KR100882435B1 - Ｉｒ―ｕｗｂ 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 심볼 타이밍 추정 방법에 관한 것으로서, 특히 수신신호의 프리앰블과 기준신호의 프리앰블을 상관화하여 임펄스 정보를 산출하고, 수신된 데이터 심볼을 추정하여 데이터 복조를 위한 심볼 타이밍을 추정할 수 있는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법을 제공하기 위한 것이다.

그 기술적 구성은 IR - UWB 시스템의 송신장치는 전송할 데이터를 다수개의 코드로 구획하고, 상기 다수개의 코드 중 한 코드를 다수개의 칩으로 분할하여 변조된 데이터 심볼을 형성하는 제1 단계; 상기 데이터 심볼의 동기 및 채널 추정을 위한 프리앰블을 삽입하여 프레임을 형성하고, 상기 프레임이 채널을 통하여 수신장치로 무선 송신되는 제2 단계; 상기 수신장치는 상기 채널을 통하여 수신된 프레임에 포함된 프리앰블과, 상기 수신장치에 기 저장된 프리앰블을 상관연산하여 상기 채널을 경유한 프리앰블의 응답인 임펄스를 형성하는 제3 단계; 상기 임펄스를 상기 칩의 주기만큼 순차적으로 시간지연시키되, 상기 다수개의 칩으로 분할된 상기 코드의 주기까지 시간지연시켜 합산하고, 상기 채널을 통하여 수신된 데이터 심볼을 추정하는 제4 단계; 상기 추정된 데이터 심볼을 각각의 심볼 타이밍마다 비교하고, 그 중 데이터 심볼이 최대인 심볼 타이밍을 이용하여 수신된 데이터 심볼을 복조하는 제5 단계; 를 포함한다.

UWB, 상관화, 프리앰블, IR, WPAN, 다중경로, NLOS, 심볼 타이밍

Description

ＩＲ―ＵＷＢ 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법{Method for Symbol Timing Estimation Based on ＩＲ―ＵＷＢ Systems}

본 발명은 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법에 관한 것으로, 수신부에서 입력받은 수신신호의 프리앰블로 얻은 채널 정보를 이용하여 심볼 타이밍을 추정하는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, UWB(Ultra Wide Band)는 단거리 구간에서 낮은 전력으로 넓은 스펙트럼 주파수를 통하여, 많은 양의 디지털 데이터를 전송하기 위한 무선 기술로서, GHz 대의 주파수를 사용하면서도 초당 수천 내지 수백만의 저출력 펄스로 이루어진다.

그리고, UWB 시스템은 중심 주파수가 20% 이상 또는 500MHz 이상의 대역폭을 이용하는 무선전송기술을 이용하는데, 넓은 대역폭으로 인하여 전력 스펙트럼의 밀도는 일반적인 협대역 통신의 스펙트럼 밀도보다 낮기 때문에 다른 무선통신시스템과의 스펙트럼 공유가 가능하다.

또한, UWB 시스템은 넓은 대역폭을 사용하기 때문에, 실내와 같이 벽 또는 다수개의 물체가 전파를 방해하는 등의 다중경로 페이딩(Multipath Fading) 요소가 존재하더라도, 저전력으로 대용량의 데이터를 전송할 수 있어 홈 네트워킹에 이용될 수 있고, 사무실이나 가정에서 10m 내외의 거리에 위치한 개인용 컴퓨터와, 주변 기기 및 가전 제품 등을 초고속 무선망으로 연결하는 근거리 통신망(PAN: Personal Area Network)에 적합하다.

특히, UWB 시스템 중 IEEE 802.15.4의 IR - UWB(Impulse Radio - UWB) 시스템은 하나의 펄스에 데이터를 실어 전송하는 것이 아니라, 다수개의 임펄스로 나누어 데이터를 실어 전송하기 때문에 데이터 전송률은 다소 낮아지더라도, 채널에 대한 강인성이 증가한다.

그리고, IR - UWB 시스템은 송, 수신 기기 간에 동기를 획득하기 위하여, 데이터 심볼 앞부분에 프리앰블을 붙여 프레임으로 전송하는데, 프리앰블은 송, 수신 기기 간에 약속된 신호이며, 프레임의 시작점을 찾아 빠르게 동기될 수 있도록 구비되고, 송신단에서 프리앰블을 앞단에 붙여 전송하면, 수신단에서는 수신된 프리앰블을 이용하여 채널의 시간 지연 및 잡음 등의 영향을 고려하여 데이터를 읽는 시점인 심볼 타이밍을 추정하게 되고, 이를 통하여 송신단에서 송신한 신호를 오류가 최소화되도록 읽는 복조가 시작된다.

여기서, 수신단에서 심볼 타이밍을 추정하는 동기를 실시할 경우, 신속하고 정확한 심볼 타이밍 추정은 수신단 측의 데이터 복조 성능을 향상시키기 때문에, 심볼 타이밍의 오차 범위는 작을수록, 추정 속도가 빠를수록 데이터 복조 성능이 향상되므로, 심볼 타이밍의 오차 범위의 정확성 및 속도는 필수적으로 요구된다.

더불어, IEEE 802.15.4a는 거리에 관한 정보뿐만 아니라, UWB 기술을 이용하 여 수 센티미터 단위의 정확도를 가지는 위치 정보를 제공하기 때문에, 거리 및 위치 추적을 위하여 시간 지연 및 잡음 등의 채널 영향을 제거하고, 높은 정확도를 가지고 신호를 복조하기 위해서는 심볼 타이밍의 정확한 검출이 요구된다.

따라서, 수신단에서 심볼 타이밍을 추정하기 위하여, 수신 신호와 기준 신호를 상관화 연산하고, 그 결과로 피크치를 가지는 시간에 따라 심볼 타이밍을 설정하며, 이에 따라 수신 신호의 시간 지연 등의 채널 영향을 제거하도록 데이터를 복조하였다.

그러나, 산업 현장과 같이 전파를 반사시키는 금속 물질이 많은 장소 등과 같이, 채널의 상태가 좋지 않은 곳에서는 상기 피크치로 심볼 타이밍을 설정하는 경우 채널 영향을 정확히 반영하지 못하는 경우가 많고, 이에 따라 정확한 심볼 타이밍을 설정하지 못하였으며, 데이터 복조 시점의 오류로 원본 데이터의 에너지가 손실되어 전송 효율이 낮아졌고, 위치 기반 서비스를 제공하는 UWB 시스템과 같은 경우에는 정확한 위치를 제공할 수 없는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 시간 지연 및 잡음 등의 채널 상태가 반영된 수신신호의 프리앰블과 기준신호의 프리앰블을 상관연산하여 산출되는 임펄스 응답으로 수신신호의 데이터 심볼을 추정할 수 있는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 임펄스 응답으로 추정된 데이터 심볼로 채널 상태가 반영된 데이터 심볼을 복조하는 시점인 심볼 타이밍을 정확하게 추정할 수 있는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 다중경로와 같이 전파를 방해하는 요소가 많은 채널 환경을 반영할 수 있어 데이터 통신 및 시스템의 성능 향상을 목적으로 한다.

본 발명은 NLOS의 채널환경에서도 심볼 타이밍을 정확하게 추정하기 위하여, 수신신호의 프리앰블과 기준신호의 프리앰블을 상관연산하고, 이에 따른 임펄스를 합한 것이 IR - UWB 의 데이터 송신 방법인 것을 이용하여 임펄스를 각각 지연시켜 합산한 값을 통하여 송신장치에서 송신된 데이터 심볼의 채널 영향을 추정할 수 있고, 이를 바탕으로 데이터 복조를 위한 심볼 타이밍을 추정한다.

이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 다중경로 또는 다중경로 페이딩이 발생하여 채널에 잡음 및 시간 지연이 발생하는 상황에서도 심볼 데이터를 정확히 추정할 수 있고, 이에 따른 시스템의 효율 저하를 막을 수 있으며, 효율적인 데이터 전송이 이루어질 수 있으며, 채널 상태를 반영한 Sync 심볼을 이용하여 데이터 심볼의 심볼 타이밍을 추정함으로써, 데이터 전송율을 증가시킬 수 있고, 위치 추적 및 위치 기반 서비스를 이용하는 UWB에 정확도를 높여줄 수 있는 등의 효과를 거둘 수 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 IR - UWB 시스템의 송신장치는 전송할 데이터를 다수개의 코드로 구획하고, 상기 다수개의 코드 중 한 코드를 다수개의 칩으로 분할하여 변조된 데이터 심볼을 형성하는 제1 단계; 상기 데이터 심볼의 동기 및 채널 추정을 위한 프리앰블을 삽입하여 프레임을 형성하고, 상기 프레임이 채널을 통하여 수신장치로 무선 송신되는 제2 단계; 상기 수신장치는 상기 채널을 통하여 수신된 프레임에 포함된 프리앰블과, 상기 수신장치에 기 저장된 프리앰블을 상관연산하여 상기 채널을 경유한 프리앰블의 응답인 임펄스를 형성하는 제3 단계; 상기 임펄스를 상기 칩의 주기만큼 순차적으로 시간지연시키되, 상기 다수개의 칩으로 분할된 상기 코드의 주기까지 시간지연시켜 합산하고, 상기 채널을 통하여 수신된 데이터 심볼을 추정하는 제4 단계; 상기 추정된 데이터 심볼을 각각의 심볼 타이밍마다 비교하고, 그 중 데이터 심볼이 최대인 심볼 타이 밍을 이용하여 수신된 데이터 심볼을 복조하는 제5 단계; 를 포함한다.

그리고, 상기 제1 단계의 데이터는 8 개의 코드로 구획되고, 상기 8 개의 코드 중 1 개의 코드는 64 개의 칩으로 분할되어 1 개의 데이터 심볼로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 단계 및 상기 제5 단계의 변조 및 복조는 PPM 또는 PPM+BPSK 를 이용하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제2 단계의 데이터 심볼은 분할된 상기 칩의 수만큼 분할되어 임펄스로 전송되는 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 제2 단계의 동기 및 채널 추정을 위한 프리앰블은 각 심볼 당 자기상관성을 가지는 다수개의 코드가 삽입되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 자기상관성을 가지는 다수개의 코드는 -1, 0, 1 중 어느 하나를 가지는 Ternary 코드인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 각 심볼 당 삽입되는 코드의 수는 32 개인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1 단계는 랜덤하게 생성된 비트열이 외부 코드 및 내부 코드

RS 코드 및 컨볼루션으로 채널 코딩되는 과정; 을 더 포함하여, 상기 채널 코딩된 비트열을 이용하여 데이터 심볼을 형성하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 외부 코드는 IEEE 802. 15. 4a의 RS 코드이고, 상기 내부 코드는 IEEE 802. 15. 4a의 컨볼루션인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제5 단계는 복조된 데이터 심볼을 내부 코드 및 외부 코드로 채널 디코딩되는 과정; 을 더 포함하여, 상기 채널 디코딩된 데이터를 출력하는 것 을 특징으로 한다.

또한, 상기 내부 코드는 IEEE 802. 15. 4a의 비터비 코드이고, 싱기 외부 코드는 IEEE 802. 15. 4a의 RS 코드인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 IR - UWB 시스템을 개략적으로 도시한 블록구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, IR - UWB 시스템은 채널 코딩부(Channel Coding Part)와 변조부(Modulating Part)를 포함한 송신장치(TX: Transmitter)와, 복조부(Demodulating Part)와 채널 디코딩부(Channel Decoding Part)를 포함한 수신장치(RX: Receiver)를 포함하여 이루어진다.

그리고, 채널 코딩부는 디지털 전송 신호에 부수적인 잉여 비트를 삽입하고, 채널에 가해지는 각종 잡음으로 인한 에러를 검출 및 정정하는 기능을 수행하며, 이를 위하여 외부 코드 및 내부 코드로 코딩된다.

여기서, 외부 코드는 RS 코드(Reed-Solomon Code)는 군집 형태의 오류를 정정할 수 있는 비2원 BCH 부호의 한 종류로서, 산발 오류에 대하여 정정 능력이 높아서 지상 무선통신분야 및 유선 통신, 암호 통신에 이용되는 컨볼루 션(Convolution Code)과 연결하여 산발 오류 및 군집 오류가 동시에 발생하는 통신에 이용함으로써, 채널 오류를 제거한다.

그리고, 상기 컨볼루션(Convolution Code)은 내부 코드로서, 일정 길이의 메모리를 이용하여, 이전 데이터와 현재 데이터를 비교하여 부호화를 수행한다.

더불어, 변조부(Modulation Part)는 채널을 통과한 신호에서 발생하는 오프셋(Offset)인 시간 지연 및 잡음 등의 상태를 파악하기 위하여, PPM(Pulse Position Modulation) 또는 PPM+BPSK(Pulse Position Modulation + Binary Phase Shift Keying)로 데이터를 변조한다.

여기서, PPM(Pulse Position Modulation)는 일정 진폭 펄스의 반복 주파수를 적어도 전송하려고 하는 정보 내용에 포함되는 최고 주파수의 수 배(數倍)로 택하고, 정보원에 따라 펄스의 발생 위치를 바꾸어 변조하는 펄스위치변조(-位置變調)를 의미한다.

더불어, PSK는 디지털 신호에 대응하여 반송파의 위상을 각각 다르게 전송하는 변조방식으로서, 2진 디지털 신호를 m 개의 비트로 묶어서, M = 2m 개의 위상으로 분할시킨 변조 방식을 M 진 PSK 라 하며, 2진 또는 4진 또는 8진 PSK 등이 사용된다.

그리고, 변조 및 복조회로가 간단하고, 일정한 진폭을 가지는 파형이므로 전송로에 의한 레벨 변동의 영향을 적게 받고, 비동기 ASK 및 FSK 에 비하여 SNR이 4 dB, DPSK 에 비하여 1 dB 정도 유리하기 때문에 심볼 에러가 우수하다.

여기서, 2 진 PSK 인 BPSK(Binary PSK)는 디지털 신호(2 진 데이터)의 정보 에 따라, 반송파의 위상을 다르게 할당하는 방식으로 PRK(Phase Reversal Keying)라고도 일컫는데, 본 발명에서는 상기 2진 PSK 인 BPSK를 이용한다.

그리고 나서, 상기 변조부를 거친 데이터는 다수개의 칩을 포함시켜 데이터 심볼을 형성하며, 데이터 심볼 앞부분에 프리앰블을 붙여 프레임을 구성하는데, 상기 프리앰블은 송, 수신장치 간에 기 설정된 신호이며, 프레임의 시작점을 찾아 빠르게 동기될 수 있도록 구비된다.

바람직하게는, 다중화 장치(多重化裝置, Mutiplexer)가 구비될 수 있는데, 다중화 기술을 이용하여 하나의 회선 또는 전송로를 분할하고, 개별적으로 독립된 다수의 신호를 송, 수신할 수 있는 장치로서, 다중화 방식에 따라 주파수 분할 다중 방식(FDM), 시분할 다중 방식(TDM), 부호 분할 다중 방식(CDM) 등이 있다.

그리고, 송, 수신장치 간의 동기를 위하여, 송신장치 측의 기준신호인 프리앰블과, 데이터 심볼을 동시에 다중화 장치로 입력하여 전달하며, 동기 또는 채널추정을 위한 프리앰블과 데이터 심볼을 정해진 순서 및 위치에 배치하여 프레임으로 통합시킨다.

바람직하게는, 송신장치(Transmitter)는 통합된 신호를 확산시켜 반송기(Carrier)에 신호를 싣고, 이를 증폭시켜 송신 안테나로 보내는데, 무선 주파수(Radio Frequency)로 증폭시켜 수신 안테나로 송신하며, 즉 주파수를 상향 변환하여 송신 안테나를 통해 무선 채널 상에 전송한다.

바람직하게는, 수신장치(Reciever)는 상기 송신장치에서 상향 변환한 주파수인 무선주파수(Radio Frequency)를 중간 대역 주파수(IF: Intermediate Frequency) 또는 기저 대역(Base Band)으로 하향 변환시킨다.

바람직하게는, 상기 송신장치에서 확산시킨 신호를 역확산하여 원본 신호를 생성하는데, 송신장치에서 확산할 때 사용한 부호를 정확히 알고 있어야 하고, 이는 동기에 이용된다.

바람직하게는, 역 다중화 장치(逆多重化裝置, Demultiplexer)는 상기 다중화 장치와 정반대 기능을 수행하는 조합 논리 회로로서, 다수개의 출력 중에서 하나를 선택하여 입력을 연결시키므로 분배기라고도 한다.

예를 들어, 1/N 의 역 다중화 장치는 하나의 입력과 2N 개의 출력을 가지며, 2N 개의 출력선 중에서 하나를 선택하기 위한 N 개의 선택선을 가지는 것이 바람직하다.

그리고 나서, 데이터 심볼을 복조하기 위하여, 심볼 타이밍(Symbol Timing) 즉, 채널을 통과하여 시간 지연 및 잡음 등의 영향을 받은 프레임을 시간 지연을 고려하여 언제부터 데이터 심볼을 읽을 것인지를 의미하는 심볼 타이밍을 추정한다.

그 이유는, 채널 환경이 전파가 전송되기에 다중 경로 및 시간 지연의 요소를 전혀 제공하지 않는 환경이 아니라면, 약간의 시간 지연 및 잡음 등이 발생하기 때문에, 수신장치는 데이터 심볼에 포함된 칩 각각의 시간 지연을 고려하여 데이터 심볼을 복조해야한다.

따라서, 프레임의 구조상 상기 데이터 심볼을 복조하여 채널의 영향의 유, 무를 파악하는 것은 복조 시간이 지연되는 결과를 가져오므로, 프레임의 앞단에 위 치한 프리앰블을 이용하여 데이터 심볼을 추정한다.

이를 위하여, 상기 프리앰블 중 Sync/CE 필드는 송신장치에서 기 설정된 Ternary 시퀀스로 각 심볼 당 32 개의 코드를 삽입하였고, 이를 이용하여 32 개의 임펄스 응답을 산출하면, 이는 1 개의 심볼에 대한 채널 응답이 되므로, 동일한 채널을 통과하여 채널 응답 특성이 동일한 프레임 내에서는 1 개의 심볼에 대한 시간 지연 등의 특성도 동일하게 적용된다고 가정한다.

그리고, 1 개의 심볼에 대한 시간 지연 특성인 임펄스를 64 개의 칩을 포함하는 데이터 심볼 1 개에 대해서도 동일하게 적용될 수 있고, 수신장치로 입력된 첫번째 칩은 상기 시간지연특성이 적용되고, 두번째 칩은 상기 시간지연특성이 두배 적용되며, 세번째 칩은 시간지연특성이 3배 적용되는 것과 같으므로, 각각의 임펄스를 시간지연시켜 64개의 칩에 대하여 합산하면, 64 개의 칩이 모두 지나간, 즉 데이터 심볼에 대한 시간지연특성을 추정할 수 있다.

따라서, 수신장치에서는 상기와 같은 원리를 이용하여 수신된 Sync/CE 필드 중 Sync 필드에 포함된 32 개의 코드를 기준신호와 상관연산하고, 상관연산값을 64 개의 칩에 대하여 연산하여 최적의 심볼 타이밍을 추정한다.

그리고, 복조부에서는 상기 변조부의 반대로 상기 심볼 타이밍으로 데이터를 복조하고, 이를 다시 채널 디코딩부에서 상기 채널 코딩부에서 수행했던 작업을 반대로 수행하여 데이터를 출력한다.

여기서, 상기 복조부의 내부 코드에서 컨볼루션에 대응되도록 비터비 복호(-復號, Viterbi Decoding)를 이용하는데, 이는 상승 부호 복호법 중 하나로서, 가능 한 모든 정보가 동일한 확률로 발생하는 경우에는 복호 오류율을 최소로하는 가장 적합한 복호법이다.

더불어, 2 차원 대칭 동신로에서 사용하는 경우에는, 수신된 계열에 해밍 거리의 의미에서 가장 가까운 부호 계열(부호어)을 선택하여 내보내는 복호법이 되는데, 구속 길이를 크게 하면 지수 함수적으로 복잡해지므로 구속 길이가 짧은 상승 부호에만 적용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법의 과정을 설명한다.

우선, IR - UWB 시스템 기반 송신장치에서는 데이터에 변조 및 다수개의 칩으로 구획하여 데이터 심볼을 구성하고, 상기 데이터 심볼의 앞단에 프리앰블을 붙인 프레임을 IR - UWB 시스템의 수신장치로 송신한다(S10).

그리고, 상기 수신장치에서는 기준신호인 프리앰블과, 상기 송신장치로부터 전송되어 채널을 지나온 수신신호인 프리앰블을 상관연산하고, 그 결과로 채널에 대한 임펄스 응답을 얻는다(S20).

더불어, 상기 임펄스 응답은 1 개의 심볼에 대한 채널의 상태를 반영한 것이므로, 이를 이용하면 다수개의 칩을 포함하고 있는 심볼에 대해서도 동일하게 적용이 가능하다.

따라서, 각각의 칩에 시간 지연을 적용한다고 가정하고, 상기 임펄스 응답을 칩과 같이 순차적으로 시간지연시켜 칩의 수 만큼 합산한다.

이렇게 되면, 상기 다수개의 칩을 포함하는 데이터 심볼의 채널 응답을 추정할 수 있게 되고, 심볼 타이밍에 따라 합산된 임펄스 응답이 가장 큰 위치를 산출하는 경우의 심볼 타이밍을 검출할 수 있다(S30).

마지막으로, 상기 단계(S30)에서 검출된 심볼 타이밍부터 프레임의 데이터를 복조하면, 채널을 통과한 데이터 심볼의 지연을 적절히 반영할 수 있고, 이에 따라 에너지 손실없이 신호를 복조할 수 있다(S40).

도 3은 도 2를 상세히 도시한 흐름도이고, 도 1을 참조한다.

우선, IR - UWB 시스템의 송신장치에서는 채널의 오류를 제거하기 위하여, 랜덤한 비트열을 이용하여 채널을 코딩하는 외부 코드인 RS 코드와 내부 코드인 컨볼루션 코드를 이용하여 채널을 코딩한다(S10-1).

그리고 나서, 데이터를 8개의 코드로 분할하며, 상기 8 개의 코드는 PPM 변조로 인하여 4 개의 코드로 묶여 있고, 상기 8 개의 코드 중 한 개의 코드는 64 개의 칩으로 구성되도록 분할되며, 이렇게 구성된 데이터는 데이터 심볼을 이루어 프레임 중 구성 요소로 구비된다(S10-2).

또한, 상기 데이터 심볼 앞단에는 송, 수신장치 간의 동기 및 채널 추정(Sync/CE)을 위한 프리앰블(Preamble)이 붙게 되는데, 상기 동기를 위한 프리앰블은 16 개의 심볼로 이루어지며, 상기 채널 추정을 위한 프리앰블은 16 개의 심볼로 이루어져 총 32 개의 심볼을 가지게 된다.

여기서, 상기 동기를 위한 프리앰블(Sync 필드)의 각 심볼에는 각각 32 개의 Ternary 코드가 삽입되는데, 동일한 순열로 이루어진 32 개의 Ternary 코드가 16 개의 심볼에 각각 삽입된다.

이때, 상기 Ternary 코드는 심볼이 S 로 표시가능하다고 정의하면, {-S, 0, S}와 같은 집합을 이룰 수 있으며, 상기 집합에 구비되는 심볼은 신호에 따라 달라지고, 상기 Ternary 코드는 완벽한 자기 상관(Perfect Periodic Autocorrelation)의 성격을 가지고 있는데, Sync 필드의 심볼을 구성하는 Ternary 코드는 31 개로 구성되어 그 중 16 개의 『0』이 아닌 Ternary 코드를 가지고 있는데,『0』이 아닌 Ternary 코드가 의미하는 바는 심볼에 신호가 존재한다는 것이다.

따라서, 32 개의 Ternary 코드를 만들기 위하여, 순열 끝단에 코드 "0" 을 각각 삽입하여 각각의 심볼을 채운다.

이렇게 구성된 동기 및 채널 추정을 위한 프리앰블은 상기 데이터 심볼과 다중화장치에서 배치 및 통합되어 프레임으로 구성되며(S10-3), 이는 송신장치에서 수신장치로 채널을 통하여 무선전송된다(S10-4).

또한, 수신장치에도 상기 기준신호인 프리앰블을 가지고 있는데, 이는 송신장치에서 동기 및 채널 추정을 위한 프리앰블에 삽입되어 채널을 경우한 수신신호 내의 프리앰블과 비교를 위하여 구비된다.

그래서, 상관성을 가지는 Ternary 코드가 삽입된 프리앰블은 상관연산을 통하여 어떤 Ternary 코드가 삽입되었는지를 알 수 있으며, 상관연산결과는 채널의 응답특성을 나타내는 임펄스로 산출된다(S20).

여기서, 수신된 수신신호의 프리앰블과, 1 개의 Ternary 코드만큼을 지연시킨 프리앰블을 상관연산하고, 이를 32 개의 Ternary 코드에 대하여 모두 수행한 값을 더하면 임펄스가 산출되고, 이는 1 개의 심볼 내의 코드에 대한 채널 영향을 나타내므로, 이를 이용하여 데이터 심볼 내의 64 개의 칩에 대해서도 적용가능하다.

따라서, 상기 임펄스를 칩이 총 64 개이므로, 칩 주기 만큼의 지연을 순차적으로 주면서, 이를 64 개 모두 더해주면 64 개의 칩을 보유한 데이터 심볼 1 개에 대한 채널 응답이라고 가정 및 추정할 수 있다(S30-1).

그래서, 상기 단계(S30-1)에서 추정한 데이터 심볼 1 개에 대한 채널 응답으로, 아직 복조되지 않은 데이터 심볼이 어느 정도의 지연을 가지고 수신장치에 도착했는지를 추정할 수 있고(S30-2), 현 상태에서는 프리앰블만을 분석하고 있는 상태이기 때문에, 데이터 심볼을 분석할 시점에서 추정된 심볼 타이밍으로 심볼 데이터를 읽어들일 수 있다.

그리고, 추정된 데이터 심볼을 각각의 심볼 타이밍마다 비교하고, 최대의 에너지를 가지는 심볼 타이밍을 검출하는데, 예를 들어, 총 에너지가 10 인 심볼이 전송되었고, 시간에 따라 2, 5, 8, 9, 5, ... 의 식으로 에너지가 읽힌다고 가정하면, 에너지가 9 일때의 시간이 송신된 데이터 심볼을 가장 잘 보존하고 있는 상태이고, 그 상태가 채널 지연을 가장 잘 반영한 상태이기 때문에 9 일때의 시간을 심볼 타이밍으로 검출한다(S30-2).

예를 들어, 송신장치에서 10시 00분에 송신한 총 길이 1 분의 신호가 다중경로로 인하여 1 분의 지연시간을 가진다고 가정하고, 수신장치에서는 프리앰블을 분 석하지 않고 1 분의 지연을 감안하지 않았다고 가정하자.

이런 경우에는, 프리앰블에서 채널 지연 상태를 충분히 검출하지 못했기 때문에 총 길이 1 분의 신호를 거의 못받는 경우가 발생하기도 한다.

따라서, 상기 단계(S30-2)에서는 각각의 칩의 수만큼 지연시킨 임펄스 에너지를 이용하여, 최대의 임펄스 에너지를 가지는 심볼 타이밍을 검출하고, 이에 따라 프레임의 데이터 심볼을 복조하는 것이 바람직하다(S40-1).

그리고, 복조된 데이터는 채널 디코딩부에서 비터비(Viterbi) 와 RS 코드로 복호화되며(S40-2), 수신장치에서 송신장치에 입력된 데이터를 수신장치에서 출력할 수 있게된다(S40-3).

도 4는 본 발명에 따른 IR - UWB 기반 송신장치에서 데이터 심볼을 형성하는 과정을 도시한 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 IR - UWB 기반 송신장치에서 프리앰블을 형성하는 과정을 도시한 구성도이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 데이터 심볼은 프레임 중 가장 먼저 만들어지는데, 데이터를 8개의 코드로 분할하며, 상기 8 개의 코드는 PPM 변조로 인하여 4 개의 코드로 묶여지고, 상기 8 개의 코드 중 한 개의 코드는 64 개의 칩으로 구성되도록 분할된다.

또한, 상기 데이터 심볼 앞단에는 송, 수신장치 간의 동기 및 채널 추정(Sync/CE)을 위한 프리앰블(Preamble)이 붙게 되는데, 상기 동기를 위한 프리앰블은 16 개의 심볼로 이루어지며, 상기 채널 추정을 위한 프리앰블은 8 개의 심볼 로 이루어져 총 24 개의 심볼을 가지게 된다.

여기서, 상기 동기를 위한 프리앰블(Sync 필드)의 각 심볼에는 각각 32 개의 Ternary 코드가 삽입되는데, 동일한 순열로 이루어진 32 개의 Ternary 코드가 16 개의 심볼에 각각 삽입된다.

이때, 상기 Ternary 코드는 심볼이 S로 표시가능하다고 정의하면, {-S, 0, S}와 같은 집합을 이룰 수 있으며, 상기 집합에 구비되는 심볼은 신호에 따라 달라지고, 상기 Ternary 코드는 완벽한 자기 상관(Perfect Periodic Autocorrelation)의 성격을 가지고 있는데, Sync 필드의 심볼을 구성하는 Ternary 코드는 31 개로 구성되어 그 중 16 개의 『0』이 아닌 Ternary 코드를 가지고 있는데,『0』이 아닌 Ternary 코드가 의미하는 바는 심볼에 신호가 존재한다는 것이다.

하기 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 31 개의 순열을 가지는 Ternary 코드를 6 종류 포함한다.

여기서, 본 실시예에서는 S1 에 따른 Ternary 코드열을 삽입하였으며, +,0,- 는 +1, 0, -1 을 의미한다.

따라서, 32 개의 Ternary 코드를 만들기 위하여, 순열 끝단에 코드 "0" 을 각각 삽입하여 각각의 심볼을 채운다.

도 6a는 본 발명에 따른 IR - UWB 기반 수신장치의 상관연산과정을 도시한 도이고, 도 6b는 도 6a에서 수신신호와 기준신호가 동일한 자기상관연산 결과를 도시한 그래프이며, 도 6c는 도 6a에서 수신신호와 기준신호가 동일하지 않은 경우의 상호상관연산 결과를 도시한 그래프이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 상관연산과정은 수학식 1 과 같다.

여기서, x_p(t)는 채널을 통하여 수신된 프리앰블을 나타낸다, x_p'(t+k)는 수신장치에서 기준신호로 기 저장하고 있는 프리앰블을 나타낸다.

그리고, 상관성을 가지는 Ternary 코드가 삽입된 두 신호는 곱연산 및 합연 산을 통하여 임펄스를 포함한 32 개의 값들을 가지게 된다.

우선, k=0 인 경우에는 Ternary 코드를 1 개만큼도 옮기지 않은 경우이므로, 겹치는 부분이 없고, 이에 따라 0이 된다.

그리고, k=1 인 경우에는 Ternary 코드가 1 개만큼 겹치는 부분이 발생하고, 이에 따라 R₁ * S₃₂를 산출할 수 있다.

더불어, k=2 인 경우에는 Ternary 코드가 2 개만큼 겹치는 부분이 발생하고, 이에 따라 (R₁ * S₃₁) + (R₂ * S₃₂)를 산출할 수 있다.

이와 같이, k=0 일 때의 결과값, k=1 일 때의 결과값, k=2 일 때의 결과값..을 k=31 일 때의 결과값을 합산하면, 상기 수학식 1 과 같은 결과를 얻을 수 있다.

또한, 자기상관연산인 동일한 신호끼리 곱연산 및 합연산을 실시한 경우에는, -1*-1=1, 0*0=0, 1*1=1 의 값이 산출되므로, 가장 많이 겹쳐지는 순간에 가장 큰 값을 얻을 수 있게 되어 임펄스가 발생된다.

반대로, 상호상관연산인 동일하지 않은 신호끼리 곱연산 및 합연산을 실시한 경우에는 상기와 같은 임펄스가 발생하지 않는다.

따라서, 기준신호와 수신신호가 동일하지 않은 경우에는 임펄스가 발생하지 않고, 기준신호와 수신신호가 동일한 경우에는 상기와 같은 임펄스가 발생하며, 이를 통하여 수신장치에서는 S1, S2...S6 중 어느 코드를 송신장치에서 삽입을 했는지를 알 수 있게된다.

도 7은 본 발명에 따른 IR - UWB 기반 수신장치의 임펄스 합산과정을 도시한 도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 데이터 심볼 추저을 위한 임펄스 합산과정은 하기 수학식 2와 같다.

우선, 상기 수학식 2 를 통하여 산출된 xpluse(t)를 64 개의 칩 주기만큼 순차적으로 지연시키면서 합산한다.

여기서, i 는 데이터 심볼의 64 개로 분할된 칩의 주기를 나타내며, x_burst(t)는 각각의 임펄스가 합해진 결과값으로써, 동일한 채널을 통과한 프리앰블로 추정한 데이터 심볼값이 된다.

즉, x_burst(t)는 데이터 심볼의 1 번째 칩만큼의 지연이 발생하였을 때의 데이터 심볼 에너지를 나타내며, x_burst(t+1)은 데이터 심볼의 2 번째 칩만큼의 지연이 발생하였을 때의 심볼 에너지를 나타내고, x_burst(t+63)은 데이터 심볼의 64 번째 심볼 에너지를 나타낸다.

예를 들어, 데이터 심볼이 두번째 칩 만큼의 지연을 가지고 입력된 경우에 는, 두번째 칩만큼의 지연이 발생하였을 때, 즉 x_burst(t+1)일 때 데이터 심볼이 최대가 될 것이고, 데이터 심볼이 63 번째 칩 만큼의 지연을 가지고 입력된 경우에는, 63 번째 칩만큼의 지연이 발생하였을 때, 즉 x_burst(t+63)일 때 데이터 심볼이 최대가 될 것이다.

위와 같이, 각각의 채널 상태에 따라 유연하게 수신된 데이터 심볼이 가지고 있는 채널 오프셋(잡음 및 지연 등)을 추정할 수 있고, 이에 따라 정확한 복조가 되도록 이루어진다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 IR - UWB 기반 기준신호와 수신신호를 도시한 그래프이고, 도 9는 도 8의 기준신호와 수신신호를 이용한 심볼 타이밍 추정 방법을 도시한 도이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 수신장치에서 가지고 있는 프레임의 기준신호는 상부 그래프와 같고, 송신장치에서 수신장치로 전송된 프레임의 수신신호, 즉 채널을 거쳐 실제로 수신된 프레임의 수신신호는 하부 그래프와 같다.

이를 이용하여, 프리앰블의 상관연산을 취하고, 상관성을 가진 Ternary 코드로 만들어진 임펄스는(㉮), 64 개로 이루어진 데이터 심볼 내의 칩 주기만큼 지연되어 합산되고(㉯), 이를 통하여 각각의 심볼 타이밍에 따라 데이터 심볼값이 최대가 되는지를 확인하고(㉰), 각각을 비교하여 최대인 값을 심볼 타이밍으로 검출하게 된다(㉱).

본 발명의 실시예에서는 심볼 타이밍이 12인 경우에 데이터 심볼값이 최대가 되며, 이를 이용하여 데이터 심볼을 복조하면 채널을 통과한 지연을 정확히 추정할 수 있고, 이에 따라 송신장치에서 송신한 데이터의 손실을 최소화하여 복조할 수 있게 된다.

도 10은 종래 기술에 따른 IR - UWB 기반 수신장치의 심볼 타이밍 추정 방법에 따른 그래프이고, 도 11, 12, 13은 도 10의 종래 기술과 본 발명을 비교한 그래프이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 종래 기술에 따른 심볼 타이밍 추정 방법은 수신장치의 기준신호와 송신장치의 수신신호를 상관연산하고, 이를 통해 발생하는 임펄스의 시간을 기준으로 데이터를 복조하였다.

여기서, LOS 인 CM1의 임펄스 응답을 보면, 31인 곳에서 임펄스가 발생하고, 이때의 심볼 타이밍은 120이다.

그리고, NLOS 인 CM2의 임펄스 응답을 보면, 44인 곳에서 임펄스가 발생하고, 이때의 심볼 타이밍은 120에서 13만큼 더해진 133 정도부터 읽기 시작하면, 그래프에 도시된 것과 같이 133-140 정도까지 지연을 계산하지 못한 것이므로, 손실이 발생한다.

또한, NLOS 인 CM8의 임펄스 응답을 보면, 40인 곳에서 임펄스가 발생하고, 이때의 심볼 타이밍은 120에서 10만큼 더해진 130 정도부터 읽기 시작하면, 그래프에서 도시된 것과 같이 130-150 정도까지 지연을 계산하지 못한 것이므로, CM2 인 경우보다 더욱 손실이 발생하게 된다.

이에 따른 비트 에러율을 도시한 그래프를 보면, 상기와 같이 1 개의 임펄스 응답만을 가지고 심볼 타이밍을 추정한 경우는 CM1 와 같이 채널 상황이 좋은 곳(LOS: Line of Sight)은 본 발명과 대략적으로 비슷한 결과를 나타내지만, CM2 또는 CM8 과 같이 채널상황이 좋지 않은 곳(NLOS: Not Line of Sight)은 본 발명이 뛰어난 성능을 나타냄을 알 수 있다.

즉, 채널 상황이 좋은 곳에서는 채널 추정을 굳이 하지 않아도 비슷한 성능을 가져오지만, 채널 상황이 좋지 않은 곳에서 채널 상태를 반영할 수 있는 심볼 타이밍을 추정할 수 있다는 것을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허 청구 범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 IR - UWB 시스템을 개략적으로 도시한 블록구성도.

도 2는 본 발명에 따른 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법을 개략적으로 도시한 흐름도.

도 3은 도 2를 상세히 도시한 흐름도.

도 4는 본 발명에 따른 IR - UWB 기반 송신장치에서 데이터 심볼을 형성하는 과정을 도시한 구성도.

도 5는 본 발명에 따른 IR - UWB 기반 송신장치에서 프리앰블을 형성하는 과정을 도시한 구성도.

도 6a는 본 발명에 따른 IR - UWB 기반 수신장치의 상관연산과정을 도시한 도.

도 6b는 도 6a에서 수신신호와 기준신호가 동일한 자기상관연산 결과를 도시한 그래프.

도 6c는 도 6a에서 수신신호와 기준신호가 동일하지 않은 경우의 상호상관연산 결과를 도시한 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 IR - UWB 기반 수신장치의 임펄스 합산과정을 도시한 도.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 IR - UWB 기반 기준신호와 수신신호를 도시한 그래프.

도 9는 도 8의 기준신호와 수신신호를 이용한 심볼 타이밍 추정 방법을 도시 한 도.

도 10은 종래 기술에 따른 IR - UWB 기반 수신장치의 심볼 타이밍 추정 방법에 따른 그래프.

도 11은 도 10의 종래 기술과 본 발명을 비교한 그래프.

도 12는 도 10의 종래 기술과 본 발명을 비교한 그래프.

도 13은 도 10의 종래 기술과 본 발명을 비교한 그래프.

Claims (11)

1. IR - UWB 시스템의 송신장치는 전송할 데이터를 다수개의 코드로 구획하고, 상기 다수개의 코드 중 한 코드를 다수개의 칩으로 분할하여 변조된 데이터 심볼을 형성하는 제1 단계;

   상기 데이터 심볼의 동기 및 채널 추정을 위한 프리앰블을 삽입하여 프레임을 형성하고, 상기 프레임이 채널을 통하여 수신장치로 무선 송신되는 제2 단계;

   상기 수신장치는 상기 채널을 통하여 수신된 프레임에 포함된 프리앰블과, 상기 수신장치에 기 저장된 프리앰블을 상관연산하여 상기 채널을 경유한 프리앰블의 응답인 임펄스를 형성하는 제3 단계;

   상기 임펄스를 상기 칩의 주기만큼 순차적으로 시간지연시키되, 상기 다수개의 칩으로 분할된 상기 코드의 주기까지 시간지연시켜 합산하고, 상기 채널을 통하여 수신된 데이터 심볼을 추정하는 제4 단계;

   상기 추정된 데이터 심볼을 각각의 심볼 타이밍마다 비교하고, 그 중 데이터 심볼이 최대인 심볼 타이밍을 이용하여 수신된 데이터 심볼을 복조하는 제5 단계;

   를 포함하는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 단계의 데이터는 8 개의 코드로 구획되고, 상기 8 개의 코드 중 1 개의 코드는 64 개의 칩으로 분할되어 1 개의 데이터 심볼로 이루어지는 것을 특징으로 하는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 단계 및 상기 제5 단계의 변조 및 복조는 PPM 또는 PPM+BPSK 를 이용하는 것을 특징으로 하는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 제2 단계의 데이터 심볼은 분할된 상기 칩의 수만큼 분할되어 임펄스로 전송되는 것을 특징으로 하는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 제2 단계의 동기 및 채널 추정을 위한 프리앰블은 각 심볼 당 자기상관성을 가지는 다수개의 코드가 삽입되는 것을 특징으로 하는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 자기상관성을 가지는 다수개의 코드는 -1, 0, 1 중 어느 하나를 가지는 Ternary 코드인 것을 특징으로 하는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법.
7. 청구항 5에 있어서,

   상기 각 심볼 당 삽입되는 코드의 수는 32 개인 것을 특징으로 하는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 단계는

   랜덤하게 생성된 비트열이 외부 코드 및 내부 코드

   RS 코드 및 컨볼루션으로 채널 코딩되는 과정;

   을 더 포함하여, 상기 채널 코딩된 비트열을 이용하여 데이터 심볼을 형성하는 것을 특징으로 하는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 외부 코드는 IEEE 802. 15. 4a의 RS 코드이고, 상기 내부 코드는 IEEE 802. 15. 4a의 컨볼루션인 것을 특징으로 하는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법.
10. 청구항 1에 있어서,

    상기 제5 단계는

    복조된 데이터 심볼을 내부 코드 및 외부 코드로 채널 디코딩되는 과정;

    을 더 포함하여, 상기 채널 디코딩된 데이터를 출력하는 것을 특징으로 하는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법.
11. 청구항 10에 있어서,

    상기 내부 코드는 IEEE 802. 15. 4a의 비터비 코드이고, 싱기 외부 코드는 IEEE 802. 15. 4a의 RS 코드인 것을 특징으로 하는 IR - UWB 시스템 기반 심볼 타이밍 추정 방법.

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