KR101087503B1 - 평균 참조 신호를 이용하는 차동 초광대역 통신 시스템 및 그 방법 - Google Patents

평균 참조 신호를 이용하는 차동 초광대역 통신 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 TR (Transmitted Reference)-타입의 임펄스 라디오 초광대역 (Ultra Wide Band; UWB) 시스템의 복잡도, 성능, 데이터 전송률 등을 모두 고려하기 위해 D-ATR (Differential -Average Transmitted Reference) UWB 시스템을 제안한다. 본 발명은 TR 방식을 기반으로 하므로 Coherent UWB 시스템과 같이 복잡한 채널 추정 절차가 요구되지 않으므로 시스템의 복잡도가 크지 않다. 또한, 본 발명은 본래 TR UWB 시스템에서 발생하는 전송률을 손실을 극복하기 위해 차동 부호화 (Differential Coding)를 사용한다. 이와 더불어, 본 발명은 수신기에서 검출된 비트와 참조 비트를 이용하여 수신 신호를 재귀적으로 평균을 취하여 데이터 복조시 이용되는 참조 템플릿 (Reference Template)의 신호대잡음비 (Signal-to-Noise Ratio)를 향상시키기 때문에 비트오율 (Bit Error Rate) 성능을 효과적으로 향상시키는 것이 가능하게 된다.
송수신장치, TR-타입 UWB, BER, 전송률, 통신시스템

Description

평균 참조 신호를 이용하는 차동 초광대역 통신 시스템 및 그 방법 {Differential ultra wide band communication system utilizing averaged reference signals and commumication method therein}
본 발명은 초광대역 통신 시스템 및 통신 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평균 참조신호를 이용한 초광대역 통신 시스템 및 통신 방법에 관한 것이다.
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삭제
2002년 4월 미국 연방통신위원회 (Federal Communication Commission; FCC)의 주파수 할당 및 상업화 승인 이후 임펄스 라디오 초광대역 (Impulse Radio Ultra Wide Band; UWB) 통신 기술에 대한 연구와 개발이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 특히 초고속 W-PAN (Wireless Personal Area Network)용 UWB 표준화를 담당하는 IEEE 802.15.3a와 더불어, 무선 측위 기능까지 수반하는 저속 저전력 W-PAN용 UWB 표준화 그룹인 IEEE 802.15.4a를 중심으로 관련 업체들이 경쟁적인 UWB 연구 개발 대열에 적극 참여하고 있는 상황이다.
연속적인 정현파를 사용하는 기존의 무선통신 시스템과는 달리, 전형적인 임펄스 라디오 (Impulse Radio) UWB 시스템 송신단에서는 1 nsec 내외의 매우 좁은 폭을 갖는 펄스 혹은 가우시안 모노사이클 펄스 (Gaussian Monocycle Pulse)를 단속적으로 전송한다. 이 때문에 IR-UWB 시스템은 수백 MHz～수 GHz의 대역에 걸쳐 매우 낮은 전력의 초광대역 특성 및 간섭 특성을 갖게 되고, 높은 채널 용량과 데이터 전송율을 지원하며 다중경로에 대한 세밀한 분해가 용이하므로 오차가 수십 cm 이내의 정밀한 무선측위가 가능해진다.
이들 장점에도 불구하고, UWB 수신기에서는 많은 수의 다중경로 성분과 AWGN에 의해 왜곡된 수신 UWB 신호를 재결합하는 것은 매우 어렵기 때문에 임펄스 라디오 기반의 UWB 시스템은 주어진 채널 환경에 상당히 민감하다고 할 수 있다. 또한, 수신된 UWB 신호의 순시적인 신호대잡음비 (Signal-to-Noise; SNR)는 각 비트 혹은 심벌에 따라 부가성 백색 잡음 (Additive White Gaussian Noise; AWGN)에 의해 랜덤하게 변화된다. 이러한 이유에 의해, 대부분의 UWB 수신기는 왜곡된 임펄스 신호를 효과적으로 결합하기 위한 높은 감도를 제공할 수 있는 Coherent Rake 형태의 복조기를 고용하고 있다. 이러한 Coherent UWB 수신기는 매우 정밀한 동기화 기법과 복잡한 Rake 형태의 수신 구조를 필수적으로 요구된다. 그러나, W-PAN의 적용 분야의 특성상 설계된 UWB 송수신기는 구현이 용이해야 하고 저가 저전력 특성을 제공하면서도, 다중경로 페이딩에 상당히 강인해야 된다.
이러한 요구사항에 근접한 방식으로 최근 TR (Transmitted Reference)-타입의 UWB 시스템이 주목 받고 있다. TR-타입의 UWB 시스템은 실제 UWB 응용제품의 구현을 위해 시스템의 BER 성능과 복잡도를 적절히 고려한 Semi-coherent 방식으로 알려져 있다. 이러한 TR-타입 UWB 시스템은 구조가 간단한 장점이 있지만 다음과 같은 단점이 존재한다. 첫째, 참조 펄스 (Reference Pulse)가 AWGN의 영향을 받으므로 시스템의 비트오율(Bit Error Rate : BER) 성능이 열화된다. 둘째, 참조 신호를 추가로 전송하기 때문에 데이터 전송률이 2배 감소한다. 첫 번째 문제를 해결하기 위한 방안으로는 수신 참조 펄스들을 평균 취하여 참조 템플릿 (Template)의 SNR를 향상시키는 ATR (Average TR) UWB 시스템이 소개되었다. 두 번째 단점을 극복하기 위한 방안으로는 송수신단에서 차동 부호화 (Differential Coding) 방식을 이용하는 D (Differential)-TR UWB 시스템이 제시되었다. 하지만, TR-타입 UWB 시스템에서 이들 두 가지 단점을 동시에 극복할 수 있는 방안은 아직까지 제안된 바 없다.
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이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 데이터 전송률의 감소 없이 BER 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 평균 참조 신호를 이용하는 차동 초광대역 통신 시스템 및 통신 방법을 제공함에 있다.
삭제
상기한 바와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제1 방법은; TR-타입 UWB 시스템의 송신단에서 데이터 전송률의 감소 없이 데이터를 전송하기 위해 D-TR UWB 시스템의 송신기를 포함한다.
상기한 바와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제2 방법은; TR-타입 UWB 시스템의 수신단에서 검출된 비트와 참조 비트를 이용하여 수신된 참조 신호를 재귀적으로 평균을 취함으로써 데이터 복조시 이용되는 참조 템플릿의 SNR를 향상시키는 과정을 포함한다.
또한 본 발명에 따른 TR-타입의 UWB 통신 시스템의 제1실시예는, 입력되는 메시지 비트와 상기 메시지 비트의 입력 이전에 차동부호화된 이전 비트에 대해 등가 연산을 수행하여 현재 비트를 출력하는 차동부호화기; 상기 현재 비트의 값의 레벨을 변경하여 출력하는 레벨 시프터; 및 UWB 펄스를 생성하여 출력하는 UWB 펄스 생성기;를 포함하며, 상기 레벨이 변경된 현재 비트의 값과 상기 메시지 비트의 입력 시간에서 데이터 심벌을 위한 프레임 구간에 대응하는 시간을 감한 시점에 상기 UWB 펄스 생성기로부터 출력되는 UWB 펄스를 곱하여 얻어진 송신 신호를 출력한다.
나아가 본 발명에 따른 TR-타입의 UWB 통신 시스템의 제2실시예는, 수신된 UWB 신호에 대해 대역통과 필터링을 수행하는 대역통과필터; 상기 대역통과 필터링이 수행된 UWB 신호와 이전 프레임에서 추정된 이전 참조 비트와 이전에 검출된 이전 비트에 대해 등가 연산을 수행하여 수신된 UWB 신호에 대응하는 현재 참조 비트를 추정하고, 상기 현재 참조 비트의 레벨을 변경한 후 다음의 수학식 A에 의해 상기 수신된 UWB 신호에 대응하는 참조 템플릿을 생성하는 참조 템플릿 개선기; 상기 대역통과 필터링이 수행된 UWB 신호와 상기 참조 템플릿의 상관결과를 출력하는 상관기; 및 상기 상관기의 출력을 복조하여 데이터 비트를 출력하는 검출기;를 구비한다.
[수학식 A]
Figure 112010059112687-pat00036

여기서, cj(t)는 시점 j에서의 참조 템플릿,
Figure 112010059112687-pat00037
는 신호의 입력 시간에서 데이터 심벌을 위한 프레임 구간에 대응하는 시간을 감한 시점에 수신된 신호에 대해 대역통과필터링을 수행한 이후의 수신 신호, k는 재귀적으로 평균을 취하는 프레임의 순서, 그리고
Figure 112010059112687-pat00038
는 레벨이 변경된 현재 참조 비트이다.
또한 TR-타입의 UWB 통신 방법의 일 실시예는, 수신된 UWB 신호에 대해 대역통과 필터링을 수행하는 단계; 상기 대역통과 필터링이 수행된 UWB 신호와 이전 프레임에서 추정된 이전 참조 비트와 이전에 검출된 이전 비트에 대해 등가 연산을 수행하여 수신된 UWB 신호에 대응하는 현재 참조 비트를 추정하고, 상기 현재 참조 비트의 레벨을 변경한 후 다음의 수학식 A에 의해 상기 수신된 UWB 신호에 대응하는 참조 템플릿을 생성하는 단계; 상기 대역통과 필터링이 수행된 UWB 신호와 상기 참조 템플릿의 상관결과를 출력하는 단계; 및 상기 상관결과를 복조하여 데이터 비트를 출력하는 단계;를 갖는다.
[수학식 A]
Figure 112010059112687-pat00039

여기서, cj(t)는 시점 j에서의 참조 템플릿,
Figure 112010059112687-pat00040
는 신호의 입력 시간에서 데이터 심벌을 위한 프레임 구간에 대응하는 시간을 감한 시점에 수신된 신호에 대해 대역통과필터링을 수행한 이후의 수신 신호, k는 재귀적으로 평균을 취하는 프레임의 순서, 그리고
Figure 112010059112687-pat00041
는 레벨이 변경된 현재 참조 비트이다.
바람직하게는, TR-타입의 UWB 통신 시스템의 제2실시예와 TR-타입의 UWB 통신 방법의 일 실시예에서 대역통과필터를 통과한 수신 신호
Figure 112010059112687-pat00042
는 다음의 수학식 B와 같이 표현된다.
[수학식 B]
Figure 112010059112687-pat00043

여기서, Es는 심벌 에너지이고,
Figure 112010059112687-pat00044
와
Figure 112010059112687-pat00045
는 각각 송신기의 UWB 펄스 생성기로부터 생성되는 UWB 펄스 및 AWGN 신호에 대해 대역통과필터링을 수행한 결과, L은 다중경로 성분의 수를 나타내며, αl은 l번째 경로의 신호 크기, Tf는 각 데이터 심벌을 위한 프레임 구간, τl은 (τ0+iTm)으로 표현되는 l번째 경로의 시간 지연(이때, Tm은 다중경로 성분을 분해할 수 있는 최소 시간이고, τ0는 송신기와 수신기 사이의 거리로 인한 전송 시간 지연으로 전체 프레임 구간 내에서 균일하게 분포하는 것으로 가정), 그리고 ej는 송신기의 차동 부호화 및 레벨 시프터로부터 산출되는 데이터 심벌이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 TR-타입의 UWB 시스템에서 시스템의 전송률 감소 없이 효과적으로 BER 성능을 향상시킬 수 있는 장치 및 방법이므로, 이 장치 및 방법을 사용하는 UWB 기기는 전송률 감소 없이 보다 향상된 BER 성능을 제공할 수 있게 되고, 열악한 환경에서도 상당히 높은 신뢰도의 무선 데이터 전송을 가능하게 한다.
이러한 점은 송수신기 사이의 거리 등 사용자 환경을 비롯하여 사용되는 기기에 따라 시스템의 성능이 상당히 민감한 UWB 시스템을 고려해 볼 때, UWB 관련 산업체에서는 도입 및 사용 가능성이 매우 높아 그 가치는 상당히 높을 것으로 기대할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 동작을 이해하는데 필요한 부분만을 설명하며 그 이외의 배경 기술은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략한다.
본 발명은 TR-타입 UWB 시스템을 위한 평균 참조 신호를 이용하는 차동 초광 대역 시스템 장치 및 방법 제안하는 것이므로, 이를 송수신단 신호처리와 제안된 평균 참조 신호를 이용하는 차동 초광대역 시스템 장치 및 방법의 절차를 설명한다.
본 발명에서는 TR-타입 UWB 시스템의 데이터 전송률을 고려하기 위하여 D-TR UWB 시스템의 송신기를 고려한다. 차동 부호화기(102)와 레벨 시프터(103)로부터 변조된 전송 신호 s(t)는 다음과 같다.
Figure 112010059112687-pat00046
여기서, Es는 심벌 에너지이고, p(t)는 UWB 펄스 생성기(104)로부터 생성되는 UWB 펄스를 나타내며, Tf는 각 데이터 심벌을 위한 프레임 구간이다. 그리고 ej는 차동 부호화 및 레벨 시프터로부터 아래와 같이 산출되는 데이터 심벌이다.
Figure 112010059112687-pat00047
Figure 112010059112687-pat00048
수학식 2와 3에서, ⊙는 등가연산자(Equivalent Operation)이고, mj는 0 또는 1의 값을 갖는 메시지 비트이며, xj는 차동 부호화된 비트이다.
일반적인 UWB 다중경로 채널 모델은 전형적으로 탭 지연선 (Tap-Delay-Line) 모델링을 기반으로 하며, 이 채널 임펄스 응답 함수 h(t)는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112010059112687-pat00049
여기서, L은 다중경로 성분의 수를 나타내며, αl은 l번째 경로의 신호 크기를 나타낸다. 또한, τl은 (τ0+iTm)으로 표현되는 l번째 경로의 시간 지연(이때, Tm은 다중경로 성분을 분해할 수 있는 최소 시간이고, τ0는 송신기와 수신기 사이의 거리로 인한 전송 시간 지연으로 전체 프레임 구간 내에서 균일하게 분포하는 것으로 가정)이다.
이때 UWB 다중경로 채널로부터 수신된 신호 r(t)는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112010059112687-pat00050
여기서, n(t)는 AWGN을 나타낸다.
수신기에서는 대역통과필터(111)를 사용하며 대역통과필터를 통과한 수신 신호
Figure 112010059112687-pat00014
는 다음과 같다.
Figure 112010059112687-pat00051
여기서,
Figure 112010059112687-pat00015
와
Figure 112010059112687-pat00016
는 각각 p(t)와 n(t)의 대역통과필터 출력을 나타낸다.
참조 전송 기반의 임펄스 라디오 UWB 시스템의 수신기는 수신 신호의 복조 및 검출을 위해 상관기(112)를 사용하며, 차동 부호화기를 사용할 경우에는 번째 수신 신호를 번째 심벌의 복조를 위한 참조 템플릿으로 사용한다. 참조 템플릿 개선기(114)를 사용하여 재귀적으로 평균을 취하여 참조 템플릿의 신호대잡음비를 개선하기 위해서는 j-1번째 추정된 참조 비트
Figure 112010059112687-pat00017
과 검출된 비트
Figure 112010059112687-pat00018
을 이용하여 다음과 같이 j번째 참조 비트
Figure 112010059112687-pat00019
를 추정한다.
Figure 112010059112687-pat00052
여기서, 첫 번째 참조 비트는 수신기에서 알고 있다고 가정하였다.
레벨 시프터를 이용하여 데이터 심벌
Figure 112010059112687-pat00023
를 추정한다.
Figure 112010059112687-pat00053
데이터 복조를 위해 사용되는 j번째 참조 템플릿 cj(t)는 재귀적으로 다음과 같이 계산된다.
Figure 112010059112687-pat00054
여기서, k는 재귀적으로 평균을 취하는 프레임의 순서이다.
마지막으로, j번째 프레임의 상관기 출력 Dj,D-ATR을 계산하고, 이를 기반으로 검출기(113)는 복조 데이터 비트
Figure 112010059112687-pat00020
를 검출한다.
Figure 112010059112687-pat00055
Figure 112010059112687-pat00056
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 평균 참조 신호를 이용하는 차동 초광대역 시스템 장치 및 방법의 송수신기 구조를 간략하게 도시한 도면이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
101 : 임펄스 라디오 UWB 송신단의 이진 송신 데이터 비트 생성기
102 : 임펄스 라디오 UWB 송신단의UWB 송신단의 차동 부호화기
103 : 임펄스 라디오 UWB 송신단의 레벨 시프터기
104 : 변조된 심벌에 따라 UWB 펄스를 생성하는 임펄스 라디오 UWB 송신단의 펄스 생성기
111 : 임펄스 라디오 UWB 수신단의 대역통과필터
112 : 수신된 신호를 데이터 검출에 앞서 신호 처리할 UWB 수신단의 상관기
113 : 임펄스 라디오 UWB 수신단의 비트 검출기
114 : SNR 향상을 위한 재귀적으로 수신 신호의 평균을 취하여 참조 템플릿 개선기
120 : 임펄스 라디오 UWB 송신 안테나
130 : 임펄스 라디오 UWB 수신 안테나

Claims (5)

  1. 삭제
  2. TR-타입의 UWB 통신 시스템에 있어서,
    수신된 UWB 신호에 대해 대역통과 필터링을 수행하는 대역통과필터;
    상기 대역통과 필터링이 수행된 UWB 신호와 이전 프레임에서 추정된 이전 참조 비트와 이전에 검출된 이전 비트에 대해 등가 연산을 수행하여 수신된 UWB 신호에 대응하는 현재 참조 비트를 추정하고, 상기 현재 참조 비트의 레벨을 변경한 후 다음의 수학식 A에 의해 상기 수신된 UWB 신호에 대응하는 참조 템플릿을 생성하는 참조 템플릿 개선기; 및
    상기 대역통과 필터링이 수행된 UWB 신호와 상기 참조 템플릿의 상관결과를 출력하는 상관기; 및
    상기 상관기의 출력을 복조하여 데이터 비트를 출력하는 검출기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 UWB 통신 시스템:
    [수학식 A]
    Figure 112010059112687-pat00057
    ,
    여기서, cj(t)는 시점 j에서의 참조 템플릿,
    Figure 112010059112687-pat00022
    는 신호의 입력 시간에서 데이터 심벌을 위한 프레임 구간에 대응하는 시간을 감한 시점에 수신된 신호에 대해 대역통과필터링을 수행한 이후의 수신 신호, k는 재귀적으로 평균을 취하는 프레임의 순서, 그리고
    Figure 112010059112687-pat00024
    는 레벨이 변경된 현재 참조 비트이다.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 대역통과필터를 통과한 수신 신호
    Figure 112010059112687-pat00025
    는 다음의 수학식 B와 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 UWB 통신 시스템:
    [수학식 B]
    Figure 112010059112687-pat00058
    ,
    여기서, Es는 심벌 에너지이고,
    Figure 112010059112687-pat00027
    와
    Figure 112010059112687-pat00028
    는 각각 송신기의 UWB 펄스 생성기로부터 생성되는 UWB 펄스 및 AWGN 신호에 대해 대역통과필터링을 수행한 결과, L은 다중경로 성분의 수를 나타내며, αl은 l번째 경로의 신호 크기, Tf는 각 데이터 심벌을 위한 프레임 구간, τl은 (τ0+iTm)으로 표현되는 l번째 경로의 시간 지연(이때, Tm은 다중경로 성분을 분해할 수 있는 최소 시간이고, τ0는 송신기와 수신기 사이의 거리로 인한 전송 시간 지연으로 전체 프레임 구간 내에서 균일하게 분포하는 것으로 가정), 그리고 ej는 송신기의 차동 부호화 및 레벨 시프터로부터 산출되는 데이터 심벌이다.
  4. TR-타입의 UWB 통신 방법에 있어서,
    수신된 UWB 신호에 대해 대역통과 필터링을 수행하는 단계;
    상기 대역통과 필터링이 수행된 UWB 신호와 이전 프레임에서 추정된 이전 참조 비트와 이전에 검출된 이전 비트에 대해 등가 연산을 수행하여 수신된 UWB 신호에 대응하는 현재 참조 비트를 추정하고, 상기 현재 참조 비트의 레벨을 변경한 후 다음의 수학식 A에 의해 상기 수신된 UWB 신호에 대응하는 참조 템플릿을 생성하는 단계; 및
    상기 대역통과 필터링이 수행된 UWB 신호와 상기 참조 템플릿의 상관결과를 출력하는 단계; 및
    상기 상관결과를 복조하여 데이터 비트를 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 UWB 통신 방법:
    [수학식 A]
    Figure 112010059112687-pat00059
    ,
    여기서, cj(t)는 시점 j에서의 참조 템플릿,
    Figure 112010059112687-pat00030
    는 신호의 입력 시간에서 데이터 심벌을 위한 프레임 구간에 대응하는 시간을 감한 시점에 수신된 신호에 대해 대역통과필터링을 수행한 이후의 수신 신호, k는 재귀적으로 평균을 취하는 프레임의 순서, 그리고
    Figure 112010059112687-pat00031
    는 레벨이 변경된 현재 참조 비트이다.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 대역통과필터를 통과한 수신 신호
    Figure 112010059112687-pat00032
    는 다음의 수학식 B와 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 UWB 통신 방법:
    [수학식 B]
    Figure 112010059112687-pat00060
    ,
    여기서, Es는 심벌 에너지이고,
    Figure 112010059112687-pat00034
    와
    Figure 112010059112687-pat00035
    는 각각 송신기의 UWB 펄스 생성기로부터 생성되는 UWB 펄스 및 AWGN 신호에 대해 대역통과필터링을 수행한 결과, L은 다중경로 성분의 수를 나타내며, αl은 l번째 경로의 신호 크기, Tf는 각 데이터 심벌을 위한 프레임 구간, τl은 (τ0+iTm)으로 표현되는 l번째 경로의 시간 지연(이때, Tm은 다중경로 성분을 분해할 수 있는 최소 시간이고, τ0는 송신기와 수신기 사이의 거리로 인한 전송 시간 지연으로 전체 프레임 구간 내에서 균일하게 분포하는 것으로 가정), 그리고 ej는 송신기의 차동 부호화 및 레벨 시프터로부터 산출되는 데이터 심벌이다.
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