KR101091972B1 - Fast optimal discrete bit-loading method for ofdm-based systems - Google Patents
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Abstract
본 발명은 직교 주파수 분할 다중 시스템(OFDM)에서의 변조기법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직교 주파수 분할 다중 시스템의 각 채널에서의 상황에 따라 일시적으로 전송환경이 악화되어 비트 에러률이 높아지는 경우 이를 신속히 파악하여 전송환경이 좋은 채널에서의 전송을 증가시킴으로써, 채널 환경의 잦은 변화에서도 각 채널에서의 변조기법을 각 채널의 상황에 적합하게 선택적으로 신속하게 적용하여 목표 데이터의 전송률을 만족시킬 수 있는 직교 주파수 분할 다중 시스템에서의 목표 데이터 전송률과 에너지 제약을 만족하는 채널별 변조기법 선택 방법에 관한 것이다.
OFDM, 변조기법, 비트 에러율, 신호 대 잡음비
The present invention relates to a modulation technique in an orthogonal frequency division multiplexing system (OFDM). More specifically, the present invention relates to a case where a transmission error deteriorates temporarily according to a situation in each channel of an orthogonal frequency division multiplexing system, thereby increasing a bit error rate. By quickly grasping and increasing the transmission in a channel with a good transmission environment, it is possible to satisfy the target data rate by applying the modulation technique in each channel quickly and selectively according to the situation of each channel even in the frequent change of the channel environment. The present invention relates to a channel-specific modulation scheme selection method for satisfying target data rates and energy constraints in an orthogonal frequency division multiplexing system.
OFDM, modulation, bit error rate, signal-to-noise ratio
Description
본 발명은 직교 주파수 분할 다중 시스템(OFDM)에서의 변조기법에 관한 것으로, 특히 직교 주파수 분할 다중 시스템의 각 채널 환경이 변화될 때 그 변화된 채널 환경에 적합하게 변조기법을 적용하여 목표 데이터의 전송률을 만족시킬 수 있도록 한 직교 주파수 분할 다중 시스템에서의 목표 데이터 전송률과 에너지 제약을 만족하는 최적의 채널별 변조기법 선택 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a modulation technique in an orthogonal frequency division multiplexing system (OFDM). In particular, when each channel environment of an orthogonal frequency division multiplexing system is changed, the modulation technique is applied to the changed channel environment to improve the transmission rate of the target data. The present invention relates to a method for selecting an optimal channel modulation method that satisfies target data rates and energy constraints in an orthogonal frequency division multiplexing system.
직교 주파수 분할 다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식은 하나의 주파수 대역을 다수의 직교(Orthogonal)하는 협대역 반송파로 다중화시키는 변조 방식으로서 연속적인 OFDM 심볼간에 충분히 큰 경계구역(Guard Interval)을 둔다면 심볼간 간섭(ISI : Intersymbol interference)이 사라져 주파수 대역을 효율적으로 사용할 수 있게 된다. 또한, 하나의 채널을 직교성을 가지는 여러 개의 서브 채널로 나눔으로써, 주파수-선택적 페이딩 채널(Frequency-Selective Fading Channel)이 주파수-비선택적 페이딩 채널 (Flat Fading Channel) 로 바뀌게 되면서, 각 서브 채널은 페이딩에 좀 더 강한 성질을 가지게 된다. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a modulation scheme that multiplexes one frequency band into multiple orthogonal narrowband carriers, provided that there is a sufficiently large guard interval between consecutive OFDM symbols. Intersymbol interference (ISI) is eliminated so that the frequency band can be used efficiently. In addition, by dividing one channel into orthogonal subchannels, the frequency-selective fading channel is changed to a frequency-non-selective fading channel, and each subchannel is faded. Will have a stronger nature.
이와 같이 직교 주파수 분할 다중 방식을 이용한 데이터의 고속 전송 시 상호 직교성을 가진 각 채널들을 효율적으로 이용하는 것은 무선통신의 전송 효율을 높이는데 있어 매우 중요한 역할을 하게 된다. As such, the efficient use of channels having mutual orthogonality in high-speed transmission of data using orthogonal frequency division multiplexing plays a very important role in increasing transmission efficiency of wireless communication.
그러나, 이러한 직교 주파수 분할 다중 방식에 의해 데이터를 전송하는 채널들에서는 무선통신 상황에 따라 일시적으로 전송환경이 악화되어 에러 발생률, 즉 비트 에러률(BER : Bit Error Rate)이 높아지게 되는 경우가 종종 발생하게 된다. 이와 같이 특정 채널에서의 비트 에러률 증가는 해당 채널뿐만 아니라 직교 주파수 분할 다중 방식을 이용한 전체적인 데이터 전송률을 악화시키게 되어 전송효율을 감소시키게 되는 문제점이 있다. However, in the channels that transmit data by such orthogonal frequency division multiplexing, the transmission environment deteriorates temporarily depending on the wireless communication situation, and thus an error occurrence rate, that is, a bit error rate (BER) often increases. Done. As such, increasing the bit error rate in a specific channel may cause a deterioration of the overall data rate using the orthogonal frequency division multiplexing as well as the corresponding channel, thereby reducing transmission efficiency.
무선통신 환경은 매우 동적이므로 효율적인 데이터 통신을 위하여 각 채널의 통신 환경에 맞는 변조 방식을 빠르게 선택할 것이 요구된다. 특히 변조 방식은 데이터를 전송하는 채널이 많아질수록 더욱 복잡해지게 되는데, 전송률 향상을 위해 이를 효율적으로 수행하는 다양한 방법에 대한 많은 연구들이 진행되고 있다.Since the wireless communication environment is very dynamic, it is required to quickly select a modulation method suitable for the communication environment of each channel for efficient data communication. In particular, the modulation scheme becomes more complicated as more channels transmit data, and many studies are being conducted on various methods for efficiently performing the modulation for improving the data rate.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 직교 주파수 분할 다중 시스템의 각 채널에서의 상황에 따라 일시적으로 전송환경이 악화되어 비트 에러률이 높아지는 것을 신속히 파악하여 전송하는 데이터의 양을 줄이고, 상대적으로 전송환경이 좋은 채널에서 전송되는 데이터의 양을 증가시킴으로써, 각 채널의 비트 에러률(BER)을 만족하면서 목표 데이터의 전송률을 만족시킬 수 있도록 하는데 있다.Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to reduce the amount of data to be transmitted by quickly grasping that the transmission environment is temporarily deteriorated due to the situation in each channel of the orthogonal frequency division multiplexing system, thereby increasing the bit error rate, and relatively transmitting. By increasing the amount of data transmitted in a channel having a good environment, it is possible to satisfy the target data rate while satisfying the bit error rate (BER) of each channel.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 앞에서 언급한 과제로 제한되지 않는다. 본 발명의 다른 과제 및 장점들은 아래 설명에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem. Other objects and advantages of the invention will be more clearly understood by the following description.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the above object,
워터 필링 방법(Water-filling solution)을 이용하여 목표 데이터 전송률과 에너지 제약을 만족하는 채널 별 최적의 비트를 할당하는 과정; Allocating an optimal bit for each channel satisfying a target data rate and energy constraint using a water-filling solution;
직교 주파수 분할 다중 시스템이 요구하는 정수 비트 할당 및 채널 별 할당할 수 있는 최대 비트 할당 허용량 제약을 만족하기 위하여 이미 구해진 최적의 비트를 올림 또는 내림 수 연산하고, 이후 최대 비트 할당 허용량과 비교하는 과정; Calculating an optimal bit already rounded up or down to satisfy integer bit allocation and channel-specific maximum bit allocation allowance constraints required by an orthogonal frequency division multiplexing system, and then comparing the maximum bit allocation allowance with a maximum bit allocation allowance;
목표 데이터 전송률을 만족시키기 위하여 추가 비트를 할당하거나 여분의 비트를 제거하는 과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.And allocating additional bits or removing the extra bits to satisfy the target data rate.
본 발명은 직교 주파수 분할 다중 시스템에서의 고속 데이터 전송을 위한 채널 의 전송환경 악화를 파악하여, 일시적으로 전송환경이 좋지 않게 된 채널에서의 변조기법을 낮추고, 전송환경이 좋은 다른 채널에서의 변조기법을 높여주는 과정을 신속하게 수행함으로써, 채널 상황의 변화가 잦은 환경에서도 서브 채널들 전체의 에너지 제약 조건을 만족시키고 목표 전송률을 만족시킬 수 있는 장점이 있다. The present invention grasps the deterioration of a channel's transmission environment for high-speed data transmission in an orthogonal frequency division multiplexing system, lowers the modulation method on a channel temporarily causing a poor transmission environment, and modulates a method on another channel having a good transmission environment. By performing the process of increasing the speed, the energy constraints of the entire subchannels can be satisfied and the target transmission rate can be satisfied even in an environment in which the channel situation changes frequently.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 시스템에서의 목표 데이터 전송률과 에너지 제약을 만족하는 최적의 채널별 변조기법 선택 방법에 대한 제어 흐름도로서 이에 도시한 바와 같이,1 is a control flowchart of a method for selecting an optimal channel-by-channel modulation method that satisfies a target data rate and an energy constraint in an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system according to the present invention.
워터 필링 방법(Water-filling solution)을 이용하여 목표 데이터 전송률과 에너지 제약을 만족하는 채널 별 최적의 비트를 할당하는 과정(S1-S6); Allocating an optimal bit for each channel that satisfies a target data rate and energy constraint using a water-filling solution (S1-S6);
목표 데이터 전송률을 만족시키기 위하여 추가 비트를 할당 또는 여분의 비트를 제거하는 과정(S7-S16)을 포함하여 이루어진다. In order to satisfy the target data rate, a process of allocating an additional bit or removing an extra bit is performed.
본 발명에 따른 OFDM 기반의 시스템은 모든 서브 채널로 평균 비트 에러률(BER : Bit Error Rate)이 요구되는 특정 값으로 유지되는 동안 시스템의 목표 데이터 전송률과 에너지 제약을 만족하면서 전송하는데 사용되는 총 에너지를 최소화 시키기 위해서 노력하는데, 이는 다음의 [수학식1]로 표현된다.In the OFDM-based system according to the present invention, the total energy used to transmit while satisfying the target data rate and energy constraint of the system while the average bit error rate (BER) is maintained at a specific value required for all subchannels. Efforts are made to minimize this, which is represented by
여기서, 는 제i번째 채널에 할당되는 파워, 는 제i번째 채널에 할당되는 비트 수, 은 목표 데이터 전송률, 은 에너지 제약, 는 채널에 할당될 수 있는 최대 비트 수를 나타낸다.here, Is the power allocated to the i th channel, Is the number of bits allocated to the i-th channel, Is the target data rate, Silver energy constraint, Represents the maximum number of bits that can be allocated to the channel.
채널 게인 대 잡음비(CNR)에 따라 제i번째 채널에 대한 비트의 수(bi)를 다음의 [수학식 2]을 이용하여 연산한다.According to the channel gain-to-noise ratio (CNR), the number of bits bi for the i-th channel is calculated using Equation 2 below.
여기서, 는 제i번째 채널에 대한 비트의 수를 나타내고, 는 채널 게인 대 잡음비인 CNR의 값을 나타내며, 는 SNR 갭(GAP)을 나타낸다. 는 시스템에서 사용되는 코딩 스킴(coding scheme)과 요구되는 비트 에러율(BER)에 의해 정해진다.here, Represents the number of bits for the i th channel, Represents the value of the channel gain-to-noise ratio, CNR, Represents the SNR gap (GAP). Is determined by the coding scheme used in the system and the required bit error rate (BER).
상기 [수학식 2]를 이용하여 서브 채널 i에 할당되는 파워(ei)를 다음의 [수학식3]에서와 같이 구할 수 있다.Using Equation 2, the power e i allocated to the sub-channel i can be obtained as shown in Equation 3 below.
상기 [수학식 3],[수학식 1]과 라그랑게 방법을 이용하여 최적화 문제를 다음의 [수학식4]와 같이 표현할 수 있다.Using Equation 3,
상기 [수학식 4]를 각 서브 채널에 할당된 비트 수에 관하여 미분을 할 경우, 다음의 [수학식5]에서와 같이 N개의 [수학식]을 얻을 수 있다.When Equation 4 is differentiated with respect to the number of bits allocated to each sub-channel, N equations can be obtained as shown in
상기 [수학식 5]와 [수학식 1]의 N+1개의 [수학식]을 모두 계산하면 채널 별 최적의 해를 다음의 [수학식6]과 같이 구할 수 있다.By calculating both N + 1 [Equations] in [Equation 5] and [Equation 1], the optimal solution for each channel can be obtained as shown in [Equation 6].
상기 [수학식 6]은 실제 시스템에 적용하기 위해서 수정될 필요가 있다. 채널 별 최대로 할당할 수 있는 비트수가 미리 정해져 있고 각 서브 채널마다 정수 비트 를 할당해야 하므로 다음의 [수학식7]이 사용될 수 있다.Equation 6 needs to be modified to apply to an actual system. Since the maximum number of bits that can be allocated for each channel is predetermined and an integer bit must be allocated for each subchannel, Equation 7 below can be used.
상기 도 1을 참조하여, OFDM 기반 시스템에서의 목표 데이터 전송률과 에너지 제약을 만족하면서 서브 채널의 상태에 따라 서브 채널 별 최적의 비트수를 할당하는 과정에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다. Referring to FIG. 1, a process of allocating an optimal number of bits for each subchannel according to a subchannel state while satisfying a target data rate and energy constraint in an OFDM-based system will now be described in detail.
최적의 비트 할당을 위해 워터 필링 방법(Water-filling solution)을 이용하여 목표 데이터 전송률과 에너지 제약을 만족하는 최적의 비트 b(i)를 계산한다. 상기 최적의 비트 b(i)는 서브채널 i에 할당할 수 있는 비트로서 상기 [수학식6]을 이용하여 구할 수 있다.(S1)For optimal bit allocation, an optimal bit b (i) that satisfies the target data rate and energy constraint is calculated using a water-filling solution. The optimal bit b (i) is a bit that can be allocated to subchannel i and can be obtained using Equation 6 above (S1).
그리고, 직교 주파수 분할 다중 시스템이 요구하는 정수 비트 할당 및 채널 별 할당할 수 있는 최대 비트 할당에 대한 허용량 제약을 만족시키기 위해 [수학식7]이 사용될 수 있다.(S2)Equation (7) may be used to satisfy the allowance constraints on the integer bit allocation required by the orthogonal frequency division multiplexing system and the maximum bit allocation that can be allocated for each channel.
이후, 하기에 설명된 목표 전송률을 만족시키기 위해 비트 추가 또는 제거 연산을 시행할 서브 채널을 정하는 과정에서 사용되는 서브 채널을 구하기 위해, 상기 연산된 결과 비트와 제1단계(S1)에서 구한 최적 비트와의 차이(prior(i) = b(i)-b*(i))를 구한다.(S3)Subsequently, in order to obtain a subchannel used in the process of determining a subchannel to perform a bit add or remove operation to satisfy the target bit rate described below, the computed result bit and the optimal bit obtained in the first step S1. And difference (prior (i) = b (i) -b * (i)) is obtained (S3).
이후, 각 서브 채널에 비트가 할당될 때마다 Sum이라는 변수에 누적, 합산 시킨다. (S4) Thereafter, whenever bits are allocated to each subchannel, they are accumulated and summed in a variable called Sum. (S4)
이후, 모든 서브 채널에 비트가 할당될 때까지 상기와 같은 처리과정을 반복 수행한다.(S5) Thereafter, the above process is repeated until bits are allocated to all subchannels (S5).
모든 서브 채널에 할당된 비트의 합이 목표 데이터 전송률과 에너지 제약 조건에 만족하면 종료 처리한다.(S6)If the sum of bits allocated to all subchannels satisfies the target data rate and the energy constraint, the process is terminated (S6).
하지만, 상기 비교 결과 조건에 만족되지 않는 경우 하기의 설명에서와 같이 우선시 되는 서브 채널을 찾아 비트를 할당하거나 제거하는 일련의 처리과정을 더 수행한 후 종료 처리한다. However, if the comparison result is not satisfied, as described in the following description, the sub-channel is first found, and then a series of processes of allocating or removing bits are further performed and then terminated.
상기 [수학식 7]을 통해 서브 채널마다 비트를 할당할 경우 목표 데이터 전송률을 만족시키지 못 할 수 있다. 그 경우 목표 데이터 전송률을 만족시키기 위해 여러 개의 서브 채널에 먼저 비트를 할당 또는 제거하기 위한 평가 기준이 필요한데, 이는 다음의 [수학식8]을 이용하여 정할 수 있다.If bits are allocated to each subchannel through Equation 7, the target data rate may not be satisfied. In this case, an evaluation criterion for first allocating or removing bits to several subchannels is required to satisfy a target data rate, which can be determined using Equation 8 below.
상기 [수학식 8]은 어떤 서브 채널의 프라이어(Prior) 값이 크면 클수록, 1비트를 할당하기 위해 필요한 에너지가 다른 서브 채널들에 비해 적다는 것을 의미한다. Equation (8) means that the larger the Prior value of one subchannel, the less energy is required to allocate 1 bit compared to other subchannels.
모든 서브 채널에 할당된 비트의 합(sum)이 목표 전송률 보다 적은 경우, 상기 프라이어 값이 가장 큰 서브채널에 추가 비트의 할당이 가능한지 확인하여 가능하지 않은 것으로 판명되면 그 서브 채널의 프라이어(Prior) 값을 다시 최소값(MIN) 으로 설정한다.(S7-S9)If the sum of bits allocated to all subchannels is less than the target transmission rate, if the fryer value is determined to be impossible by assigning additional bits to the largest subchannel, it is determined that it is not possible. Set the value back to the minimum value (MIN) (S7-S9).
그리고, 상기 확인 결과 k번째 서브 채널에 추가 비트의 할당이 가능한 것으로 판명되면 k번째 서브 채널에 추가 비트를 할당한 후 모든 서브 채널에 할당된 비트의 합(sum)이 목표 비트와 일치하는지 확인하여 그 확인 결과에 따라 상기 추가 비트를 할당하기 위한 해당 서브 채널을 선택하는 단계(S7)로 복귀하거나 종료처리한다.(S10,S11)If the check result indicates that additional bits can be allocated to the kth subchannel, the additional bits are allocated to the kth subchannel, and then the sum of the bits allocated to all the subchannels corresponds to the target bit. According to the result of the check, the process returns to step S7 of selecting a corresponding subchannel for allocating the additional bit or terminates the processing (S10, S11).
그러나, 모든 서브 채널에 할당된 비트의 합(sum)이 목표 비트량 보다 많은 경우, 상기 프라이어 값이 가장 작은 k번째 서브 채널의 비트 제거가 가능한지 확인하여 가능하지 않은 것으로 판명되면 그 서브 채널의 프라이어(Prior) 값을 다시 최대값(MAX)으로 설정한다.(S12-S14)However, if the sum of bits allocated to all subchannels is larger than the target bit amount, if the fryer value is determined to be impossible by removing the bit of the k-th subchannel having the smallest value, the fryer of the subchannel is determined to be impossible. Set the value of (Prior) back to the maximum value (MAX) (S12-S14).
그리고, 상기 확인 결과 k번째 서브 채널에서 비트 제거가 가능한 것으로 판명되면 k번째 서브 채널에서 비트를 제거한 후 모든 서브 채널에 할당된 비트의 합(sum)이 목표 비트와 일치하는지 확인하여 그 확인 결과에 따라 상기 비트를 제거하기 위한 해당 서브 채널을 선택하는 단계(S12)에 복귀하거나 종료처리한다.(S15,S16)If it is determined that bit removal is possible in the kth subchannel, the bit is removed from the kth subchannel, and then the sum of bits allocated to all subchannels matches the target bit. Accordingly, the process returns to the step S12 of selecting the corresponding subchannel for removing the bit or terminates the process (S15, S16).
결국, 상기와 같은 일련의 처리과정을 통하여, 모든 채널의 평균 비트 에러율을 요구되는 비트 에러율로 만족시키고, 에너지 제약을 만족하면서 신속하게 목표 데이터 전송률을 만족시킬 수 있게 된다.As a result, through the above-described series of processes, the average bit error rate of all channels can be satisfied with the required bit error rate, and the target data rate can be quickly satisfied while satisfying the energy constraint.
이에 따라, 통신 환경 변화가 큰 무선 통신 환경에서 변화되는 환경에 신속하게 적응하여 전송데이터 양이 증감되므로, 전체적인 데이터 전송률의 저하 현상이 방 지되어 사용자가 최적의 통신을 할 수 있게 된다. As a result, the amount of transmitted data is increased and decreased by rapidly adapting to a changing environment in a wireless communication environment with a large change in communication environment, thereby preventing the degradation of the overall data rate and enabling a user to perform optimal communication.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various embodiments based on the basic concept of the present invention defined in the following claims. Such embodiments are also within the scope of the present invention.
도 1은 본 발명에 의한 직교 주파수 분할 다중 시스템에서의 목표 데이터 전송률과 에너지 제약을 만족하는 최적의 채널별 변조기법 선택 방법에 대한 흐름도.1 is a flowchart illustrating a method for selecting an optimal channel-specific modulation scheme satisfying a target data rate and energy constraint in an orthogonal frequency division multiplexing system according to the present invention.
Claims (3)
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2009
- 2009-11-05 KR KR1020090106276A patent/KR101091972B1/en not_active IP Right Cessation
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