KR100830495B1 - 도플러 천이 추정 방법 및 이를 이용한 데이터 전송 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 도플러 천이 추정 방법과 이를 이용한 데이터 전송 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 도플러 추정 방법은 도플러 추정 방법은 소정 슬롯 구간 동안의 평균 채널 변화율을 산출하는 단계; 상기 소정 슬롯 구간 동안의 수신 평균 전력을 산출하는 단계; 상기 소정 슬롯 구간 동안 상기 수신 평균 전력을 크로싱하는 횟수를 산출하는 단계; N 슬롯 시간에 대해 상기 크로싱 횟수의 비율을 산출하는 단계; 상기 채널 변화율 또는 상기 크로싱 횟수의 비율 중 어느 하나를 이용하여 도플러 천이 정도를 추정하는 단계를 포함하여 이루어진다.

도플러 천이, 평균 수신 전력, 크로싱 포인트, 게이팅,

Description

도플러 천이 추정 방법 및 이를 이용한 데이터 전송 방법{Method of estimating doppler shifting and transmitting data thereof}

도 1은 도플러 천이에 따른 채널의 수신 전력을 나타낸 그래프.

도 2는 본 발명에 따른 도플러 천이를 추정하기 위한 일 실시예에 따라 기울기 측정 절차를 도시한 도면.

도 3은 특정 도플러 천이에서의 슬롯 당 수신 전력과 평균수신 전력을 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 도플러 천이를 추정하기 위한 다른 실시 예에 따라 평균 수신 전력 크로싱 레이트 측정 절차를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 이용되는 크로싱 포인트 발생 과정을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명에 따라 상기 도 2 또는 도 4에 따라 구해진 도플러 천이를 이용한 데이터 전송의 일 예를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명에 따라 상기 도 2 또는 도 4에 따라 구해진 도플러 천이를 이용한 데이터 전송의 다른 예를 나타낸 도면.

본 발명은 이동 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 도플러 천이 추정 방법과 이를 이용한 데이터 전송 방법에 관한 것이다.

일반적으로 이동 중인 송신단이 전파를 수신단으로 송신하면, 수신단에 수신되는 전파의 주파수는 송신할 때의 주파수와 다른 값을 갖는다. 이것을 도플러(Doppler) 천이 현상이라고 일컫는다.

이때, 도플러 천이 정도를 결정하는 요소는 송신단이 사용하는 주파수와, 이동중인 수신단의 이동 속도 2가지이며, 이 사용하는 주파수와 이동 속도는 도플러 천이에 정비례한다. 즉, 주파수가 클수록, 이동 속도가 클수록 도플러 천이가 크게 나타난다.

그러나, 일반적인 이동통신 시스템에서 사용 주파수는 가변 되지 않으므로, 도플러 천이 정도는 단순히 수신단의 이동 속도에 따라 변화하게 된다.

도플러 천이는 송신 주파수와 수신 주파수에 차이가 생겼다는 말로도 해석할 수 있는데, 도플러 천이가 크다고 함은 송신 주파수와 수신 주파수의 차이가 크다는 것을 의미한다. 또한, 도플러 천이가 크다라는 것은, 사용하는 주파수가 불변인 상태에서 사용자의 속도가 빠르다는 것을 의미한다.

즉, 사용자의 속도가 빠르다고 함은 곧 채널 상황이 좋지 않음을, 즉 채널이 빠르게 변화하고 있음을 간접적으로 알려주는 지표가 되기도 한다.

직관적으로 빠르게 변화하는 채널 환경은 안정화되지 않은 상태이며, 안정화되지 않은 상태는 곧 수신되는 데이터에 대해 원하는 수준의 품질을 만족시키기가 어려워짐을 뜻한다. 왜냐하면, 어느 수준 이상의 채널 변화량에 대해서는 전력 제 어 기술로 원하는 수준의 품질을 보상하기가 힘들기 때문이다.

이를 해결하기 위한 방법으로, 수신되는 에너지를 증가 시켜주는 방법이나, 데이터 전송 시간을 늘려 인터리빙 효과를 얻는 방법 등을 생각할 수 있지만, 현재 시스템에서는 사용자의 이동 속도에 따른, 도플러의 천이 값에 따른 데이터 전송 방법을 사용하지 않고 있다.

또한 다음과 같은 현상도 생각해 볼 수 있다.

예를 들어, 도플러 천이 정도에 상관없이 수신단이 충분할 만큼의 에너지를 갖는 신호를 수신하고 있어서 데이터 수신에 아무런 문제가 없다고 가정하자. 또한, 현재 수신되고 있는 채널 상태를 송신단으로 알려주는 채널이 있다고 가정하자.

일반적으로 채널 상태를 보고하는 채널은 일정한 간격으로 채널 상태를 알려준다. 그러나, 도플러 천이를 측정하고, 그에 따라 채널 상태를 송신단으로 보고하게 되면, 채널의 전송 빈도가 일정할 필요가 없어진다. 채널이 빠르게 변화할 경우에는, 채널 상황을 보고하는 빈도가 높아야 하겠지만 채널이 천천히 변화하는 환경에 대해서는 보고하는 빈도가 높을 필요가 없는 것이다.

따라서, 도플러 천이 정도를 파악하게 되면 채널 상황이 빠르게 변화하는지 아니면 천천히 변화하는지를 알 수 있게 되므로, 수신단은 채널 변화 정도에 맞게 송신단으로의 채널 상태 보고 신호의 전송 빈도를 조절할 수 있게 된다.

이처럼, 수신단이 도플러 천이를 알아내고 그에 따라 채널 상황을 송신단으로 보고하게 되면 전송 전력의 낭비를 줄이면서도 보다 효율적인 데이터 전송이 가 능하게 된다.

그러나 현재의 시스템에는 위의 사항을 고려한 시스템이 구성되어 있지 않다.

따라서, 본 발명은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 도플러 천이를 측정하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 도플러 천이를 이용한 데이터의 송수신 방법을 제공하기 위한 것이다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 따르면, 도플러 추정 방법은 소정 슬롯 구간 동안의 평균 채널 변화율을 산출하는 단계; 상기 소정 슬롯 구간 동안의 수신 평균 전력을 산출하는 단계; 상기 소정 슬롯 구간 동안 상기 수신 평균 전력을 크로싱하는 횟수를 산출하는 단계; N 슬롯 시간에 대해 상기 크로싱 횟수의 비율을 산출하는 단계; 상기 채널 변화율 또는 상기 크로싱 횟수의 비율 중 어느 하나를 이용하여 도플러 천이 정도를 추정하는 단계를 포함하여 이루어진다.

바람직하게, 도플러 천이 정도를 추정하기 위한 기준 신호로써 파일럿 채널이 이용된다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따르면, 데이터 전송 방법은 소정 슬롯 구간 동안의 수신 평균 전력을 산출하는 단계; 상기 소정 슬롯 구간 동안 상기 수신 평균 전력을 크로싱하는 횟수를 산출하는 단계; N 슬롯 시간에 대해 상기 크로싱 횟수의 비율을 산출하는 단계; 상기 채널 변화율 또는 상기 크로싱 횟수의 비율 중 어느 하나를 이용하여 도플러 천이 정도를 추정하는 단계; 상기 추정된 도플러 천이 정도에 따라 데이터 전송률을 변화시키는 단계를 포함하여 이루진다.

바람직하게는, 상기 추정된 도플러 천이 정도에 따라 데이터 전송률을 변화시키는 단계는 상기 추정된 도플러 천이 정도에 따라 소정의 데이터 전송률을 할당하는 단계이다.

바람직하게, 상기 데이터 전송률의 변화는 이 데이터가 전송될 슬롯의 길이를 고정하고, 데이터 양을 조절시킨다.

바람직하게, 상기 데이터 전송률의 변화는 이 데이터의 양을 고정시키고, 슬롯의 길이를 조절한다.

바람직하게, 상기 추정된 도플러 천이 정도에 따라 소정의 슬롯의 길이를 할당한다.

바람직하게, 상기 추정된 도플러 천이 정도에 따라 게이팅을 이용하여 소정의 데이터 전송율을 할당하여 데이터 전송율을 변화시킨다.
바람직하게, 상기 추정된 도플러 천이 정도에 따라 소정의 전송 슬롯의 주기를 할당하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.

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이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 도플러 천이에 따른 채널의 수신 전력을 나타낸 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 도플러 천이 값이 작을수록 수신 전력의 변화가 적은 반면 도플러 천이 값이 커질수록 채널 상황이 빠르게 변화함을 볼 수 있다.

이와 같이 채널 상황의 변화 정도에 따라 도플러 천이 정도가 달라지므로, 이를 보다 계량적으로, 통계적으로 정확히 측정하기 위해 다음의 2가지 방법들을 제안한다. 이 방법들에서 기본적으로 파일럿 채널의 수신 전력을 이용되는데, 이 파일럿 채널은 전송 전력이 변하지 않는다는 것을 가정한다.

제1 실시예

도 2는 본 발명에 따른 도플러 천이를 추정하기 위한 일 실시예에 따라 기울기 측정 절차를 도시한 도면이다.

도 1에서, 도플러 천이 정도가 클수록 채널의 변화가 크게 나타나는데, 이 채널의 변화는 곧 일정 구간을 연결하는 기울기의 급격함으로 나타난다.

실제로 각 도플러 천이 정도에 대해 일정한 구간의 기울기를 조사하면 도플러 천이 정도에 따라 평균적으로 일정한 기울기 값이 존재한다.

일반적으로 도플러 천이가 클수록 기울기도 큰 값을 갖는다. 이것을 이용하면 어떤 일정한 간격마다 수신되는 전력의 기울기 정도를 구함으로서 도플러 천이 값을 역으로 추정할 수 있게 된다.

이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 매 슬롯 단위로 수신되는 파일럿 채널의 수신 전력을 측정한다. 이 때, i번째 슬롯 상에서 수신된 신호의 전력을 Pi라고 하고, i-1번째 슬롯 상에서 수신된 신호의 전력을 Pi-1이라 한다면, 수신되고 있는 파일럿 채널의 수신 전력 변화에 대한 기울기는 다음 수학식 1과 같다.

상기 수학식 1에 의해 구해진 기울기 Ki를 N 슬롯동안 평균을 산출한다. 이 산출된 값 Si는 다음 수학식 2와 같다.

이와 같이 구해진 기울기들의 평균 값 Si를 필드 테스트나 시뮬레이션을 통해 미리 구해진 도플러 천이에 대응되는 기울기 평균값 테이블과 비교하면, 실제 측정된 도플러 천이 값을 구할 수 있게 된다.

제2 실시예

도 3은 특정 도플러 천이에서의 슬롯 당 수신 전력과 평균수신 전력을 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따른 도플러 천이를 추정하기 위한 다른 실시 예에 따라 평균 수신 전력 크로싱 레이트 측정 절차를 나타낸 도면이다.

상기 도 2의 기울기 측정을 통한 방법과 달리 상기 도 4에서의 방법은 N 슬롯동안의 수신 평균전력을 구하고, 그 평균전력을 얼마나 자주 크로싱(crossing)하는가를 측정하는 방법이다.

도 3은 도플러 천이가 55.55Hz인 경우, 슬롯 당 수신 전력과 평균수신 전력을 나타낸 것으로, 슬롯당 수신전력이 평균 수신전력을 크로싱하는 점들이 있는데, 이 크로싱 포인트의 빈도는 도플러 천이가 커지면 커질수록 그에 비례해 증가는 경향을 나타낸다.

따라서, N 슬롯동안 평균 수신 전력을 크로싱하는 슬롯 당 수신전력에 해당하는 점들의 개수를 구한 후, 전체 N 슬롯 시간에 대해 비율을 구하게 되면, 미리 구해놓은 크로싱 비율에 대응되는 도플러 천이 값과 비교하여 현재의 도플러 천이 정도를 구할 수 있게 된다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, i번째 슬롯 상에서의 파일럿 수신 전력을 Pi라 하자. 이 때 i번째 슬롯을 포함한 이전의 N슬롯 동안의 파일럿 신호의 평균 수신 전력 Ei는 다음 수학식 3과 같이 정의할 수 있다.

만약 i-1번째 슬롯 상에서 수신 전력 Pi-1가 평균 수신전력 E_i-1보다 크게 나타났다고 생각해보자. 그런데 i번째 슬롯의 수신전력 Pi가 i번째까지의 평균수신전력 Ei보다 작게 나타났다면 크로싱이 일어났다고 말하게 된다. 반대로, P_i-1 < E_i-1 이면서, P_i > E_i인 경우도 크로싱이 발생하는 것이다. 이를 도 5에 도시하였다.

이 때 i슬롯을 포함한 전체 N슬롯들 상에서 상기와 같이 크로싱이 일어나는 횟수를 C_i라 하면 크로싱 레이트(crossing rate) R_i는 다음 수학식 4와 같이 표현된다.

상기 수학식 4에 의해 구해진 Ri 값을 필드 테스트나 시뮬레이션을 통해 미리 테이블화한 크로싱 레이트 대 도플러 천이 값과 비교하여 현재의 도플러 천이 값을 구하게 된다.

본 발명에서는 도플러 천이 값이 낮게 측정이 되면 데이터 전송률을 증가시키고, 반대로 도플러 천이 값이 높게 측정이 되면, 데이터 전송률을 감소시키는 방법을 제안한다. 이를 도 6에 도시하였다.

도 6은 본 발명에 따라 상기 도 2 또는 도 4에 따라 구해진 도플러 천이를 이용한 데이터 전송의 일 예를 나타낸 도면이다.

도플러 천이 값이 작게 측정되는 것은, 전술한 바와 같이, 채널이 매우 안정되어 있는 상황을 지시한다. 이는 적절한 전력 제어방법을 적용한다면 원하는 수준의 품질을 만족시키는 통신이 가능하다는 것이다.

따라서, 도플러 천이 값이 낮게 추정될 경우, 송신단이 데이터 전송률을 높여서 전송하여도 데이터 수신에는 큰 무리가 따르지 않는다.

반면, 도플러 천이 값이 높게 추정될 경우, 채널 상황이 매우 빨리 변화하며 이로 인해 적정 수준의 통신 품질을 보장할 수 없게 된다.

따라서 이 경우에는 송신단이 데이터 전송률을 감소시킨다. 이 때, 동일한 에너지에 대해 데이터 전송률을 감소시키게 되면 송신에너지를 증가시키는 효과를 거두게 됨으로 수신단은 향상된 통신 품질을 얻을 수 있게 된다.

데이터 전송률을 조절하는 방법들 중 하나는 전송할 슬롯의 길이를 고정시키고 데이터의 양을 줄이는 방법과, 다른 하나는 데이터 양을 고정시키고 보내고자 하는 슬롯의 길이를 조절하는 방법이 있다.

일 예로서 도플러 천이 정도에 대해 크게 네 단계로 구분하는 경우를 생각해 보자.

1단계가 도플러 천이 정도가 가장 낮은 단계이고, 4단계가 도플러 천이 정도가 큰 단계이다.

도 6에서처럼, 1단계가 측정이 되면 1슬롯, 2단계 2슬롯, 3단계 4슬롯, 4단계 8슬롯을 할당하여 데이터를 전송하는 채널이 있다고 가정하자. 본 발명에서는 이와 같이 측정된 도플러 천이 정도를 각 시스템상의 환경에 따라 구별하여 그 구별된 도플러 천이 정도에 맞는 처리를 한다. 즉, 도플러 천이 정도를 소정의 단계로 나누어서 그 소정의 단계에 따른 소정의 처리를 함을 의미한다.

이 경우 전송될 데이터의 크기가 동일하고, 전송 전력 또한 동일하다면 수신단이 수신하게 되는 에너지는 1슬롯에 비해 2슬롯은 2배, 4슬롯은 4배, 8슬롯은 8배의 수신 에너지의 증가가 이뤄지게 된다.

또한, 슬롯의 길이가 증가할수록 인터리빙 효과도 더 크게 얻을 수 있게 되므로 슬롯의 길이가 증가함에 따라 수신 성공확률은 증가하게 된다. 이것은 도플러에 측정에 따라 수신환경이 좋을 경우에는 데이터 전송률을 증가 시켜 처리량(throughput)을 증가시킨다.

그러나, 수신환경이 좋지 않을 경우에는 수신할 수 있는 에너지의 양을 증가 시켜 수신 성공 확률을 증가시키는 효과를 가져온다. 이 때 사용하는 슬롯 길이에 따른 코딩 방식, 인터리빙 방식, 변조 방식, 전송 전력 등과 같은 송신단과 수신단 의 구조는 채널 상태와 사용하는 시스템에 따라 변화시켜서 최적화 시킬 수 있다.

한편, 보내고자 하는 데이터 양이 많지 않은 채널이나 또는 전송 전력에 충분한 여유가 있어서 도플러 천이가 크게 나타나는 채널 환경임에도 불구하고, 수신 에러가 원하는 수준으로 발생할 경우에 대해서는 게이팅(gating)을 이용하는 방법을 제안한다. 이를 도 7에 도시하였다.

도 7은 본 발명에 따라 상기 도 2 또는 도 4에 따라 구해진 도플러 천이를 이용한 데이터 전송의 다른 예를 나타낸 도면이다.

이 방법은 도플러 천이 정도가 작을 경우에는 게이팅 레이트를 낮추고 반대로 도플러 천이 정도가 클 경우에는 게이팅 레이트를 높여주는 것이 기본 개념이다.

도 7에서 도플러 천이 정도에 따라 4단계로 구분하는 경우를 예를 들어보자.

1단계가 도플러 천이 정도가 가장 낮은 단계이고, 4단계가 도플러 천이 정도가 큰 단계이다. 1단계에서는 1/8 게이팅을, 2단계에서는 1/4 게이팅을, 3단계에서는 1/2 게이팅을, 마지막 4단계에서는 1/1 게이팅을 사용하는 하나의 예를 생각해볼 수 있다.

즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 1단계에 대해서는 8슬롯 중에 1슬롯만을 전송하고, 2단계는 4슬롯 중 1슬롯, 3단계는 2슬롯 중 1슬롯을, 그리고 4단계에서는 매 슬롯마다 데이터를 전송한다.

이와 같은 방법은 전송할 데이터의 양이 많지 않아서 전송할 수 있는 전력의 여력이 많은 경우와 같이, 전송할 수 있는 전력의 여력이 충분할 때 유용하게 쓰일 수 있는 방법이다.

여기에 더해 정기적으로 채널의 상태를 보고하는 채널에 적합하다.

즉, 채널의 변화가 많이 발생할 때는 높은 게이팅 레이트(예를 들어 1/1)를 적용하여 데이터를 전송하고 채널의 변화가 크지 않을 경우에는 낮은 게이팅 레이트(예를 들어 1/8)를 적용하여 데이터를 전송하는 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 다음과 같은 효과들을 갖는다.

첫째, 수신 파일럿 신호를 이용하여 도플러 천이 정도를 측정하는 방법을 사용하게 되면 추가적인 장비의 도입 없이 정확한 도플러 천이 값을 파악할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 상기에서 파악한 도플러 천이 정도에 따라 상기에서 제시한 알고리즘을 적용하면, 채널이 안정화된 상태에서는 높은 데이터 전송률로 데이터를 보낼 수 있고, 채널이 안정화되지 않은 상황에서는 안정적이고 성공적인 데이터 수신이 가능하게 되어 전체 처리량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

셋째, 게이팅 방법을 통해 전송 전력의 낭비를 막을 수 있는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (9)

1. 소정 슬롯 구간 동안의 평균 채널 변화율을 산출하는 단계;

   상기 소정 슬롯 구간 동안의 수신 평균 전력을 산출하는 단계;

   상기 소정 슬롯 구간 동안 상기 수신 평균 전력을 크로싱하는 횟수를 산출하는 단계;

   N 슬롯 시간에 대해 상기 크로싱 횟수의 비율을 산출하는 단계;

   상기 채널 변화율 또는 상기 크로싱 횟수의 비율 중 어느 하나를 이용하여 도플러 천이 정도를 추정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 도플러 추정 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 도플러 천이 정도를 추정하기 위한 기준 신호로써 파일럿 채널이 이용되는 것을 특징으로 하는 도플러 추정 방법.
3. 상기 소정 슬롯 구간 동안의 수신 평균 전력을 산출하는 단계;

   상기 소정 슬롯 구간 동안 상기 수신 평균 전력을 크로싱하는 횟수를 산출하는 단계;

   N 슬롯 시간에 대해 상기 크로싱 횟수의 비율을 산출하는 단계;

   상기 채널 변화율 또는 상기 크로싱 횟수의 비율 중 어느 하나를 이용하여 도플러 천이 정도를 추정하는 단계;

   상기 추정된 도플러 천이 정도에 따라 데이터 전송률을 변화시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 추정된 도플러 천이 정도에 따라 데이터 전송률을 변화시키는 단계는 상기 추정된 도플러 천이 정도에 따라 소정의 데이터 전송률을 할당하는 단계인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 데이터 전송률의 변화는 이 데이터가 전송될 슬롯의 길이를 고정하고, 데이터 양을 조절시키는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 데이터 전송률의 변화는 이 데이터의 양을 고정시키고, 슬롯의 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 추정된 도플러 천이 정도에 따라 소정의 슬롯의 길이를 할당하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
8. 제 3 항에 있어서, 상기 추정된 도플러 천이 정도에 따라 게이팅을 이용하여 소정의 데이터 전송율을 할당하여 데이터 전송율을 변화시키는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 추정된 도플러 천이 정도에 따라 소정의 전송 슬롯의 주기를 할당하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.

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