KR101056566B1 - 동적 클리핑을 이용한 ｏｆｄｍ신호의 ｐａｐｒ 감소 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동적 클리핑을 이용한 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 신호의 최대전력 대 평균전력 비(PAPR) 감소 장치에 관한 것으로서, OFDM 신호의 높은 PAPR을 개선하기 위한 반복 클리핑 및 필터링(Iterative Clipping and Filtering) 기법을 적용함에 있어서, 클리핑 및 필터링 과정이 반복 수행될 때마다 그 출력 신호를 이용해 클리핑 임계치(Clipping Threshold)를 조정함으로써, 반복 클리핑 및 필터링 기법의 복잡도 및 지연을 개선하고자 한다.

이를 위하여, 본 발명은, OFDM 신호의 최대전력 대 평균전력 비(PAPR)를 감소시키는 장치에 있어서, OFDM 송신 신호를 클리핑하기 위한 클리핑 수단; 상기 클리핑된 신호를 필터링하기 위한 필터링 수단; 및 상기 클리핑 수단에 클리핑 임계치를 제공하되, 상기 클리핑 및 필터링이 반복 수행될 때마다 상기 필터링 수단의 출력신호를 이용하여 상기 클리핑 임계치를 재설정하기 위한 동적 클리핑 조절 수단을 포함한다.

OFDM, PAPR, 반복 클리핑 및 필터링, 클리핑 비율, 클리핑 임계치, 동적 클리핑

Description

동적 클리핑을 이용한 ＯＦＤＭ신호의 ＰＡＰＲ 감소 장치{APPARATUS FOR REDUCING PAPR OF OFDM SIGNAL USING DYNAMIC CLIPPING}

본 발명은 동적 클리핑을 이용한 직교주파수 분할 다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호의 최대전력 대 평균전력 비(PAPR: Peak-to-Average Power Ratio) 감소 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 OFDM 신호의 높은 PAPR을 개선하기 위한 반복 클리핑 및 필터링(Iterative Clipping and Filtering) 기법을 적용함에 있어서, 클리핑 및 필터링 과정이 반복 수행될 때마다 그 출력 신호를 이용해 클리핑 임계치(Clipping Threshold)를 조정함으로써, 반복 클리핑 및 필터링 기법의 복잡도 및 지연을 개선할 수 있는, 동적 클리핑을 이용한 OFDM 신호의 PAPR 감소 장치에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 지식경제 기술혁신사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2007-S-029-03, 과제명: 가정용/기업용 WiBro 시스템 기술 개발].

OFDM 시스템은 주파수 선택적 페이딩 채널(Frequency Selective Fading Channel)에서의 강인성(Robustness), 높은 주파수 효율 등과 같이 무선채널에서 많은 장점을 가지고 있지만, 높은 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)로 인하여 고전력 증폭기(HPA: High Power Amplifier)에서 비선형 왜곡, 전력효율 저하 등이 문제가 되고 있다.

즉, OFDM은 무선채널에서 뛰어난 성능에도 불구하고 높은 PAPR이 고전력 증폭기(HPA)에서의 전력효율에 영향을 주어 셀 경계(Cell Edge)에서의 성능을 크게 떨어뜨리는 단점이 있다.

OFDM 신호의 높은 PAPR을 낮추기 위한 종래의 기술로는 '클리핑 기법'이 있는데, 이는 시간영역(Time domain) 상의 신호가 일정 임계치(threshold)를 넘으면 클리핑 처리를 하는 방식이다.

하지만, 이러한 클리핑 기법은 인접대역으로의 스펙트럼 침식(spectrum emission) 현상을 일으켜 인접대역의 성능에 영향을 미친다. 이러한 인접대역으로의 스펙트럼 침식 현상을 줄이기 위해 클리핑 처리 후에 필터링이 주로 사용되는데, 이와 같이 필터링을 할 경우 OFDM 신호의 PAPR이 다시 증가(regrowth)하는 현상이 발생하는 문제가 있다.

클리핑과 필터링을 반복적으로 시행함으로써 OFDM 신호의 PAPR을 원하는 레벨(desired level)까지 낮추면서도 동시에 인접대역으로의 스펙트럼 침식 현상을 가능한한 최소화하는 기법이 등장하였는데, 그것이 바로 "반복 클리핑 및 필터링(반복 클리핑/필터링)(Iterative Clipping and Filtering) 기법"이다. 반복 클리핑 및 필터링 기법은 OFDM의 높은 PAPR 문제를 해결하기 위한 많은 기법들 중에서 간단하면서도 효과적인 기법으로 주목받고 있다.

반복 클리핑 및 필터링 기법은 간단하면서도 효과적이라는 장점이 있지만, 신호의 동일한 샘플 포인트를 반복적으로 클리핑하고 그 반복(iteration)이 증대함에 따라 매 반복(iteration)의 경우마다 동일한 복잡도(complexity)를 유지하지만 PAPR 감소(reduction) 성능이 떨어진다는 문제가 있다.

이하, 종래의 반복 클리핑 및 필터링 기법의 원리 및 그 문제점을 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저 디지털 영역(digital domain)에서의 OFDM의 PAPR은 다음의 [수학식 1]과 같이 정의할 수 있다.

여기서,

은 시간 영역(time domain)에서의 OFDM 심볼(symbol), N은 서브캐리어(subcarrier) 숫자, L은 아날로그 영역(analog domain)에서의 PAPR과 근소한 값을 맞추기 위한 오버샘플링 요소(oversampling factor)로서 통상 L=4이다.

OFDM 신호의 CR(Clipping Ratio)은 다음의 [수학식 2]와 같이 정의할 수 있다.

여기서,

는 클리핑 이후의 최대 진폭(신호 크기)(amplitude),

는 원(original) OFDM 신호의 평균 진폭(amplitude)을 나타낸다. 그리고 클리핑 비율(CR) 및

는 "고정"된 값을 가진다. 특히,

는 OFDM 변조부로부터 입력된 OFDM 신호(송신신호)를 통하여 구한 값이며, 이는 클리핑 및 필터링 과정이 반복되더라도 동일한 값이 적용된다.

종래의 클리핑 기법은 다음의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

은 클리핑 시스템(클리핑 처리부)의 입력신호,

은 출력신호,

는 입력신호의 위상(phase)이다.

이하, 도 1을 참조하여 종래의 OFDM 신호의 PAPR 감소 장치(10)를 상세히 설명하면 다음과 같다.

클리핑 비율(CR)은 클리핑 임계치(Clipping Threshold)에 해당하는 것으로서, 위의 [수학식 2]와 같이 표현되는데, 이러한 클리핑 비율(CR)은 시스템 설계자(system designer)가 정한 값으로 고정되어 있다.

OFDM 변조부가 입력 심볼에 대하여 OFDM 변조를 수행하면 그 결과는 클리핑 조절부(11)로 입력되고, 또한 스위치1(SW1)의 스위칭 동작에 따라 클리핑부(121)로 입력된다.

클리핑부(121)는 클리핑 조절부(11)에서 설정된 클리핑 비율(CR)을 기준으로 하여 OFDM 신호에 대하여 클리핑을 시행하고, 필터링부(122)는 인접채널로의 스펙트럼 침식 현상을 줄이기 위해 필터링을 실시한다.

필터링 이후에는 PAPR 재증가(regrowth) 현상이 있으므로, 이를 방지하기 위해서 클리핑 및 필터링을 반복시행하는데, 그 반복시행횟수도 복잡도(complexity), 지연(delay) 등을 고려해서 시스템 설계자가 정한다.

필터링부(122)가 수행된 후 스위치1(SW1) 및 스위치2(SW2)가 아래로 스위칭 되면, 클리핑/필터링된 신호가 클리핑부(121)로 피드백된다. 그에 따라, 클리핑부(121) 및 필터링부(122)가 다시 동작하는데, 이 경우에도 클리핑 비율(CR)은 원래 설정(setting)된 값(고정값)이 적용된다. 시스템 설계자에 의하여 설정된 반복 횟수만큼 반복되면 스위치 2(SW2)는 위로 스위칭함으로써 신호를 전송한다.

다음으로, 반복(iteration) 횟수와 클리핑 정도(clipped amplitude)의 관계를 살펴보면, 도 2a, 도 2b와 같다. 여기서, 도 2a는 CR=3dB의 경우, 도 2b는 CR=6dB의 경우를 나타낸다.

예를 들어, N=64, L=4의 경우, 도 2a(CR=3dB의 경우) 및 도 2b(6dB의 경우)에 도시된 바와 같이, 은 신호의 동일한 샘플 포인트(sample point)가 각각의 반복(iteration)의 경우마다 반복적으로 클리핑이 되는데, 그 반복이 진행될수록(반복 횟수가 증가할수록) 더 적은 부분(portion)이 클리핑되어 PAPR 감소(reduction) 성능이 떨어진다는 문제점이 있다. 여기서, 중요한 점은 매 반복(iteration)의 경우마다 동일한 복잡도(complexity)를 요구하지만 성능은 동일하지 않다는 것이다.

이러한 종래의 반복 클리핑 및 필터링 기법의 문제를 해결하기 위해서는 [수학식 2]에 정의된 클리핑 비율(CR)의 요소(component)를 매 반복마다 조건에 따라 변환시켜줄 수 있는 새로운 클리핑 임계치를 적용할 필요성이 절실히 요구된다.

상기와 같은 종래기술은 반복 클리핑 및 필터링(Iterative Clipping and Filtering) 기법을 적용함에 있어서 "고정된" 클리핑 임계치를 사용함으로써 OFDM 신호의 동일한 샘플 포인트의 반복적 클리핑을 야기하고, 이로 인하여 클리핑/필터링의 지연과 PAPR 감소 성능 저하를 일으킨다는 문제점이 있으며, 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 클리핑 및 필터링 과정이 반복 수행될 때마다 해당 반복 단계에서의 클리핑/필터링 결과에 기초하여 다음 단계에서의 클리핑 임계치를 재설정하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 클리핑 및 필터링 과정이 반복 수행될 때마다 해당 반복 단계에서 출력되는 신호의 평균 전력에 기초하여 클리핑 임계치를 재설정하는 것을 특징으로 한다.

더욱 구체적으로, 본 발명은, OFDM 신호의 최대전력 대 평균전력 비(PAPR)를 감소시키는 장치에 있어서, OFDM 송신 신호를 클리핑하기 위한 클리핑 수단; 상기 클리핑된 신호를 필터링하기 위한 필터링 수단; 및 상기 클리핑 수단에 클리핑 임계치를 제공하되, 상기 클리핑 및 필터링이 반복 수행될 때마다 상기 필터링 수단의 출력신호를 이용하여 상기 클리핑 임계치를 재설정하기 위한 동적 클리핑 조절 수단을 포함한다.

상기와 같은 본 발명은, 반복적으로 클리핑을 시행할 때마다 클리핑 임계치(Clipping Threshold)를 변경함으로써, 기존의 반복 클리핑 및 필터링 기법에 비하여 비선형 왜곡(nonlinear distortion) 감소, 셀 경계(cell edge)에서의 처리량(throughput) 증대, 높은 송신전력 효율(Tx power efficiency) 등을 보장할 수 있으며, 이로 인하여 OFDM 송신 시스템의 성능을 현저히 향상시키는 효과가 있다.

즉, 본 발명은, 더 적은 클리핑 및 필터링 반복으로도 더욱 개선된 PAPR 감소(reduction) 성능을 제공하는 효과가 있다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 동적 클리핑을 이용하여 OFDM 신호의 PAPR을 감소시키는 장치의 일실시예 구성도이다.

종래 기술에서는 [수학식 2]와 같이, OFDM 변조부로부터 입력된 OFDM 신호(송신신호)와 시스템 설계자(system designer)에 의하여 설정된 클리핑 비율에 따라 클리핑 임계치가 한 번 결정되면, 클리핑 및 필터링이 반복적으로 수행되는 동안에도 동일한 클리핑 임계치가 적용된다. 하지만, 본 발명은 클리핑이 반복될 때마다 "재설정된 클리핑 임계치"를 적용하는 것을 특징으로 한다.

OFDM 변조부(30)가 입력 심볼에 대하여 OFDM 변조를 수행하면 그 결과는 동적 클리핑 조절부(31)로 입력되고, 또한 스위치1(SW1)의 스위칭 동작에 따라 클리핑부(321)로도 입력된다.

그러면, 클리핑부(321)는 동적 클리핑 조절부(31)에서 설정된(또는 재설정된) 클리핑 임계치를 기준으로 하여 OFDM 신호에 대하여 클리핑을 시행하고, 필터링부(322)는 인접채널로의 스펙트럼 침식 현상을 줄이기 위해 필터링을 실시한다.

필터링 이후에는 PAPR 재증가(regrowth) 현상이 있으므로, 이를 방지하기 위해서 클리핑 및 필터링을 반복 시행하는데, 그 반복시행(반복수행) 횟수는 복잡도(complexity), 지연(delay) 등에 기초하여 정해진다.

필터링부(322)가 수행된 후 스위치 1(SW1) 및 스위치2(SW2)가 아래로 스위칭 되면, 클리핑/필터링된 신호가 클리핑부(321)로 피드백된다. 그에 따라, 클리핑부(321) 및 필터링부(322)가 다시 동작(반복 동작)하는데, 이 경우 클리핑부(321)는 클리핑할 때마다 「동적 클리핑 조절부(31)에서 새로이 설정된 클리핑 임계치」를 적용한다.

시스템 설계자에 의하여 설정된 반복 횟수만큼 클리핑/필터링이 반복되면, 스위치 2(SW2)는 위로 스위칭함으로써 필터링부(322)의 출력신호를 다음 단으로 전송한다.

이하, 동적 클리핑 조절부(31)가 클리핑 임계치를 동적으로/적응적으로 설정하는 과정을 상세히 설명하기로 한다.

동적 클리핑 조절부(31)는 클리핑부(321) 및 필터링부(322)가 반복 수행될 때마다 필터링부(322)에서 필터링된 신호에 대하여 평균 진폭(average amplitude)을 다시 구하고, 그를 이용해 클리핑 임계치를 재설정(변경)하여 다음의 클리핑/필 터링 과정에 반영한다. 즉, 스위치 3(SW3)이 오른쪽으로 스위칭함에 따라, 동적 클리핑 조절부(31)는 필터링부(322)의 출력 신호에 대하여 평균 진폭(average amplitude)을 다시 구하고 그 새로이 구한 평균 진폭을 기준으로 최대진폭(maximum amplitude)을 새로이 설정한다. 이렇게 새로이 설정한 최대 진폭이 "클리핑 임계치"가 되는 것이다.

본 발명에 따라 새로이 정의되는 클리핑 비율[CR_e(k)]은 다음의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, k는 반복 단계(Iteration stage)를 나타낸다. 즉, 각 반복 시행의 경우마다 다른 클리핑 비율(CR)의 요소(component)를 사용한다는 것이다.

예를 들어, 첫 번째 클리핑을 시행하면, 그 클리핑 시행 후의

는 원래(original) 신호의 평균 진폭(average amplitude)보다 더 작아진다. 통상적으로는 클리핑 비율(CR)은 고정되어 있는데, 이런 경우에는

의 감소에 따라

의 크기(진폭)도 감소하기 때문에 결국 더욱 효과적인 PAPR 감소(reduction) 효과가 발휘된다.

최초 클리핑에 적용되는 클리핑 임계치는 OFDM 신호(OFDM 변조부의 출력 신 호)로부터 구한 평균 진폭을 이용하여 구하고, 두 번째 클리핑 이후에 적용되는 클리핑 임계치는 클리핑 및 필터링부(32)의 출력 신호로부터 구한 평균 진폭을 이용하여 구한다. 여기서, 클리핑 임계치를 구하는 과정을 살펴보면, 클리핑 비율이 일정한 값(고정 값)이기 때문에 특정한 평균 진폭에 대한 최대 진폭은 [수학식 4]로부터 구할 수 있는데, 이렇게 구한 "최대 진폭"이 클리핑 임계치에 해당하는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 동적 클리핑을 이용하여 OFDM 신호의 PAPR을 감소시키는 방법에 대한 일실시예 흐름도로서, 도 3의 PAPR 감소 장치(30)에서 적용되는 방법을 나타낸다.

PAPR 감소 장치(30)는 OFDM 송신신호를 초기 클리핑 임계치를 기준으로 클리핑 및 필터링 과정을 수행한다(400).

그리고 나서, 클리핑 및 필터링 과정이 수행된 OFDM 신호에 대한 평균 진폭을 측정하고(402), 그 측정된 평균 진폭에 기초하여 클리핑 임계치를 재설정한 후(404), 그 재설정된 클리핑 임계치를 기준으로 클리핑 및 필터링 과정을 재수행한다(406).

수행(재수행)된 클리핑 및 필터링 과정이 기설정된 반복횟수(반복 수행 횟수) 범위 내인지를 확인하여(408), 반복 횟수 범위 내이면 "402"로 피드백한다. 그에 따라 "402" 내지 "406" 과정이 반복된다.

한편, 반복 횟수 범위를 넘으면 현재까지 반복적으로 수행된 클리핑 및 필터 링 결과를 다음 단으로 전송한다(410).

도 5a 및 도 5b는 종래기술과 본 발명의 PAPR 감소 성능에 대한 비교설명도로서, 서브캐리어(subcarrier) 숫자(N)=64, 오버샘플링 요소(oversampling factor)(L)=4를 사용하여 클리핑 비율(CR)=3dB 또는 6dB일 경우를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.

도 5a는 클리핑 비율(CR)=3dB인 경우를 나타내고, 도 5b는 클리핑 비율(CR)=6dB인 경우를 나타내며, 도 5a 및 도 5b에서 "Iteration"은 종래 기술을 나타내고, "Iteration(E)"는 본 발명을 나타낸다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 종래 기술에 비해서 현저히 좋은 성능을 보인다. 즉, 본 발명은 전송모뎀의 성능을 획기적으로 향상시켜 전력 절감(power saving), 셀 경계 처리량(cell edge throughput) 향상 등을 달성할 수 있다.

한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

도 1은 종래의 OFDM 신호의 PAPR을 감소시키는 장치의 구성도,

도 2a 및 도 2b의 종래의 반복 클리핑 및 필터링 기법에서 반복 횟수와 클리핑 정도와의 관계에 대한 설명도,

도 3은 본 발명에 따른 동적 클리핑을 이용하여 OFDM 신호의 PAPR을 감소시키는 장치의 일실시예 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 동적 클리핑을 이용하여 OFDM 신호의 PAPR을 감소시키는 방법에 대한 일실시예 흐름도,

도 5a 및 도 5b는 종래기술과 본 발명의 PAPR 감소 성능에 대한 비교설명도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명

30: PAPR 감소 장치 31: 동적 클리핑 조절부

32: 클리핑 및 필터링부 321: 클리핑부

322: 필터링부

Claims (5)

1. 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 신호의 최대전력 대 평균전력 비(PAPR)를 감소시키는 장치에 있어서,

   OFDM 송신 신호를 클리핑하기 위한 클리핑 수단;

   상기 클리핑된 신호를 필터링하기 위한 필터링 수단; 및

   상기 클리핑 수단에 클리핑 임계치를 제공하되, 상기 클리핑 및 필터링이 반복 수행될 때마다 상기 필터링 수단의 출력신호를 이용하여 상기 클리핑 임계치를 재설정하기 위한 동적 클리핑 조절 수단

   을 포함하는 PAPR 감소 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 동적 클리핑 조절 수단은,

   상기 필터링 수단의 출력신호의 평균 진폭에 기초하여 상기 클리핑 임계치를 재설정하는 PAPR 감소 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 클리핑 조절 수단은,

   상기 필터링 수단의 출력신호에 대한 평균 진폭을 측정하고, 상기 평균 진폭에 대하여 소정의 클리핑 비율(CR)을 유지할 수 있게 하는 최대 진폭을 상기 클리핑 임계치로 재설정하는 PAPR 감소 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 클리핑 조절 수단은,

   최초 클리핑에 대해서는 상기 OFDM 송신 신호의 평균진폭에 기초하여 상기 클리핑 임계치를 설정하여 제공하는 PAPR 감소 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 클리핑 수단 및 상기 필터링 수단은,

   소정의 반복 횟수 범위 내에서 클리핑 및 필터링을 반복 수행하는 PAPR 감소 장치.

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