KR101084144B1

KR101084144B1 - Ｏｆｄｍ 또는 ｏｆｄｍａ 통신 시스템에서의 첨두전력 대평균전력비 개선 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR101084144B1
Application number: KR1020050106914A
Authority: KR
Inventors: 권영현; 윤영우; 한승희; 노민석
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2011-11-17
Also published as: CN101682446B; WO2007055518A2; WO2007055518A3; US20090304108A1; CN101682446A; US8009764B2; EP1955461A4; JP2009516945A; EP1955461A2; KR20070049773A

Abstract

본 발명은 OFDM 또는 OFDMA 통신 시스템에서 첨두전력 대 평균전력비(Peak Power to Average Power Ratio; PAPR)을 개선하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 첨두전력 대 평균전력비 개선 장치는, OFDM 또는 OFDMA 방식 통신 시스템에서 첨두전력 대 평균전력비를 개선시키기 위한 송신 장치에 있어서, 주파수영역에서 시간영역으로 변환된 적어도 하나 이상의 데이터열 각각에 대하여 적용될 순환 이동 정보에 따라 상기 적어도 하나 이상의 데이터열을 순환 이동시켜 출력시키는 순환 이동 모듈과, 상기 순환 이동 모듈로부터 출력된 각 데이터열을 결합하는 결합 모듈과, 상기 결합 모듈에 의해 결합된 전체 데이터열의 첨두전력 대 평균전력비를 산출하는 PAPR 산출 모듈을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

OFDM, PAPR, 순환 이동, IFFT, PTS

Description

ＯＦＤＭ 또는 ＯＦＤＭＡ 통신 시스템에서의 첨두전력 대 평균전력비 개선 방법 및 그 장치{Method and apparatus for improving PAPR in OFDM or OFDMA communications system}

도1은 종래기술에 따른 주파수 영역에서 PAPR를 개선시키는 방법을 설명하기 위한 도면임.

도2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 PAPR 개선을 위한 송신 장치의 블록 구성도임.

도3은 도2의 최적 PAPR 선택 및 데이터 출력 모듈의 세부 구성도임.

도4는 종래기술과 본 발명의 효과를 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프임.

본 발명은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 또는 OFDMA 통신 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 OFDM 또는 OFDMA 통신 시스템에서 첨두전력 대 평균전력비(Peak Power to Average Power Ratio; PAPR)을 개선하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

OFDM 기법은 유/무선 통신 분야에서 널리 사용되는 기법이다. 현재 코드분할다중접속(Code division multiple access; CDMA)기법과 함께 통신 분야에서 가장 많이 논의되는 기법이며, OFDM과 CDMA 둘 다 PAPR이 다른 통신 시스템에 비해 좋지 않다는 문제를 가지고 있다. PAPR은 송신기의 출력 증폭기의 성능을 좌우하게 되는데, PAPR이 크게 되면 출력 증폭기의 선형 구간이 그만큼 넓어야 한다는 것을 의미하고 이는 비효율적인 통신이 됨을 의미한다.

PAPR은 CDMA 시스템보다는 OFDM 시스템에서 그 중요성이 더욱 크다. 그 이유는 다음과 같다. CDMA 시스템의 경우 단순히 각 사용자 신호들을 시간 영역에서 합산하여 보내기 때문에 각 사용자의 신호를 시간 영역에서 간단히 조작함으로써 전달 가능하다. 반면, OFDM 시스템의 경우는 사용자의 데이터가 주파수 영역에 존재하게 되고 시간 영역에서의 PAPR을 구하기 위해서는 주파수 영역과 시간 영역 간의 변환 작업을 수행해주어야 하는 문제가 있다. 즉, OFDM 시스템에서 PAPR 개선 기법으로 다양한 후보 코드나 후보 기법들을 적용하여 PAPR이 최소가 되는 것을 선택하는 과정에서 적용 회수에 비례하여 영역 변환 작업이 수행되어야 하기 때문에 시스템 복잡도가 매우 증가할 수 있다.

종래기술에 있어서 PAPR의 개선 기법은 주파수 영역에서의 개선 기법과 시간 영역에서의 개선 기법으로 분류할 수 있다. 주파수 영역에서의 개선 기법으로는 위상 무작위화(phase randomization) 기법 및 SLM(selective mapping) 기법 등이 있으며, 시간 영역에서의 개선 기법으로 대표적인 것이 PTS(partial transmit sequence) 기법이다.

도1은 종래기술에 따른 주파수 영역에서 PAPR를 개선시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다. OFDM 시스템에서 전송되어야 데이터 벡터를

라 하면, 시간 영역에서 전송되는 신호는 수학식 1과 같이 역푸리에 변환(IFFT)를 통해서 얻을 수 있다.

, 여기서, 는 푸리에 변환 행렬이다. 벡터 가 반송 주파수로 변조되어 안테나를 통해서 전송될 신호이다. 상기 송신 신호 벡터 의 절대값의 변화가 PAPR로 나타나게 된다. PAPR은 다음의 수학식 2와 같이 정의된다.

수학식 2에서 알 수 있는 바와 같이, 벡터의 성분 중에 하나라도 비 정상적으로 큰 값을 가지게 되면 PAPR이 커지게 되고 신호의 특성이 좋지 않게 된다. 이를 개선하기 위해서 주파수 영역에서 사용하는 방법은 다음의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.

, 여기서, 는 의 각 데이터 성분의 위성 성분을 변화시키는(위상 천이) 행렬이고 는 데이터 성분의 순서를 바꾸는(위치 퍼뮤테이션) 역할을 하는 행렬이다. (도1의 위상 천이 및 위치 퍼뮤테이션 블록)

종래기술에 따른 주파수 영역에서의 PAPR 개선 기법에서는 수학식 3에 따라 PAPR을 감쇄시키기 위하여 여러 가지 조합의

와

를 사용해서 시간 영역의 신호를 다 구해보고, 그 중에서 가장 성능이 좋은 것을 찾는다. 따라서, PAPR 개선을 주파수 영역에서 수행하려면 여러 가지 조합의

와

에 대한 PAPR을 구하기 위해서 언제나 N-크기 IFFT를 사용해야 되고, 그때마다

의 복잡도가 추가되는 문제점이 있다.

상기한 바와 같이 주파수 영역에서 데이터를 변경시킨 다음 시간영역 변환을 통해서 성능 개선을 시키는 방법과 달리 시간 영역에서 바로 PAPR을 개선시킬 수 있는 방법이 PTS 기법이다. PTS 기법에서는 주파수 영역에서 데이터 심볼을 변경하지 않고, 데이터 심볼들을 일정한 그룹으로 그룹핑한 다음 그룹별로 시간 영역으로 변환한다. 그 후에 변환된 시간 영역의 심볼들을 하나로 합하기 전에 각 심볼에 서로 다른 위상 패턴을 곱한 후에 다시 합하는 방식을 취한다. PTS 기법은 각 심볼에 서로 다른 위상 패턴을 곱하는 과정이 필요하기 때문에 시스템의 구현상의 복잡도를 증가시킬 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 OFDM 또는 OFDMA 방식 통신 시스템에서 복잡도를 감소 시킬 수 있는 첨두전력 대 평균전력비 개선 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 OFDM 또는 OFDMA 방식 통신 시스템에서 구현상의 편의성을 제고할 수 있는 첨두전력 대 평균전력비 개선 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양상으로서, 본 발명에 따른 첨두전력 대 평균전력비 개선 방법은, OFDM 또는 OFDMA 방식 통신 시스템에서 첨두전력 대 평균전력비(PAPR: Peak Power to Average Power Ratio)의 개선 방법에 있어서, 주파수영역에서 시간영역으로 변환된 적어도 하나 이상의 데이터열 각각에 대하여 적용될 순환 이동 정보에 따라 상기 적어도 하나 이상의 데이터열을 순환 이동시켜 출력시키는 제1단계와, 상기 제1단계에서 출력된 각 데이터열을 결합하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 결합된 전체 데이터열의 첨두전력 대 평균전력비를 산출하는 제3단계와, 상기 순환 이동 정보를 달리하여 상기 제1단계 내지 제3단계를 적어도 1회 이상 반복하여 얻어진 첨두전력 대 평균전력비 값들 중 선택된 특정 첨두전력 대 평균전력비에 해당되는 전체 데이터열을 출력하는 제4단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 양상으로서, 본 발명에 따른 첨두전력 대 평균전력비 개선 장치는, OFDM 또는 OFDMA 방식 통신 시스템에서 첨두전력 대 평균전력비를 개선시키기 위한 송신 장치에 있어서, 주파수영역에서 시간영역으로 변환된 적어도 하나 이상의 데이터열 각각에 대하여 적용될 순환 이동 정보에 따라 상기 적어도 하나 이상의 데이터열을 순환 이동시켜 출력시키는 순환 이동 모듈과, 상기 순환 이동 모듈로부터 출력된 각 데이터열을 결합하는 결합 모듈과, 상기 결합 모듈에 의해 결합된 전체 데이터열의 첨두전력 대 평균전력비를 산출하는 PAPR 산출 모듈을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의해 본 발명의 구성, 작용 및 다른 특징들이 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 도2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 PAPR 개선을 위한 송신 장치의 블록 구성도이다.

도2를 참조하면, 상기 송신 장치는 S/P 변환 모듈(30)과, IFFT 변환 모듈(40)과, P/S 변환 모듈(50) 및 최적 PAPR 선택 및 데이터 출력 모듈(60)을 포함하여 이루어진다.

상기 S/P 변환 모듈(30)은 직렬 입력 데이터 벡터인

를 다수의 그룹으로 분할된 병렬 데이터로 만든 후에 각 그룹에 잉여 비트들(redundant bits)들을 필요한 위치에 추가하여 그룹별로 출력한다. 그룹별로 분할된 데이터 심볼은 수학식 4에서처럼 G 개의 벡터를 구성한다.

, 여기서, G는 그룹의 개수임.

상기 S/P 변환 모듈(30)에 의해 잉여 비트들이 추가된 각 그룹별 데이터 벡터

(k=1,..., G)는 다음의 수학식 5와 같이 주어질 수 있다.

다른 방법으로, 상기 S/P 변환 모듈(30)은 잉여 비트들이 추가되지 않은 수학식 4에서의 각 그룹별 병렬 데이터열을 그대로 출력하는 방식도 가능하다.

상기 IFFT 변환 모듈(40)은 상기 S/P 변환 모듈(40)에 의해 출력되는 각 그룹별 데이터 벡터를 역 푸리에 변환(IFFT: Inverse Fast Fourier Transform)에 의해 시간 영역으로 변환하여 각각

(k=1,..., G) 신호를 생성한다. 상기 P/S 변환 모듈(50)은 상기 IFFT 변환 모듈(40)에 의해 IFFT 변환된 각 그룹별 병렬 데이터열을 직렬로 변환하여 출력한다.

상기 최적 PAPR 선택 및 데이터 출력 모듈(60)은 상기 P/S 변환 모듈(50)에 의해 직렬 데이터열로 변환된 각 그룹별 데이터열을 이용하여 최적의 PAPR에 대응하는 전체 데이터열을 출력한다. 도3은 상기 최적 PAPR 선택 및 데이터 출력 모듈(60)의 세부 구성도이다.

도3을 참조하면, 상기 최적 PAPR 선택 및 데이터 출력 모듈(60)은 순환 이동 모듈(61)과, 합산 모듈(62)과, PAPR 산출 모듈(63)과, 데이터 출력 모듈(74) 및 제어 모듈(65)을 포함하여 구성된다.

상기 순환 이동 모듈(61)은 상기 제어 모듈(65)로부터 입력받은 순환 이동 정보(

)에 따라 상기 P/S 변환 모듈(50)에 의해 직렬 데이터열로 변환된 각 그룹별 데이터열을 순환 이동시켜 출력한다. 상기 순환 이동 정보(

)는 각 그룹별 데 이터열이 순환 이동되어야 할 간격에 관한 정보로서, 다음의 수학식 6과 같이 표시될 수 있다.

예를 들어, k 번째 그룹의 데이터열

를 순환 이동 정보

만큼 순환 이동시키면

이 된다.

상기 순환 이동 모듈(61)은 상기 P/S 변환 모듈(50)에 의해 직렬 데이터열로 변환된 각 그룹별 데이터열을 메모리에 저장했다가 상기 제어 모듈(65)로부터 입력되는 순환 이동 정보에 따라 순서를 바꾸어 출력하는 간단한 구조에 의해 구현될 수 있다.

상기 결합 모듈(62)는 상기 순환 이동 모듈(61)로부터 출력된 각 그룹별 데이터열을 합산하여 결합한다. 합산된 전체 데이터열은 다음의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.

상기 PAPR 산출 모듈(63)은 상기 결합 모듈(62)에 의해 결합된 전체 데이터열의 첨두전력 대 평균전력비(PAPR)를 산출한다. PAPR은 수학식 2를 포함한 공지된 다양한 방법에 의해 산출될 수 있다.

상기 제어 모듈(65)은, 상기한 바와 같이, 상기 순환 이동 모듈(61)에 상기 순환 이동 정보(

)를 제공한다. 상기 제어 모듈(65)이 상기 순환 이동 모듈(61)에 순환 이동 정보를 제공할 때, 상기 PAPR 산출 모듈(63)에 의해 산출된 PAPR을 참조하여 더 좋은 PAPR이 산출될 수 있는 순환 이동 정보를 제공하고, 최적의 PAPR이 선택되었다고 판단될 때까지 다수회에 걸쳐 서로 다른 순환 이동 정보를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제어 모듈(65)은 다수의 PAPR 산출값들 중에서 최적의 PAPR을 선택하거나 상기 데이터 출력 모듈(64)로 하여금 상기 최적의 PAPR에 대응하는 전체 데이터열을 출력하는 등 상기 최적 PAPR 선택 및 데이터 출력 모듈(60) 전체 동작을 제어할 수 있다.

상기 데이터 출력 모듈(60)은 서로 다른 적어도 둘 이상의 순환 이동 정보에 따라 상기 PAPR 산출 모듈(63)에 의해 산출된 PAPR 값들 중 선택된 특정 PAPR에 해당되는 전체 데이터열(

)을 출력한다. 상기 특정 PAPR로는 상기 PAPR 산출 모듈(63)에 의해 산출된 상기 PAPR 값들 중에서 가장 작은 값을 선택하는 것이 바람직하다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

본 발명에 따르면 OFDM 또는 OFDMA 통신 시스템에서 PAPR을 개선을 위하여 데이터열에 위상성분을 곱할 필요가 없어 구현상 용이하고, 시간영역에서의 동작에 의한 PAPR의 개선이 가능하여 영역간 변환이 필요 없어 복잡도를 줄일 수 있는 효과가 있다.

시뮬레이션 결과 PAPR 개선 효과는 같은 정도의 오버헤드를 가지는 다른 기법과 유사한 성능을 얻을 수 있음이 입증되었다. 도4는 종래기술과 본 발명의 효과를 비교하기 위한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다. 도4에서, 종래기술 1은 데이터 처리 과정을 거치지 않고 위상성분을 곱하는 방법에 의한 PAPR 기법이고, 종래기술 2는 주파수 영역에서 CAZAC(constant amplitude zero autocorrelation) 시퀀스를 이용하여 위상 변화를 주는 방법에 의한 PAPR 기법이다. OFDM의 심볼 크기는 N=128,256,512,1024 일 경우로 하였다. 도4에서 알 수 있는 바와 같이, 종래기술과 본 발명의 성능 차가 거의 없음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은 영역변환이나 위상성분 곱하기 등과 같은 계산을 수행하지 않고도 같은 성능을 얻을 수 있는 기법임이 입증되었다.

Claims

OFDM 또는 OFDMA 방식 통신 시스템에서 첨두전력 대 평균전력비(PAPR: Peak Power to Average Power Ratio)를 감소하는 방법에 있어서,

주파수영역으로부터 시간영역으로 변환된 2 이상의 데이터열 각각에 대하여 적용될 순환 이동 정보에 따라 상기 2 이상의 데이터열을 순환 이동시켜 출력하는 제1단계;

상기 제1단계에서 순환 이동된 2 이상의 데이터열을 결합하여 전체 데이터 열을 출력하는 제2단계;

상기 제2단계에서 결합된 전체 데이터열의 첨두전력 대 평균전력비를 산출하는 제3단계; 및

상기 순환 이동 정보를 달리하여 상기 제1단계 내지 제3단계를 적어도 1회 이상 반복하여 얻어진 첨두전력 대 평균전력비 값들 중 선택된 최소의 첨두전력 대 평균전력비에 해당되는 전체 데이터열을 출력하는 제4단계를 포함하는 첨두전력 대 평균전력비 감소 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1단계는,

상기 주파수영역으로부터 시간영역으로 변환된 2 이상의 데이터열 각각을 저장하는 단계와;

상기 저장된 2 이상의 데이터열 각각을 상기 순환 이동 정보에 따라 출력시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 첨두전력 대 평균전력비 감소 방법.
제1항에 있어서,

상기 제2단계에서,

상기 순환 이동된 2 이상의 데이터열 각각의 대응하는 심볼을 합산(summation)하여 상기 전체 데이터 열을 출력하는 것을 특징으로 하는 첨두전력 대 평균전력비 감소 방법.
제1항에 있어서,

상기 2 이상의 데이터열 각각은 직렬 데이터열로 변환된 것을 특징으로 하는 첨두전력 대 평균전력비 감소 방법.
OFDM 또는 OFDMA 방식 통신 시스템에서 첨두전력 대 평균전력비를 감소시키기 위한 장치에 있어서,

주파수영역으로부터 시간영역으로 변환된 2 이상의 데이터열 각각에 대하여 적용될 순환 이동 정보에 따라 상기 2 이상의 데이터열을 순환 이동시켜 출력하는 순환 이동 모듈;

상기 순환 이동 모듈에서 출력된 순환 이동된 2 이상의 데이터열을 결합하여 전체 데이터 열을 출력하는 결합 모듈;

상기 결합 모듈에서 출력된 전체 데이터열의 첨두전력 대 평균전력비를 산출하는 첨두전력 대 평균전력비 산출 모듈; 및

상기 순환 이동 정보를 달리하여 상기 첨두전력 대 평균전력비 산출 모듈에 의해서 산출된 복수의 첨두전력 대 평균전력비 값들 중에서 선택된 최소의 첨두전력 대 평균전력비에 해당되는 전체 데이터열을 출력하는 데이터 출력 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 첨두전력 대 평균전력비 감소 장치.
제5항에 있어서,

상기 순환 이동 모듈에 상기 순환 이동 정보를 제공하는 제어 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 첨두전력 대 평균전력비 감소 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 순환 이동 모듈은,

상기 주파수영역으로부터 시간영역으로 변환된 2 이상의 데이터열 각각을 저장하는 메모리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 첨두전력 대 평균전력비 감소 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 결합 모듈은 상기 순환 이동된 2 이상의 데이터열 각각의 대응하는 심볼을 합산하여 상기 전체 데이터 열을 출력하는 것을 특징으로 하는 첨두전력 대 평균전력비 감소 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 2 이상의 데이터열 각각은 직렬 데이터열로 변환된 것을 특징으로 하는 첨두전력 대 평균전력비 감소 장치.
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