KR100681925B1 - Multi-stage peak windowing method for papr reduction of ofdma downlink system and ofdma downlink system therefor - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 PAPR 감소 기법이 적용되는 OFDMA 다운링크 시스템의 구성도,1 is a configuration diagram of an OFDMA downlink system to which a PAPR reduction technique is applied;
도 2는 기존의 피크 윈도잉 기법을 설명하기 위한 도면,2 is a view for explaining a conventional peak windowing technique,
도 3a 및 도 3b는 기존의 피크 윈도잉 기법에 의한 과도한 신호 억제를 설명하기 위한 도면,3A and 3B are diagrams for explaining excessive signal suppression by a conventional peak windowing technique;
도 4는 본 발명의 PAPR 저감부에서의 다단계 피크 윈도잉 방법을 설명하기 위한 개념도,4 is a conceptual diagram illustrating a multi-stage peak windowing method in a PAPR reduction unit of the present invention;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PAPR 저감부의 구성도,5 is a block diagram of a PAPR reduction unit according to an embodiment of the present invention;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PAPR 저감부의 일 실시예의 동작을 순차적으로 표현한 흐름도,6 is a flowchart sequentially illustrating operations of an embodiment of the PAPR reduction unit according to an embodiment of the present invention;
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다단계 피크 윈도잉 방법의 BER 성능을 나타낸 그래프,7 to 9 is a graph showing the BER performance of the multi-stage peak windowing method of the present invention,
도 10 및 도 11은 본 발명의 다단계 피크 윈도잉 방법의 EVM 성능을 나타낸 그래프,10 and 11 are graphs showing the EVM performance of the multi-step peak windowing method of the present invention;
도 12는 본 발명의 다단계 피크 윈도잉 방법의 스펙트럼 성능을 나타낸 그래프이다.12 is a graph showing the spectral performance of the multi-step peak windowing method of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10 : 심볼 생성부 20 : 업 샘플링부10: symbol generation unit 20: upsampling unit
30 : 심볼 필터링부 40 : PAPR 저감부30: symbol filtering unit 40: PAPR reduction unit
41 : 임계치 조절 상수 저장부 42 : 임계치 제어부41: threshold adjustment constant storage 42: threshold control unit
43 : 피크 검출부 44 : 피크 윈도잉부43: peak detector 44: peak windowing section
50 : DA 변환부50: DA converter
본 발명은 OFDMA 다운링크 시스템의 PAPR 감소를 위한 다단계 피크 윈도잉 방법 및 이를 위한 OFDMA 다운링크 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 직교 주파수 분할 다중화 접속(OFDMA; Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) 다운링크 시스템에서 피크 대 평균 전력비(PAPR; Peak to Average Power Ratio)의 감소를 위해 적용되는 기존 피크 윈도잉 기법의 과도한 신호 왜곡을 방지하면서 우수한 비트 에러율 성능을 보이는 OFDMA 다운링크 시스템의 PAPR 감소를 위한 다단계 피크 윈도잉 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-stage peak windowing method for PAPR reduction of an OFDMA downlink system and an OFDMA downlink system for the same. More particularly, the present invention relates to a peak in an orthogonal frequency division multiplexing access (OFDMA) downlink system. Multistage peak windowing method for PAPR reduction of OFDMA downlink system with excellent bit error rate performance while avoiding excessive signal distortion of existing peak windowing technique applied to reduce peak to average power ratio (PAPR) It is about.
OFDMA 시스템에서는 다중 부반송파 신호가 동위상으로 중첩될 때 발생하는 높은 피크 대 평균 전력비를 갖는 신호에 의해 성능 열화가 발생하게 되며, 부반송 파들의 중첩 현상으로 인한 피크 대 평균 전력비(PAPR) 문제는 고속 데이터를 전송하는 OFDMA 시스템에서 RF 파워 증폭기 즉, 송신 고출력 증폭기(HPA; High Power Amplifier)의 효율을 감소시켜 신호의 비선형 왜곡을 유발하므로, 스펙트럼 특성을 왜곡시키며, 비트 에러율(BER; Bit Error Rate) 성능을 저하시키게 된다는 단점을 가지고 있다.In OFDMA systems, performance degradation is caused by signals with high peak-to-average power ratios that occur when multiple subcarrier signals overlap in phase, and the peak-to-average power ratio (PAPR) problem due to superposition of subcarriers is high. In an OFDMA system that transmits data, an RF power amplifier, that is, a transmission high power amplifier (HPA), reduces the efficiency and causes nonlinear distortion of a signal, thereby distorting spectral characteristics and causing a bit error rate (BER). It has the disadvantage of degrading performance.
이에 따라, PAPR을 감소시키기 위하여 여러가지 연구가 진행되었다.Accordingly, various studies have been conducted to reduce the PAPR.
도 1에 도시한 바와 같이 OFDMA 시스템의 송신측 즉, 다운링크 시스템은 사용자 데이터 이진 신호를 스크램블링 및 채널 부호화하고, QAM 변조 및 역고속푸리에변환한 후 보호 구간(CP)을 삽입하여 수신측으로 전송할 신호의 심볼을 생성하는 심볼 생성부(10), RF단의 구현 용이를 위하여 업 샘플링 및 제로 패드(Zero-Pad) 과정을 수행하는 업 샘플링부(20), 첨가된 제로(Zero)들에 대한 중간값들을 구하여 심볼을 필터링하는 심볼 필터링부(30) 및 DA 변환부(50)로 구성되며, PAPR 감소를 위한 기법이 적용되는 PAPR 저감부(40)가 심볼 필터링부(30)와 DA 변환부(50) 사이에 개재된다.As shown in FIG. 1, a transmitting side of the OFDMA system, that is, a downlink system, scrambles and channel codes a user data binary signal, performs a QAM modulation and an inverse fast Fourier transform, and then inserts a guard interval (CP) to transmit to a receiving side.
상기 PAPR 저감부(40)의 PAPR 저감 기법으로는 클리핑(Clipping) 기법과, 피크 윈도잉(Peak Windowing) 기법이 있으며, 클리핑 기법은 대역외 방사량을 심각하게 증가시키는 단점이 있으며, 이러한 단점을 해결하기 위해 제안된 피크 윈도잉 기법은 대역 외 방사량을 줄이면서 피크 대 평균 전력비의 감소 효과를 갖는다.The PAPR reduction technique of the
도 2에서와 같이, 상기 피크 윈도잉 기법은 입력 피크 신호 x(n)에서 임계치 Γ를 넘는 신호열 부분인 x(n)-Γ를 주어진 윈도우 함수를 이용하여 낮추어 줌으로 써 피크 대 평균 전력비를 감소시키며, 윈도우 함수를 사용하여 피크 신호를 낮추기 때문에 급격한 신호열 변화를 줄임으로써 대역 외 방사량의 증가를 최소화할 수 있다.As shown in FIG. 2, the peak windowing technique reduces the peak-to-average power ratio by lowering x (n) -Γ, which is the portion of the signal sequence above the threshold Γ in the input peak signal x (n), using a given window function. In addition, since the peak signal is lowered using the window function, the increase in the out-of-band radiation can be minimized by reducing the abrupt change in the signal sequence.
송신 신호의 진폭 임계치를 Γ라 할 때, 임계치를 넘는 신호 값들 중에서 피크 윈도잉 기법을 적용할 피크의 위치를 나타내는 집합은 다음과 같이 정의할 수 있다.When the amplitude threshold of the transmission signal is Γ, a set representing a position of a peak to which the peak windowing technique is applied among signal values exceeding the threshold may be defined as follows.
피크 윈도잉 기법을 적용할 경우, 위와 같은 피크의 위치를 찾기 위하여 추가적인 피크 검출 기법이 필요하게 된다.When the peak windowing technique is applied, an additional peak detection technique is needed to locate the peak.
피크 윈도잉 기법에 적용되는 윈도우 함수는 아래와 같이 표현할 수 있다.The window function applied to the peak windowing technique can be expressed as follows.
여기에서, s(n)은 시간 축 입력 신호열 x(n)에 곱해지는 스케일 함수를 의미하며, 이는 아래와 같이 표현될 수 있다.Here, s (n) means a scale function that is multiplied by the time axis input signal sequence x (n), which can be expressed as follows.
여기에서, 는 피크 인덱스 값을 의미하고, 는 피크에 적용할 윈도우의 스케일 값, 은 피크 윈도잉에 적용되는 윈도우 함수를 의미한다.From here, Means the peak index value, Is the scale value of the window to apply to the peak, Denotes a window function applied to peak windowing.
한편, 상기와 같은 기존의 피크 윈도잉 기법에서는 송신 신호의 진폭 임계치를 넘는 신호를 단 한번의 피크 윈도잉으로 제한하므로, 도 3a에서와 같이 특정 임계치를 넘는 피크가 매우 인접하여 발생하거나, 임계치를 넘는 피크 중 인접 신호의 진폭에 비해 상대적으로 매우 큰 피크가 존재할 경우, 피크 주변의 인접 신호를 과도하게 제한시킴으로써 성능 열화가 발생할 수 있다는 문제점을 가지고 있다.On the other hand, in the conventional peak windowing technique as described above, since the signal exceeding the amplitude threshold of the transmission signal is limited to only one peak windowing, as shown in FIG. If there is a peak that is relatively large compared to the amplitude of the adjacent signal among the peaks, there is a problem that performance degradation may occur by excessively limiting the adjacent signal around the peak.
즉, 도 3a에서와 같은 입력 신호의 경우, 도 3b에 나타낸 바와 같이 두 피크에 적용할 윈도우 스케일 값 이 중복 가산된 스케일 함수 의 적용으로 인하여 과도한 신호 억제가 발생하고, 이로 인한 신호 손실이 커지게 된다는 단점이 있다.That is, in the case of the input signal as shown in Figure 3a, as shown in Figure 3b, the window scale value to be applied to the two peaks This duplicate added scale function Due to the application of excessive signal suppression occurs, resulting in a large signal loss is disadvantageous.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 직교 주파수 분할 다중화 접속(OFDMA; Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) 다운링크 시스템에서 기존 피크 윈도잉 기법 적용시 연속적인 피크에 대한 윈도우 중첩으로 인한 과도한 신호 억제의 문제점을 해결하기 위하여 다단 임계치를 적용함으로써, 기존 피크 윈도잉 기법의 과도한 신호 왜곡을 방지하면서 우수한 비트 에러율 성능을 갖는 OFDMA 다운링크 시스템의 PAPR 감소를 위한 다단계 피크 윈도잉 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve the above-mentioned disadvantages and problems of the prior art, and is applied to continuous peaks when the conventional peak windowing technique is applied in an Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) downlink system. Multistage thresholds are applied to solve the problem of excessive signal suppression due to the overlapping of the windows. Thus, multi-stage peak window for PAPR reduction of OFDMA downlink system with excellent bit error rate performance while preventing excessive signal distortion of the conventional peak windowing technique It is an object of the present invention to provide a Ying method.
본 발명의 상기 목적은 송신 신호의 진폭 임계치(Γ)를 넘는 신호열 부분을 주어진 윈도우 함수를 이용하여 낮추어 주는 피크 윈도잉을 수행하여 송신 신호의 피크 대 평균 전력비(PAPR)를 감소시키기 위한 PAPR 저감부를 구비하는 직교 주파수 분할 다중화 접속(OFDMA; Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) 다운링크 시스템에 있어서, 상기 PAPR 저감부는 M 개의 임계치 조절 상수 αi를 원소로 하는 임계치 조절 상수 집합 {αi} 에 대한 정보를 저장하는 임계치 조절 상수 저장부와; 진폭 임계치(Γ) 정보를 저장하며, 피크 윈도잉을 수행할 신호열 에 대하여 상기 M 개의 αi를 순차적으로 적용한 피크 윈도잉이 이루어지도록, 상기 진폭 임계치(Γ)에 상기 임계치 조절 상수 저장부에 저장된 임계치 조절 상수 집합의 각 원소 αi를 곱한 값인 α1Γ 내지 αMΓ를 순차적으로 출력하는 임계치 제어부와; 피크 윈도잉을 수행할 신호열 및 상기 임계치 제어부로부터 출력되는 상기 임계치 αiΓ를 입력받아, 상기 신호열로부터 상기 임계치 αiΓ 이상의 진폭을 갖는 피크의 위치를 검출하며, 상기 신호열과, 상기 검출된 피크 위치 및 상기 αiΓ 정보를 출력하는 피크 검출부와; 상기 피크 검출부로부터 출력되는 정보에 따라, 상기 신호열의 상기 피크에 해당하는 부분의 신호열에 상기 임계치 αiΓ를 적용하여 피크 윈도잉을 수행하며, 피크 윈도잉 된 신호열을 다음 단계의 피크 윈도잉을 수행할 신호열로서 상기 피크 검출부로 피드백하는 피크 윈도잉부; 로 이루어지는 OFDMA 다운링크 시스템에 의해 달성된다.The object of the present invention is to reduce the peak to average power ratio (PAPR) of the transmission signal by performing a peak windowing to lower the portion of the signal sequence beyond the amplitude threshold (Γ) of the transmission signal using a given window function In an Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) downlink system, the PAPR reduction unit stores information on a set of threshold adjustment constants {αi} having M threshold adjustment constants α i as elements. A threshold adjustment constant storage unit; Stores the amplitude threshold value (Γ) information, and is stored in the threshold adjustment constant storage unit in the amplitude threshold value (Γ) so that the peak windowing by applying the M α i sequentially to the signal sequence to perform the peak windowing A threshold controller for sequentially outputting α 1 Γ to α M Γ which are values obtained by multiplying each element α i of the threshold adjustment constant set; Receives a signal sequence to perform peak windowing and the threshold α i Γ output from the threshold controller, detects a position of a peak having an amplitude greater than or equal to the threshold α i Γ from the signal sequence, and detects the signal sequence and the detected peak. A peak detector for outputting a position and the α i Γ information; According to the information output from the peak detector, the peak windowing is performed by applying the threshold α i Γ to the signal sequence of the portion corresponding to the peak of the signal sequence, and the peak windowing signal sequence is subjected to the peak windowing of the next step. A peak windowing part feeding back to the peak detector as a signal sequence to be performed; Is achieved by an OFDMA downlink system.
또한, 본 발명의 상기 목적은 송신 신호의 진폭 임계치(Γ)를 넘는 신호열 부분을 주어진 윈도우 함수를 이용하여 낮추어 주는 피크 윈도잉을 수행하여 송신 신호의 피크 대 평균 전력비(PAPR)를 감소시키기 위한 PAPR 저감부를 포함하고, 상기 PAPR 저감부는 M 개의 임계치 조절 상수 αi를 원소로 하는 임계치 조절 상수 집합 {αi} 에 대한 정보를 저장하는 임계치 조절 상수 저장부와, 진폭 임계치(Γ) 정보 및 상기 임계치 조절 상수를 이용하여 각 피크 윈도잉 단계에서 적용할 임계치를 제공하는 임계치 제어부와, 상기 임계치 제어부에서 제공하는 임계치를 적용하여 피크를 검출하는 피크 검출부 및 상기 검출된 피크 신호에 대하여 상기 임계치 제어부에서 제공하는 임계치를 적용하여 피크 윈도잉을 수행하는 피크 윈도잉부로 이루어지는 직교 주파수 분할 다중화 접속(OFDMA; Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) 다운링크 시스템에서, 상기 PAPR 저감부의 피크 윈도잉 방법으로서, 상기 임계치 제어부가, 피크 윈도잉 수행 단계 수인 M 값을 상기 임계치 조절 상수 저장부에 저장된 임계치 조절 상수 집합의 원소 개수로 초기화하고, 상기 임계치 조절 상수의 인덱스 값인 i값을 0으로 초기화하는 제1과정과; 피크 윈도잉을 수행할 신호열이 입력되면, 상기 피크 검출부가 상기 임계치 제어부로 임계치의 입력을 요청하는 제2과정과; 상기 임계치 제어부가 이전 i값에 1을 더한값을 인덱스 값으로 하는 αi를 상기 임계치 조절 상수 저장부로부터 추출하고, 추출한 αi를 진폭 임계치(Γ)에 곱한 αiΓ를 상기 피크 검출부로 입력하는 제3과정과; 상기 피크 검출부가 상기 피크 윈도잉을 수행할 신호열로부터 상기 입력된 임계치 αiΓ 이상의 진폭을 갖는 피크의 위치를 검출하며, 상기 신호열과, 상기 검출된 피크 위치 및 상기 αiΓ 정보를 상기 피크 윈도잉부로 입력하는 제4과정과; 상기 피크 윈도잉부가 상기 피크 윈도잉을 수행할 신호열 중 상기 피크에 해당하는 부분의 신호열에 상기 임계치 αiΓ를 적용하여 피크 윈도잉을 수행하고, 피크 윈도잉 된 신호열을 다음 단계의 피크 윈도잉을 수행할 신호열로서 상기 피크 검출부로 입력하고, 상기 제2단계로 궤환하는 제5과정; 으로 이루어져, M 단계의 피크 윈도잉을 통해 진폭 임계치를 넘는 신호열 부분 중 주변의 신호에 비해 상대적으로 큰 피크부터 순차적으로 억제하는 것을 특징으로 하는 OFDMA 다운링크 시스템의 PAPR 감소를 위한 다단계 피크 윈도잉 방법에 의해 달성된다.In addition, the above object of the present invention is to provide a PAPR for reducing the peak-to-average power ratio (PAPR) of the transmission signal by performing a peak windowing that lowers the portion of the signal sequence beyond the amplitude threshold (Γ) of the transmission signal using a given window function A reduction control unit, wherein the PAPR reduction unit includes a threshold adjustment constant storage unit for storing information on a set of threshold adjustment constants {αi} having M threshold adjustment constants α i as an element, amplitude threshold value Γ information, and the threshold adjustment; A threshold controller for providing a threshold to be applied in each peak windowing step using a constant, a peak detector for detecting a peak by applying a threshold provided by the threshold controller, and the threshold controller for the detected peak signal. Orthogonal frequency component consisting of a peak windowing section that applies a threshold to perform peak windowing In the orthogonal frequency division multiplexing access (OFDMA) downlink system, as a peak windowing method of the PAPR reduction unit, the threshold control unit adjusts a threshold value stored in the threshold control constant storage unit, an M value of the number of peak windowing steps. A first step of initializing the number of elements of the constant set and initializing i value, which is an index value of the threshold adjustment constant, to 0; A second process of requesting input of a threshold value to the threshold controller by the peak detector, when a signal string to perform peak windowing is input; The threshold value control unit extracts α i, which is an index value of 1 plus a previous i value, from the threshold adjustment constant storage unit, and inputs α i Γ multiplied by the extracted α i to an amplitude threshold value Γ to the peak detector. A third process of doing; The peak detector detects a position of a peak having an amplitude equal to or greater than the input threshold α i Γ from the signal sequence to perform the peak windowing, and extracts the signal sequence, the detected peak position, and the α i Γ information from the peak window. A fourth process of inputting into a recording part; The peak windowing unit performs peak windowing by applying the threshold α i Γ to a signal string corresponding to the peak among the signal strings to be subjected to the peak windowing, and performs the peak windowing signal string in a next step. A fifth step of inputting the signal to the peak detector as a signal sequence to be performed and feeding back to the second step; Multi-step peak windowing method for reducing the PAPR of the OFDMA downlink system, characterized in that by sequentially suppressing the peak from the relatively larger peak than the surrounding signal of the signal sequence portion over the M threshold through the peak windowing of the M stage Is achieved by.
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.Details of the above object and technical configuration of the present invention and the resulting effects thereof will be more clearly understood from the following detailed description based on the accompanying drawings.
먼저, 도 4는 본 발명의 PAPR 저감부에서의 다단계 피크 윈도잉 방법을 설명하기 위한 개념도이다.First, FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining a multi-step peak windowing method in a PAPR reduction unit of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명에서 피크 윈도잉을 수행하기 위한 PAPR 저감부(40)는 전송할 신호에 대하여 총 M 단계의 피크 윈도잉을 수행한 후 DA 변환부(50)로 입력한다. 도면에서, W는 윈도우의 길이를 나타내는 것으로, 임계치를 서로 달리하는 각 단계에서 윈도우 길이 W는 동일하게 적용된다.As shown, the
총 M 단계의 피크 윈도잉 수행 시, i번째 단계에서의 임계치는 αiΓ이며, αi는 임계치를 조절하기 위한 임계치 조절 상수로서, 다음 수학식 1의 조건들을 만족한다.In performing peak windowing of the total M stages, the threshold in the i th stage is α i Γ, and α i is a threshold adjustment constant for adjusting the threshold, and satisfies the conditions of
즉, 상기 수학식 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 다단계 피크 윈도잉 방법 은, 큰 임계치부터 작은 임계치 순으로 순차적으로 피크 윈도잉을 적용하며, 이로 인하여 주변의 신호에 비해 상대적으로 큰 피크가 우선적으로 억제되고, 이후 다시 피크 윈도잉이 적용되므로 윈도우 길이 이내에 연속적인 피크가 존재할 경우 중복하여 과도하게 억제되는 문제를 방지할 수 있다.That is, as can be seen in
예를 들어, 임계치를 다단계로 적용하기 위한 αi 세트가 {αi}={2.0, 1.5, 1.2, 1.0} 인 경우, 상기 PAPR 저감부(40)는 우선 2Γ인 임계치를 넘는 피크 신호들을 억제한 후, 다시 1.5Γ인 임계치를 적용하여 피크 신호들을 억제한다. 마찬가지로, 이후 1.2Γ 및 Γ를 순차적으로 적용하면, 결국 임계치 Γ를 넘어서는 피크 신호들이 필요 이상으로 과도하게 억제되지 않으면서 임계치 Γ 이상의 피크 신호들이 모두 억제되게 된다.For example, when the α i set for applying a threshold in multiple stages is {α i } = {2.0, 1.5, 1.2, 1.0}, the
다음, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PAPR 저감부의 구성도이다.Next, Figure 5 is a block diagram of a PAPR reduction unit according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명에서 송신 신호의 진폭 임계치(Γ)를 넘는 신호열 부분을 주어진 윈도우 함수를 이용하여 낮추어 주는 피크 윈도잉을 수행하여 송신 신호의 피크 대 평균 전력비(PAPR)를 감소시키기 위한 일 실시예의 PAPR 저감부(40)는 임계치 조절 상수 저장부(41), 임계치 제어부(42), 피크 검출부(43), 피크 윈도잉부(44)로 이루어진다.As shown, in the present invention, a method for reducing peak-to-average power ratio (PAPR) of a transmission signal by performing peak windowing that lowers a portion of a signal string exceeding an amplitude threshold value (Γ) of the transmission signal using a given window function. The
상기 임계치 조절 상수 저장부(41)는 상기 수학식 1의 조건을 만족하는 M 개의 임계치 조절 상수 αi를 원소로 하는 임계치 조절 상수 집합 {αi} 에 대한 정보 를 저장한다.The threshold adjustment
상기 임계치 제어부(42)는 최종 단계의 피크 윈도잉에서 적용되는 송신 신호의 진폭 임계치(Γ) 정보를 저장하며, 피크 윈도잉을 수행할 신호열 x(n)에 대하여 상기 M 개의 αi를 순차적으로 적용한 피크 윈도잉이 이루어지도록, 상기 진폭 임계치(Γ)를 상기 임계치 조절 상수 저장부(41)에 저장된 임계치 조절 상수 집합의 각 원소 αi와 곱한 값인 α1Γ 내지 αMΓ를 각 피크 윈도잉 단계에서 상기 피크 검출부(43)로 순차적으로 출력하는 역할을 담당한다.The
이때, 상기 임계치 제어부(42)는 상기 α1Γ 내지 αMΓ를 순차적으로 출력하기 위하여, 특정 입력 신호열 x(n)에 대한 피크 윈도잉의 수행 이전에 피크 윈도잉 수행 단계 수인 M 값을 상기 임계치 조절 상수 저장부(41)에 저장된 임계치 조절 상수 집합의 원소 개수로 초기화하고, 상기 임계치 조절 상수의 인덱스 값인 i값을 0으로 초기화한 후, 피크 윈도잉 단계의 수행 시작 시 이전 i값에 1을 더한값을 인덱스 값으로 하는 αi를 상기 임계치 조절 상수 저장부(41)로부터 추출하고, 추출한 αi를 진폭 임계치(Γ)에 곱한 αiΓ를 상기 피크 검출부(43)로 제공한다. At this time, the
다음, 상기 피크 검출부(43)는 i번째 피크 윈도잉을 수행할 신호열 xi-1(n) 및 상기 임계치 제어부(42)로부터 출력되는 상기 i번째 임계치 αiΓ를 입력받아, 상기 신호열 xi- 1(n)으로부터 상기 임계치 αiΓ 이상의 진폭을 갖는 피크의 위치를 검출하며, 상기 신호열 xi-1(n)과, 상기 검출된 피크 위치 및 상기 αiΓ 정보를 피크 윈도잉부(44)로 출력하는 역할을 담당한다.Next, the
상기 피크 검출부(43)는 첫번째 단계의 피크 윈도잉을 수행할 신호열 x(n)(x(n)=x0(n))을 심볼 필터링부(30)로부터 입력받아 동작을 시작하며, 피크 윈도잉부(44)로 x0(n)을 입력하여 이에 대한 피크 윈도잉 신호 x1(n)을 피드백받고, 다시 x1(n)을 입력하여 이에 대한 피크 윈도잉 신호 x2(n)을 피드백받는 방식으로 M 단계의 피크 윈도잉이 이루어지도록 하며, 최종 단계의 피크 윈도잉이 수행된 신호 xM(n)가 피크 윈도잉부(44)로부터 피드백되면, 이를 피크 윈도잉이 완료된 신호 xs(n)(xs(n)= xM(n))으로서 출력한다.The
한편, 상기 피크 검출부(43)는 상기 신호열 xi-1(n)을 이루는 복수의 신호 샘플들 중 진폭이 상기 임계치 αiΓ 이상이면서, 인접 신호 샘플들의 진폭 이상인 신호 샘플의 위치를 피크 위치로 검출하여야 하며, 송신 신호의 진폭 임계치를 Γ라 할 때, 임계치를 넘는 신호 값들 중에서 피크 윈도잉 기법을 적용할 피크의 위치를 나타내는 집합은 다음과 같이 정의할 수 있다.On the other hand, the
그리고, 상기 피크 검출부(43)는 상기 피크 윈도잉부(44)로부터 xi-1(n) 에 대해 피크 윈도잉된 신호 xi(n)이 피드백되면, 다시 상기 임계치 제어부(42)로 다음 단계의 임계치를 요청하며, 상기 임계치 제어부(42)로부터 다음 단계의 임계치를 입력받아 상기 피크 검출 과정을 반복한다. 그리고, 상기 피크 검출부(43)는 최종적으로 M 번째 단계의 피크 검출 및 그에 대한 피크 윈도잉의 수행이 완료되면, 피크 윈도잉된 신호 xs(n)(xs(n)= xM(n))을 DA 변환부(50)로 출력한다.In addition, when the
한편, 상기에서 상기 피크 검출부(43)는 특정 임계치 이상의 피크 신호가 검출되지 않는 경우, 다시 상기 임계치 제어부(42)로 다음 단계의 임계치를 요청하여야 할 것이다.On the other hand, when the
다음, 상기 피크 윈도잉부(44)는 상기 피크 검출부(43)로부터 출력되는 정보에 따라, 피크에 해당하는 신호열에 상기 임계치 αiΓ를 적용하여 피크 윈도잉을 수행하며, 피크 윈도잉 된 신호열을 다음 단계의 피크 윈도잉을 수행할 신호열로서 상기 피크 검출부(43)로 피드백한다.Next, the
상기 피크 윈도잉의 수행은, 상기 피크 윈도잉부(44)가 피크로 검출된 위치의 각 시간 축 입력 피크 신호열 x(n)에 피크 윈도잉을 위한 윈도우 함수 w(n)과, 피크에 적용할 윈도우의 스케일 값 c(n)을 곱한 총합을 1에서 감산한 스케일 함수 s(n)을 곱하여 피크 윈도잉 된 신호 x(n)*s(n)을 출력하는 동작을 의미한다. 여기 서 상기 윈도우의 스케일 값 c(n)은 상기 적용 임계치 Γ를 입력 신호 x(n)의 진폭으로 나눈 값을 1에서 감산한 값이다.The peak windowing may be performed by applying a window function w (n) for peak windowing to each time axis input peak signal string x (n) at a position where the
피크 윈도잉 기법에 적용되는 윈도우 함수는 아래와 같이 수식적으로 표현할 수 있다.The window function applied to the peak windowing technique can be expressed as follows.
여기에서, s(n)은 시간 축 입력 신호열 x(n)에 곱해지는 스케일 함수를 의미하며, 이는 아래 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.Here, s (n) means a scale function that is multiplied by the time axis input signal sequence x (n), which can be expressed as
상기 수학식 3에서, 는 피크 인덱스 값을 의미하고, 는 피크에 적용할 윈도우의 스케일 값, 은 피크 윈도잉에 적용되는 윈도우 함수를 의미한다.In
한편, 본 발명에서 피크 윈도잉 단계의 수 M는 상기 임계치 조절 상수 저장부(41)에 저장된 임계치 조절 상수 집합의 원소의 수와 동일하며, M 번째 피크 윈도잉이 수행된 신호는 DA 변환부(50)로 입력되어야 한다.Meanwhile, in the present invention, the number M of peak windowing steps is equal to the number of elements of a set of threshold adjustment constants stored in the threshold adjustment
이를 위하여, 상기 임계치 제어부(42)는 임계치 αiΓ를 제공하기 전에 i값과 M값을 비교하고, 두 값이 동일한 경우 그 정보를 피크 검출부(43)로 함께 전달할 수 있으며, 이 경우 피크 검출부(43)는 해당 단계의 피크 윈도잉을 수행하도록 한 후, 그 피크 윈도잉된 신호열이 피크 윈도잉부(44)로부터 입력되면 더 이상 임계치 제어부(42)로의 임계치 요청을 실시하지 않고 해당 신호열을 출력할 수 있다.To this end, the
또한, 다른 실시예로서는 임계치 제어부(42)가 임계치 αiΓ를 제공하기 전에 i값과 M값을 비교하고, i값이 M값보다 큰 경우, 피크 검출부(43)로 임계치 αiΓ를 제공하는 대신 신호의 출력을 지시할 수 있으며, 이 경우 상기 피크 검출부(43)는 더 이상의 피크 검출 과정을 진행하지 않고 이전 피크 윈도잉 단계의 수행 결과인 신호열을 출력하면 된다.In another embodiment, the
한편, 상기 도 5의 PAPR 저감부(40)의 구성은 일 실시예에 불과한 것으로, 상기 PAPR 저감부(40)는 도 5와 상이한 구성으로도 다단계의 피크 윈도잉을 수행할 수 있다.Meanwhile, the configuration of the
다음, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PAPR 저감부의 동작을 순차적으로 표현한 흐름도이다.Next, FIG. 6 is a flowchart sequentially illustrating operations of a PAPR reduction unit according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 다단계의 피크 윈도잉을 수행하기 위하여 본 발명의 PAPR 저감부(40)는 미리 저장된 임계치 조절 상수 집합 정보를 이용하여, 피크 윈도잉 단계 수 M 및 i를 초기화한다. 도면에서는 일 실시예로서 M이 4인 경우를 나타내었으며, 이에 따라 상기 PAPR 저감부(40)는 i를 0으로 초기화함과 동시에, M을 4로 초기화한다(S101).As shown, in order to perform the multi-step peak windowing, the
다음, 상기 PAPR 저감부(40)로 피크 윈도잉을 수행할 신호열이 입력되면, 상기 PAPR 저감부(40)는 피크 윈도잉의 수행을 위한 각 단계별 임계치를 순차적으로 적용하기 위하여 이전 i값에 1을 더하고(S102), 그 값이 4보다 큰지의 여부를 판단한다(S103). 만약 판단 결과, i 값이 4보다 큰 경우 총 4단계의 피크 윈도잉이 모두 수행된 것이므로, 피크 윈도잉 처리 신호 즉, 이전 신호열을 DA 변환부(50)로 출력하며(S106), 그렇지 않은 경우에는 상기 i값에 1을 더한 값을 인덱스 값으로 하는 αi를 진폭 임계치(Γ)에 곱한 αiΓ를 적용하여, 진폭이 αiΓ 이상인 피크 신호를 검출한다(S104).Next, when a signal sequence to perform peak windowing is input to the
진폭이 αiΓ 이상인 피크 신호가 검출되면, 상기 PAPR 저감부(40)는 각 피크 신호에 대하여 αiΓ를 임계치 값으로 적용하여 피크 윈도잉을 수행하고(S105), 다시 다음 단계의 피크 윈도잉을 수행하기 위하여 i 값에 1을 더하는 단계(S102)로 궤환한다.When a peak signal having an amplitude of α i Γ or more is detected, the
상기와 같은 과정에 의하여, 본 발명의 PAPR 저감부(40)는 임계치 조절 상수 집합의 원소의 수가 4개인 경우, 총 4단계의 피크 윈도잉을 수행하게 되며, 마지막 즉, 4번째 임계치 조절 상수는 1이므로 최종적으로 Γ를 임계치 값으로 적용하여 피크 윈도잉을 수행하고 그 피크 윈도잉된 신호를 출력함으로써, 송신 신호열의 진폭을 진폭 임계치 이하로 제한한 신호를 수신측으로 송신할 수 있도록 한다.By the above process, the
다음, 도 7 내지 도 11은 모의 실험 환경을 바탕으로, 기존의 피크 윈도잉 기법 및 클리핑 기법의 성능과 본 발명의 다단계 피크 윈도잉 방법의 성능을 비교한 것이다.Next, FIGS. 7 to 11 compare the performance of the conventional peak windowing technique and the clipping technique with the performance of the multi-step peak windowing method of the present invention based on the simulation environment.
모의 실험 환경은 OFDMA 방식의 와이브로 시스템 표준화 문서를 바탕으로 설정하였으며, 10MHz 대역폭을 가지는 와이브로 시스템에 대해 1024개의 부반송파 중 768개의 데이터 부반송파와 96개의 파일롯 부반송파를 설정하였고, 데이터 부반송파의 변조방식은 QPSK를 적용하였으며 파일롯 부반송파는 2.5dB 증폭된 BPSK를 적용하였다. 그리고, 보호구간은 유효심볼길이의 1/8로 설정하였고, 다단계 윈도잉은 총 4단계로 이루어지며, 사용되는 임계치 세트 {αi}는 {2.0, 1.5, 1.2, 1.0}이다.The simulation environment was set up based on the OFDMA standard WiBro system standardization document. For the WiBro system with 10MHz bandwidth, 768 data subcarriers and 96 pilot subcarriers among 1024 subcarriers were set, and the data subcarrier modulation method was QPSK. The pilot subcarrier applied 2.5dB amplified BPSK. The guard interval is set to 1/8 of the effective symbol length, and the multi-step windowing is made up of four stages, and the threshold set {α i } used is {2.0, 1.5, 1.2, 1.0}.
먼저, 도 7 내지 도 9은 BER 성능을 비교한 그래프로서, 도 7은 PAPR 임계치가 2dB인 경우를, 도 8은 4dB인 경우를 나타내며, 도 9는 SNR이 10dB이고 PAPR 임계치가 2dB, 4dB일 경우, 윈도우 길이에 따른 BER 성능을 나타내고 있다.First, Figures 7 to 9 are graphs comparing the BER performance, Figure 7 shows a case where the PAPR threshold is 2dB, Figure 8 shows a case of 4dB, Figure 9 is SNR is 10dB, PAPR threshold is 2dB, 4dB In this case, BER performance is shown according to the window length.
클리핑(Clipping) 기법의 경우 신호의 왜곡을 최소화하기 때문에, BER 성능은 가장 좋은 반면 대역 외 방사량은 매우 크다. 도 7 및 도 8의 그래프에서 살펴 볼 수 있듯이 본 발명에서 제안하는 다단계 피크 윈도잉(Multi-Stage Peak Windowing) 기법은 상대적으로 큰 피크에 의해 신호가 과다하게 억제되는 것을 완화시키기 때문에, 기존의 피크 윈도잉(Conventional Peak Windowing) 기법에 비해 BER 성능이 좋은 것을 확인할 수 있다.Because the clipping technique minimizes signal distortion, BER performance is best, while out-of-band radiation is very large. As can be seen in the graphs of FIGS. 7 and 8, the multi-stage peak windowing technique proposed in the present invention mitigates excessive suppression of the signal by a relatively large peak, and thus the conventional peak. We can see that the BER performance is better than the Conventional Peak Windowing technique.
또한, 도 9에서 살펴볼 수 있듯이, 윈도우 길이가 길어질수록 기존 피크 윈도잉 기법은 심각한 성능 열화를 발생시킨다. 그러나, 본 발명의 다단계 피크 윈도잉 기법은 윈도우 길이가 짧을 경우에는 피크가 중첩될 확률이 적기 때문에 기존 기법의 성능과 큰 차이가 없으나, 윈도우 길이가 길어질수록 BER 성능이 향상된다.In addition, as can be seen in Figure 9, as the window length is longer, the conventional peak windowing technique causes severe performance degradation. However, the multi-stage peak windowing technique of the present invention has a small probability of overlapping peaks when the window length is short, but there is no significant difference from the performance of the conventional technique. However, the longer the window length, the BER performance is improved.
다음, 도 10 및 도 11은 EVM 성능을 비교한 그래프이고, 도 12는 스펙트럼 성능을 나타낸 그래프이다.10 and 11 are graphs comparing the EVM performance, and FIG. 12 is a graph showing the spectral performance.
EVM(Error Vector Magnitude)은 이상적인 채널 환경을 가정하고 신호를 전송했을 때, 성상도 상에서 전송 신호와 수신 신호의 유클리디안 거리(Euclidean distance)로 정의된다. 따라서, EVM은 송/수신 시스템의 기본적인 성능 평가의 척도로 사용된다. 전송신호를 x(n)이라 하고, 수신신호를 y(n)이라 하면, EVM은 다음 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.Error Vector Magnitude (EVM) is defined as the Euclidean distance of transmitted and received signals on constellations when signals are transmitted assuming an ideal channel environment. Therefore, EVM is used as a measure of basic performance evaluation of a transmit / receive system. If the transmission signal is called x (n) and the reception signal is y (n), the EVM can be expressed as
도 10은 각 PAPR 감소 기법들의 임계치 증가에 따른 EVM 감소를 나타내고 있다. 도 10에서 확인할 수 있듯이, 클리핑 기법과 비교하여 볼 때 피크 윈도잉 기법은 EVM 성능 열화를 가져온다. 그러나, 도 12에서 확인할 수 있듯이 피크 윈도잉 기법의 경우 클리핑 기법과 비교할 때 스펙트럼 성능이 매우 우수하다.10 shows EVM reduction with increasing threshold of each PAPR reduction techniques. As can be seen in FIG. 10, the peak windowing technique results in degradation of EVM performance when compared to the clipping technique. However, as can be seen in FIG. 12, the peak windowing technique has excellent spectral performance compared to the clipping technique.
또한, 시간축의 입력 신호가 8dB 이상의 피크를 발생시킬 확률이 매우 작기 때문에, PAPR 임계치가 8dB 이상의 큰 값을 가지게 되면 두 기법의 EVM은 큰 차이를 보이지 않게 된다.In addition, since the probability that the input signal of the time base generates a peak of 8 dB or more is very small, if the PAPR threshold has a large value of 8 dB or more, the EVM of the two techniques does not show a big difference.
또한, 기존 피크 윈도잉 기법과 비교하여 본 발명의 다단계 피크 윈도잉 기법은 우수한 EVM 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, PAPR 임계치가 2 dB일 경우, 기존 피크 윈도잉 기법과 본 발명의 다단계 피크 윈도잉 기법은 윈도우 길이 W가 65일 경우, 0.15 EVM 이상 차이를 보이게 된다.In addition, it can be seen that the multi-stage peak windowing technique of the present invention shows excellent EVM performance compared to the conventional peak windowing technique. When the PAPR threshold is 2 dB, the conventional peak windowing technique and the multi-stage peak windowing technique of the present invention are shown. If the window length W is 65, the difference is more than 0.15 EVM.
도 11은 윈도우 길이의 증가에 따른 EVM 성능을 나타내고 있다. 도 11에서 확인할 수 있는 것과 같이, 윈도우 길이가 길어질수록 기존 피크 윈도잉 기법은 심각한 성능 열화를 발생시킨다. 반면, 본 발명의 다단계 피크 윈도잉 기법은 윈도우 길이가 짧을 경우엔 기존 기법의 성능과 큰 차이가 없긴 하나, 윈도우 길이가 길어질수록 성능이 향상된다. 11 shows EVM performance with increasing window length. As can be seen in FIG. 11, as the window length increases, the conventional peak windowing technique causes severe performance degradation. On the other hand, the multi-stage peak windowing technique of the present invention is not significantly different from the performance of the conventional technique when the window length is short, but the performance is improved as the window length is longer.
도 12는 PAPR 임계치를 2dB로 고정시키고, 클리핑 기법과 기존 피크 윈도잉 기법 및 본 발명에서 제안하는 다단계 피크 윈도잉 기법의 스펙트럼 성능을 나타내고 있다. BER 성능 및 EVM 성능 비교에서 살펴보았던 것과 같이, 클리핑 기법은 피 크 윈도잉 기법보다 BER 및 EVM 측면에서 우수한 성능을 갖고 있으나, 도 12에 나타낸 것과 같이 피크 윈도잉 기법은 클리핑 기법보다 월등히 우수한 스펙트럼 성능을 가짐을 확인할 수 있다.12 shows the spectral performance of the PAPR threshold fixed at 2dB and the clipping technique, the conventional peak windowing technique, and the multistage peak windowing technique proposed by the present invention. As we saw in the comparison of BER performance and EVM performance, the clipping technique has better performance in terms of BER and EVM than the peak windowing technique, but as shown in FIG. 12, the peak windowing technique has superior spectral performance than the clipping technique. It can be confirmed that has.
또한, 본 발명의 다단계 피크 윈도잉 기법은 윈도우 길이와 무관하게 항상 기존 피크 윈도잉 기법과 동일한 스펙트럼 성능을 나타낸다. In addition, the multi-step peak windowing technique of the present invention always exhibits the same spectral performance as the conventional peak windowing technique, regardless of the window length.
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.As those skilled in the art to which the present invention pertains may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features, the embodiments described above should be understood as illustrative and not restrictive in all aspects. Should be. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
따라서, 본 발명의 OFDMA 다운링크 시스템의 PAPR 감소를 위한 다단계 피크 윈도잉 방법에 의하면, 높은 PAPR을 유발하는 통신 시스템에서 특정 임계치를 넘는 피크가 매우 인접하여서 발생하거나 임계치를 넘는 피크 중에서 인접 신호의 진폭에 비해 상대적으로 매우 큰 피크가 존재할 경우, 효과적으로 PAPR을 저감할 수 있으며, 기존의 피크 윈도잉 기법에 비해 BER 및 EVM 측면에 있어서 더 좋은 성능을 나타낸다는 효과가 있다.Therefore, according to the multi-stage peak windowing method for reducing the PAPR of the OFDMA downlink system of the present invention, in a communication system inducing high PAPR, the peak of a signal exceeding a certain threshold is generated very close to or the amplitude of the adjacent signal among the peaks exceeding the threshold. Compared with the existing peak windowing technique, the PAPR can be effectively reduced when there is a relatively large peak, compared with the conventional peak windowing technique.
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KR101565386B1 (en) | 2008-12-01 | 2015-11-03 | 엘지전자 주식회사 | PAPR Reduction Method Using Specific PAPR Reduction Signals |
KR20160092381A (en) * | 2015-01-27 | 2016-08-04 | 한국전자통신연구원 | Method and Apparatus for Processing Transmission Signal for PAPR Reduction in Time Region |
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