서 데이터를 송신하는 방법에 있어서,

각 채널별 상기 데이터를 변조하는 단계;

주파수 호핑 코드를 사용하는 사용자 트래픽 채널이 점유하는 하나 이상의 부반송파와 하나 이상의 OFDM 심볼 구간으로 이루어진 호핑 블록에 상기 변조된 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 삽입하는 단계;

상기 데이터 심볼과 및 파일롯 심볼이 삽입된 호핑 블록을 서로 다른 2진 직교 코드를 이용하여 시간 및 주파수 영역에서 2차원 확산시키는 단계;

상기 2차원 확산된 호핑 블록을 상기 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더하는 단계; 및

상기 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더해진 호핑 블록내의 데이터 심볼 및 파일롯 심볼들을 처리하여 전송하는 단계를 포함하는 OFDMA 시스템에서의 송신 방법.
제16항에 있어서,

상기 호핑 코드로 프라임 시퀀스를 사용하며,

상기 스크램블링 코드로 인접 셀 간에 서로 다른 2진 확산 코드를 사용하는 OFDMA 시스템에서의 송신 방법.
제17항에 있어서,

상기 0번째 시퀀스를 제외한 프라임 시퀀스는 각각 하나의 호핑 코드 그룹을 형성하며, 인접 셀 간에서 서로 다른 호핑 코드 그룹을 사용하는 OFDMA 시스템에서의 송신 방법.
제18항에 있어서,

하나의 호핑 코드 그룹을 하나 이상의 채널이 동시에 점유하여 사용하는 OFDMA 시스템에서의 송신 방법.
제19항에 있어서,

상기 하나 이상의 채널이 하나의 호핑 코드 그룹을 점유하는 경우, 수신 장치에서는 한 호핑 블록 내에서 상기 2진 확산 코드로 채널을 구분하는 OFDMA 시스템에서의 송신 방법.
제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 채널은 순방향링크의 사용자 트래픽 채널 또는 순방향 공통 채널인 OFDMA 시스템에서의 송신 방법.
제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 호핑 블록의 심볼들을 처리하여 전송하는 단계는,

상기 부반송파 및 OFDM 심볼 구간별로 더해진 주파수 영역의 데이터 심볼과 파일롯 심볼을 포함하는 상기 각 채널별 호핑 블록을 다중화하는 단계;

상기 다중화된 주파수 영역의 데이터 심볼 및 파일롯 심볼을 스크램블링 코드로 스크램블링시킨 후, 역 푸리에 변환을 수행하는 단계; 및

상기 역 푸리에 변환된 시간 영역의 데이터 심볼 및 파일롯 심볼에 CP(Cyclic Prefix)를 삽입하여 안테나를 통해 전송하는 단계를 포함하는 OFDMA 시스템에서의 송신 방법.