KR100927641B1 - 협대역 간섭 억제 기능을 구비한 ｍ 진 직교 변조 초광대역통신 방법 - Google Patents

협대역 간섭 억제 기능을 구비한 ｍ 진 직교 변조 초광대역통신 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초광대역 통신 방법에 관한 것으로서, 특히 M진 2 직교 펄스 시리즈를 이용하여 협대역 간섭을 제거할 수 있는 협대역 간섭 억제 기능을 구비한 Ｍ 진 직교 변조 초광대역 통신 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 협대역 간섭 억제 기능을 구비한 Ｍ 진 직교 변조 초광대역 통신 방법은 N 개의 서로 다른 영점의 전력 스펙트럼 밀도를 가지는 2N 개의 직교 펄스 시리즈 세트를 생성하는 제 1 단계 및 상기 직교 펄스 시리즈 세트를 이용하여 전송신호를 생성하는 제 2 단계를 포함하여 이루어져, 다중톤 협대역 간섭이 존재하는 경우 협대역 간섭을 억제하는 효과가 크며, 상관기의 수가 적어 시스템의 구성이 간단하며, 펄스 진폭 변조나 펄스 위상 변조 방식에 비해 성능이 우수한 효과가 있다.
M 진, 2직교 변조, UWB, NBI, 초광대역, 협대역 간섭

Description

협대역 간섭 억제 기능을 구비한 Ｍ 진 직교 변조 초광대역 통신 방법{M-ary BI-ORTHOGONAL MODULATION ULTRA WIDEBAND COMMUNICATIONS METHOD WITH ABILITY OF NARROW BAND INTERFERENCE SUPPRESSION}
본 발명은 초광대역 통신 방법에 관한 것으로서, 특히 M진 2 직교 펄스 시리즈를 이용하여 협대역 간섭을 제거할 수 있는 협대역 간섭 억제 기능을 구비한 Ｍ 진 직교 변조 초광대역 통신 방법에 관한 것이다.
차세대 무선 개인통신망(wireless personal area network, WPAN)의 후보로서 UWB 시스템이 제안되었다. 임펄스 기반 UWB 시스템은 초단기 임펄스형 파형에 의하여 정보를 변조하여 신호 에너지를 초광대역으로 확산시킨다. 낮은 방사 스펙트럼 밀도로 인하여 높은 수준의 협대역 간섭(Narrow Band Interference, NBI)은 여전히 UWB 시스템 성능에 나쁜 영향을 미칠 수 있으며 간섭이 제대로 억제되지 않으면 UWB 수신기가 고장 날 수도 있는 문제점이 있다.
UWB의 다중 M-ary 변조방식을 논의하였으며 여기에는 M-ary 펄스 진폭변조(M-PAM), M-ary 펄스 위치변조(M-PPM) 등이 포함된다. M-BOM 신호 세트는 M/2 직교 파형과 그 음수값을 포함한다. M-ary PPM에 비하여, M-BOM은 절반의 상관기가 도입되기 때문에 더욱 간단한 수신기 구조를 갖는다.
이 논문에서는 NBI 억제 기능을 가진 UWB 시스템에 대한 M-BOM 방식을 제안하고 모의실험에 의해 이 시스템을 평가한다. 평가는 제안된 방식이 NBI를 효과적으로 억제할 수 있음을 보여준다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 협대역 간섭을 인식한 다음 2직교 펄스 시리즈를 이용하여 협대역 간섭을 억제할 수 있는 Ｍ 진 직교 변조 초광대역 통신 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 협대역 간섭 억제 기능을 구비한 M 진 직교 변조 초광대역 통신 방법은 g(t)는 기본파형, wn(t)는 n 번째 직교 펄스 시리즈, fCn은 협대역 간섭 주파수인 경우, N 개의 서로 다른 영점의 전력 스펙트럼 밀도를 가지는 2N 개의 직교 펄스 시리즈 세트를 하기의 수학식에 의해 생성하는 제 1 단계
Figure 112008019549426-pat00001
Figure 112008019549426-pat00002
및
상기 직교 펄스 시리즈 세트를 이용하여 전송신호를 생성하는 제 2 단계를 포함한다.
여기서, 상기 제 2 단계의 전송 신호(s(t))는 하기의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112008019549426-pat00003
여기서, i는 심볼 일련번호, Es는 심볼 에너지이다. Ns는 프레임 반복횟수로서 하나의 심볼이 Ns 동일 프레임으로 표현되는 것을 의미하고, di∈{0, …, M-1}는 i 번째 심볼이며, wdi(t)는 M-ary 신호 세트에 있는 di 번째 심볼 파형이고, Tf 는 프레임 길이이다.
상기 기본 파형 g(t)는 지속시간 Tp를 갖는 기본 펄스이며, 초광대역 전송에 대한 미국 연방 통신 위원회(Federal Communications Commission , FCC)의 스펙트럼 마스크 기준을 만족하는 파형이다.
상기 기본 파형 g(t)는 하기의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112008019549426-pat00004
여기서, fh=10.6GHz, fl=3.1GHz으로, FCC의 스펙트럼 마스크 기준에 따른 주파수이다.
상기 M 은 2N+1 의 관계에 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 협대역 간섭 억제 기능을 구비한 Ｍ 진 직교 변조 초광대역 통신 방법은 다중톤 협대역 간섭이 존재하는 경우 협대역 간섭을 억제하는 효과가 크며, 상관기의 수가 적어 시스템의 구성이 간단하며, 펄스진폭변조(Pulse Amplitude Modulation, PAM)나 펄스위상변조(Pulse Phase Modulation, PPM) 방식에 비해 성능이 우수한 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용 및 실시예를 설명하면 다음과 같다.
M-진 2직교 변조(M-ary bi-orthogonal modulation, 이하 M-BOM) 시스템에서, M 신호파형은 다음과 같이 주어진다.
Figure 112008019549426-pat00005
여기서, 전자의 M/2 파형은 직교 세트를 형성하며, 후자의 M/2 파형은 전자의 M/2 파형의 음수값들이다.
이 값들에 의해 다음과 같은 관계가 성립한다.
Figure 112008019549426-pat00006
여기서, i, j ∈ {0, 1, …, (M/2)-1} 이다. 전송신호 s(t)는 다음 식으로 주어진다.
Figure 112008019549426-pat00007
여기서, i는 심볼 일련번호, Es는 심볼 에너지이다. Ns는 프레임 반복횟수로서 하나의 심볼이 Ns 동일 프레임으로 표현된다는 것을 의미한다. di∈{0, …, M-1}는 i 번째 심볼이다.
wdi(t)는 M-ary 신호 세트에 있는 di 번째 심볼 파형이다. Tf 는 프레임 길이이다.
IR-UWB(Impulse Radio-Ultra Wideband) 시스템에 대한 펄스 파형 g(t)를 기준으로, 다음 식에 의해 일련의 펄스를 정의한다.
Figure 112008019549426-pat00008
이것은 회귀식이다. g(t)는 지속시간 Tp를 갖는 기본 파형이며 UWB 전송에 대한 FCC의 스펙트럼 마스크를 만족시켜야 한다(3.1 GHz ~10.6 GHz).
n-번째 펄스 시리즈 wn(t)는 (n-1) 번째 펄스 시리즈 wn -1(t)의 빠른 시간 천이와 늦은 시간 천이의 양극성 결합이다. 각 펄스 시리즈의 두 표현식에 의해 n-번째 펄스시리즈는 2 n 임펄스의 결합이 된다.
n-번째 펄스 시리즈는 다음과 같은 응답 임펄스를 가진 선형 시간불변 시스템을 통과시키는 (n-1)-번째의 펄스 시리즈로 표현될 수 있다.
Figure 112008019549426-pat00009
g(t)의 전력스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density, 이하 PSD)를 G(f)라고 하면, 펄스 시리즈의 PSD는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112008019549426-pat00010
Kn (+)의 일부 정수로 f=(Kn (+)+0.5)/(2δn (+)) 인 경우에 cos2(2πfδn (+)) 는 0이 되고, Kn (-)의 일부 정수로 f=(Kn (-))/(2δn (-))인 경우에 sin2(2πfδn (-))이 0이 된다.
즉, Kn 의 특정한 값에 의해 상기 사인 또는 코사인 값이 0 이 되기 때문에, Wn(f)에는 최소한 n개의 상이한 영점이 있다. zn이 n-번째 펄스 시리즈의 영점 세트인 경우에는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112008019549426-pat00011
위의 분석에 따라서 N개의 상이한 협대역 간섭 주파수 {fC1, fC2, …, fCN}를 가정하면 다음식에 따라, 주어진 주파수에서 N 개의 영점을 가진 펄스 시리즈를 얻을 수 있다.
Figure 112008019549426-pat00012
수학식 8에 따라서, N개의 상이한 영점의 PSD를 갖는 펄스 시리즈에 대해, 총 2N 파라미터 δ의 조합이 있다. 기본 파형 w0(t)=g(t)가 시간제한적이고 이에 따라 펄스 지속시간 Tp가 펄스 시리즈의 지연시간 δ보다 훨씬 작다고 가정함으로써 2N 파라미터 δ의 조합을 가진 직교 펄스 시리즈 세트를 구성할 수 있다.
2N개의 직교 임펄스 시리즈 파형을 사용하여 수학식 1에 따라서 N개의 상이한 협대역 간섭들을 억제하는 기능을 가진 M(=2N+1)-진 2직교 변조 시스템을 구성할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 협대역 간섭 억제를 위한 M 진 2 직교변조 초광대역 통신 방법을 실시예에 의하여 시스템 성능을 평가하면 다음과 같다.
전송 신호는 수학식 3과 동일하다. 프레임 지속시간 Tf는 20ns이고 Ns=10 인 펄스 파형을 사용하여 하나의 심볼을 표현한다. 채널모델로는 AWGN(S-V CM1) 잡음 채널로 가정하고, 레이크 수신기가 적용된다. 4.4GHz 및 5.3GHz의 상이한 주파수와 20MHz의 동일한 대역폭 및 동일한 출력을 가진 2개의 NBI 채널을 예증한다. 이것은 실시예에 SIR1=SIR2이 도입되었음을 의미한다.
FCC의 규정에 따라서 UWB의 주요 방사 스펙트럼은 3.1GHz에서 10.6GHz까지이다. 기본 펄스로서
Figure 112008019549426-pat00013
를 사용하는데, 여기서 fh=10.6GHz 이고 fl=3.1GHz이다. g(t)의 정규화된 PSD는 다음과 같이 도출된다.
Figure 112008019549426-pat00014
도 1은 본 발명에 따른 초광대역 통신 방법에 사용되는 기본 펄스와 직교 펄스 시리즈의 일례가 도시된 도로써, w0(t)=g(t) 의 파형과 그의 펄스 시리즈 w2 (+)(t)를 구성하는 방법이 도시되어 있다.
Figure 112008019549426-pat00015
수학식 10은 직교 펄스 시리즈 중 하나를 구하는 방법이 도시된 수식이다.
수학식 4에 주어진 방법에 따라서 먼저 w1 (+)(t)를 구성한 다음 w1 (+)(t)를 기반으로 하여 w2(t)를 구성할 수 있다. w2 (-)(t)는 비슷한 방법으로 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 8-진 2직교 펄스 시리즈 변조 시스템을 사용한 다. 도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 8-진 펄스 시리즈의 시간기준 파형을 보여준다. 시간이동 매개변수 δ는 수학식 8에 따라 구분된다. 여기에서 {k1 (+), k1 (-), k2 (+), k2 (-)} = {1, 2, 4, 15}를 선택하여 직교신호 세트를 구성한다.
도 2b는 기본 펄스와 8개의 펄스 시리즈의 PSD를 보여준다. 8개의 펄스 시리즈가 4.4GHz 및 5.3GHz에서 동일한 영점들을 갖고 있음을 관찰할 수 있다.
상기 실시예는 심볼오율(symbol error rate, SER)을 기반으로 평가될 수 있다. 제안된 8-진 2 직교 방식과 기존의 8-진 PAM 및 8-진 PPM 방식을 비교한다.
도 3은 협대역 간섭이 존재하는 경우 본 발명에 따른 8진 펄스 시리즈, 8진 PAM 및 직교 PPM 시스템의 심볼오율(SER) 대비 신호대잡음비(Eb/N0) 성능이 비교 도시된 그래프이며, 도 4는 협대역 간섭이 존재하는 경우 본 발명에 따른 8진 펄스 시리즈, 8진 PAM 및 직교 PPM 시스템의 심볼오율(SER) 대비 신호대간섭비(SIR) 성능이 비교 도시된 그래프이다.
본 발명에서 제안된 방식이 Eb/N0 또는 SIR 시나리오의 관점에서 기존의 PAM 및 직교 PPM 방식보다 상당히 낮은 SER을 갖고 있다는 결론을 얻는다.
도 3으로부터 우리는 직교 PPM 방식에 비하여 SIR이 -5 dB인 경우에 제안된 방식은 10-3의 SER에서 약 4dB의 Eb/N0 이득을 갖고 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 시스템을 PAM 시스템과 비교하면, 더욱 많은 이득이 있음을 알 수 있다. 도 4로부터 Eb/N0이 8dB인 경우에 제안된 방식은 직교 PPM 방식에 비하여 10-4의 SER에서 15dB의 SIR 이득을 갖고 있음을 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초광대역 통신 방법에 사용되는 기본 펄스와 직교 펄스 시리즈의 일례가 도시된 도,
도 2a는 본 발명에 따른 초광대역 통신 방법에 사용되는 기본 펄스 및 8진 2직교 펄스 시리즈의 시간기준 파형이 도시된 도,
도 2b는 본 발명에 따른 초광대역 통신 방법의 일실시예인 8진 2직교 펄스 시리즈의 전력 스펙트럼 밀도가 도시된 그래프,
도 3은 협대역 간섭이 존재하는 경우 본 발명에 따른 8진 펄스 시리즈, 8진 PAM 및 직교 PPM 시스템의 심볼오율 대비 신호대잡음비 성능이 비교 도시된 그래프,
도 4는 협대역 간섭이 존재하는 경우 본 발명에 따른 8진 펄스 시리즈, 8진 PAM 및 직교 PPM 시스템의 심볼오율 대비 신호대간섭비 성능이 비교 도시된 그래프이다.

Claims (5)

  1. g(t)는 기본파형, wn(t)는 n 번째 직교 펄스 시리즈, fCn은 협대역 간섭 주파수인 경우, N 개의 서로 다른 영점의 전력 스펙트럼 밀도를 가지는 2N 개의 직교 펄스 시리즈 세트를 하기의 수학식에 의해 생성하는 제 1 단계
    Figure 112009041656960-pat00016
    Figure 112009041656960-pat00017
    (단, kn (+)와 kn (-)는 정수); 및
    상기 직교 펄스 시리즈 세트를 이용하여 전송신호(s(t))를 하기의 수학식으로 표현되도록 생성하는 제 2 단계를 포함하는 협대역 간섭 억제 기능을 구비한 M 진 직교 변조 초광대역 통신 방법.
    전송신호
    Figure 112009041656960-pat00025
    (단, i는 심볼 일련번호, Es는 심볼 에너지,
    Ns는 프레임 반복횟수(하나의 심볼이 Ns 동일 프레임으로 표현되는 것),
    di ( ∈ {0, …, M-1} )는 i 번째 심볼,
    wdi(t)는 M-ary 신호 세트에 있는 di 번째 심볼 파형,
    Tf 는 프레임 길이)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기본 파형 g(t)는 하기의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 협대역 간섭 억제 기능을 구비한 M 진 직교 변조 초광대역 통신 방법.
    Figure 112009041656960-pat00019
    (여기서, fh=10.6GHz, fl=3.1GHz)
  5. 삭제
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