KR101260836B1

KR101260836B1 - 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 다이버시티 이득을 제공하는 선 부호화 방법 및 이를 이용한 송신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101260836B1
Application number: KR1020060049393A
Authority: KR
Inventors: 황덕동; 후이준홍
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2013-05-06
Also published as: WO2007100216A1; JP2009527181A; US8379878B2; US20070286302A1; JP5206969B2; KR20070089558A

Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 시스템에서 다이버시티 이득을 향상시키기 위한 선 부호화 방법 및 이를 이용한 송신 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 송신 방법은 입력된 송신 신호를 병렬 신호로 변환하는 과정; 미리 정해진 주파수 옵셋을 갖도록 상기 병렬 신호에 대한 선 부호화를 수행하는 과정; 상기 선 부호화된 신호를 역 이산 푸리에 변환(Inverse Discrete Fourier Transform : IDFT)하는 과정; 및 상기 IDFT된 신호를 주파수 상향 변환하여 무선망으로 전송하는 과정을 포함하며, 상기 미리 정해진 주파수 옵셋은 상기 IDFT를 위한 커널(kernel)의 기본 벡터들이 확장되지 않도록 설정됨을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 의하면, OFDM 시스템에서 송신 신호에 주파수 옵셋을 갖는 선 부호화를 수행하여 다이버시티 이득을 보다 높일 수 있다.

Pre-Coder, QAM Constellation, Equalizer, Diversity Gain, OFDM, MIMO

Description

직교 주파수 분할 다중 시스템에서 다이버시티 이득을 제공하는 선 부호화 방법 및 이를 이용한 송신 장치 및 방법{PRE-CODING METHOD FOR PROVIDING DIVERSITY GAIN IN AN ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING SYSTEM AND TRANSMITTING APPARATUS AND METHOD USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선 부호화(Pre-coding) 방법이 적용된 OFDM 기반의 송신기의 구성을 나타낸 블록도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 등화기(Equalizer)가 포함된 OFDM 기반의 수신기의 구성을 나타낸 블록도,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 송신기의 동작 흐름도.

본 발명은 무선 통신 시스템에서 다이버시티 이득을 향상시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로 특히 직교 주파수 분할 다중화 기반의 이동 통신 시스템에서 다이버시티 이득을 향상시키기 위한 선 부호화 방법 및 이를 이용한 송신 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 무선 통신 시스템이라 함은, 단말까지 고정적인 유선 네트워크를 연결하여 사용할 수 없는 경우를 위해 개발된 시스템이다. 이러한 무선 통신 시스템의 대표적인 시스템으로는 이동 통신 시스템, 무선 랜, 와이브로(Wibro), 이동 애드 혹(Mobile Ad Hoc)등 을 들 수 있다.

그리고 이동 통신은 일반적인 무선 통신과는 달리 사용자의 이동성(Mobility)을 전제로 한다. 이동 통신의 궁극적인 목표는 휴대전화 및 무선 호출기 등의 단말기를 이용하여 언제, 어디서, 누구에게나 시간과 공간을 초월하여 정보 미디어를 주고 받는 것을 특징으로 한다.

이러한 이동 통신 중 대표적인 방식이 셀룰러 시스템이다. 셀룰러 시스템은 서비스 지역을 여러 개의 셀로 나누어서 셀마다 인접한 셀과 다른 주파수가 할당된 하나의 무선 기지국(셀룰러 기지국)을 설치하여 동일한 주파수를 재사용할 수 있도록 하는 방식이다. 이때 하나의 무선 기지국에 의한 서비스 지역을 셀(Cell)이라고 하며, 이렇게 한 단위 서비스 지역을 셀로 나누어서 서비스하기 때문에 셀룰러 시스템이라고 한다. 현재 이동 통신 시스템은 통신 기술의 급격한 발전으로 초기의 음성 서비스만을 제공하던 시대에서 고속으로 이동하는 사용자에게 데이터 서비스를 제공해주는 단계에 까지 진화해있다. 이렇듯 급속히 발전하는 다양한 형태의 무선 통신 기술들은 일상 생활에서 더욱 밀접하게 사용되고 있다. 제2 세대라 불리는 CDMA 통신 기술을 지나서 현재는 IMT-2000이라는 3세대 무선 통신 기술을 사용하여 음성 이외의 데이터 정보도 빠르게 보낼 수 있게 되었다. 그리고 이보다 빠른 데이터를 전송하는 Wibro나 차세대 무선 통신 시스템은 고속 패킷 데이터 서비스를 효율적으로 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 통신 기술의 발전은 사용자에게 좀더 높은 품질의 서비스를 제공하기 위한 방향으로 발전하고 있으며 운용자 측면에서는 효율적인 시스템 운용을 위한 기술들을 제공하는 방향으로 발전하고 있다. 그러한 기술들 중 대표적인 기술이 다중 반송파를 사용하여 통신을 수행하는 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 시스템이 있다.

상기 OFDM 방식은 광대역 채널을 여러 개의 협대역 채널들로 분할하여 각 채널에 서로 직교하는 주파수를 할당하고, 서로 다른 데이터를 실어 병렬로 전송함으로써, 고속 데이터 전송에 적합한 전송 방식이다. OFDM 방식에서는 각 부반송파의 심벌 구간을 부반송파의 수만큼 증가시킬 수 있기 때문에 주파수 선택적 패이딩 채널로 인한 심벌간 간섭(Inter Symbol Interference : ISI)을 효과적으로 줄일 수 있으며, 수신기의 구조를 보다 간단하게 구현할 수 있다.

OFDM 시스템을 사용하게 되면 ISI와 다중 경로로 인한 페이딩을 감소시킬 수 있지만 다이버시티 효과로 인한 이득은 기대하기 어려운 단점이 있다. 이에 따라서 OFDM 시스템에서도 다이버시티 이득을 향상시키기 위한 기술이 필요하게 되었다.

본 발명은 직교 주파수 분할 다중 방식의 통신 시스템에서 다이버시티 이득을 높이기 위한 선 부호화 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 직교 주파수 분할 다중 방식의 이동 통신 시스템에서 다이버시티 이득을 높이기 위해 선 부호화 방법을 이용한 송신 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM) 시스템에서 다이버시티 이득을 제공하는 송신 장치는 입력된 송신 신호를 병렬 신호로 변환하는 직/병렬 변환기; 미리 정해진 주파수 옵셋을 갖도록 상기 병렬 신호에 대한 선 부호화를 수행하는 선 부호화기; 상기 선 부호화된 신호를 역 이산 푸리에 변환(Inverse Discrete Fourier Transform : IDFT)하는 IDFT 부; 및 상기 IDFT된 신호를 주파수 상향 변환하여 무선망으로 전송하는 RF(Radio Frequency)부를 포함하며, 상기 미리 정해진 주파수 옵셋은 상기 IDFT를 위한 커널(kernel)의 기본 벡터들이 확장되지 않도록 설정됨을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM) 시스템에서 다이버시티 이득을 제공하는 송신 방법은 입력된 송신 신호를 병렬 신호로 변환하는 과정; 미리 정해진 주파수 옵셋을 갖도록 상기 병렬 신호에 대한 선 부호화를 수행하는 과정; 상기 선 부호화된 신호를 역 이산 푸리에 변환(Inverse Discrete Fourier Transform : IDFT)하는 과정; 및 상기 IDFT된 신호를 주파수 상향 변환하여 무선망으로 전송하는 과정을 포함하며, 상기 미리 정해진 주파수 옵셋은 상기 IDFT를 위한 커널(kernel)의 기본 벡터들이 확장되지 않도록 설정됨을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선 부호화(Pre-coding) 방법이 적용된 OFDM 기반의 송신기(100)의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 OFDM 시스템에서 송신기(100)는 입력 비트 열을 다수의 병렬 비트 열로 변환하여 출력하는 직/병렬 변환기 (110), 상기 직/병렬 변환기(Serial to Parallel convert)(110)로부터 출력되는 병렬의 비트 열들에 대해 본 발명에 따른 선 부호화(Pre-Coding)를 수행하여 병렬의 전송 심벌로 출력하는 선부호화기(120)와, 상기 선부호화기(120)로부터 병렬로 출력되는 각각의 심벌에 대해 역 이산 푸리에 변환(Inverse Discrete Fourier Transform : IDFT)을 수행하는 IDFT 부(130), 가드 인터벌(Guard Interval)을 위해 사이클릭 프리픽스(Cyclic Prefix : CP)를 삽입하는 CP 삽입부(140) 및 상기 CP 삽입부(140)로부터 출력되는 신호를 대응하는 안테나(ANT)를 통해 주파수 상승 변환하여 출력하는 RF(Radio Frequency) 부(150)를 포함한다.

본 발명은 상기 선 부호화기(120)에 관한 것으로서 다이버시티 이득을 제공하는 상기 선 부호화기(120)에 주파수 옵셋을 주는 방식으로 송신 신호의 다이버시티 이득을 향상시키는 방안을 제안한 것이다. 상기 선 부호화기(120)는 다음 설명될 선 부호화 매트릭스를 통해 구현될 수 있다.

상기 선 부호화기(120)는 OFDM 시스템이나 다중 전송 안테나 시스템에서 다이버시티 이득을 제공하기 위해 사용된다. 예를 들어 크기 M(M x M unitary Matrix with special properties)의 선 부호화기(120)는 심볼들의 조합인 심볼 벡터들을 상기 선 부호화 매트릭스를 통해 변환하여 각각의 심볼이 M개의 다른 채널들을 통해 전송되게 한다. 만일 M개의 모든 채널이 심각한 페이딩을 겪지 않는다면, 심볼들은 수신기에서 안정적으로 복구될 수 있다.

그리고 상기 선 부호화기(120)는 비상관된 채널들에서 완벽한 M 정도의 다이버시티 이득을 제공한다. 일반적으로 선 부호화기의 연구에는 대수 이론(Algebraic number theory)이 사용되어 왔다. 그러나 대수 이론을 사용한 종래 선 부호화 방법은 상기 선 부호화 매트릭스의 크기 M이 크거나 단일 행렬(Unitary Matrices)이 아닐 때는 수행되기 어려웠다. 반면 Direct DFT와 Hadamard 타입의 행렬은 선 부호화기(120)를 구현하는데 쉬우나 풀(Full) 다이버시티 이득을 보장하지 않는다. 따라서 본 발명에서는 송신측에서 전송 에너지를 줄일 수 있으며 단일 행렬을 사용하는 선 부호화기(120)의 선 부호화 매트릭스를 제안한다. 본 발명에선 제안하는 선 부호화 매트릭스는 DFT를 기반으로 함으로 M이 크더라도 빠른 알고리즘으로 사용될 수 있다.

그럼 이하에서 본 발명에서 제안하는 선 부호화기(120)를 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명에서는 선 부호화 과정에서 주파수 옵셋을 주는 DFT에 기반한 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 신호 성상도(Constellation)를 위한 선 부호화기(120)를 제안한다. 본 발명에 따라 주파수 옵셋를 기초로 송신 신호의 다이버시티 이득을 향상시키기 위해서는 선 부호화 매트릭스의 어느 행(Row)도 QAM 성상도의 차이 신호에 의해 확장(SPAN)되지 않아야 하며, 본 발명은 이러한 조건을 만족하는 선 부호화기를 제안한 것이다.

본 발명에서 사용되는 선 부호화 매트릭스를 생성하는데 필요한 파라미터들은 아래의 <표 1>과 같다.

파라미터	설명
S	사이즈 M인 심볼 벡터들의 셋트, M 심볼 벡터들의 요소들은 사용된 심볼 성상도로 구성됨.
E	사이즈 M인 에러 벡터들의 셋트, M 에러 벡터들의 요소들은 S의 요소들 간 차이 벡터들을 나타냄.
m	파라미터 S의 크기를 나타냄.
P	선부호화기에 의해 E로부터 생성된 사이즈 M인 출력 벡터들의 셋트를 나타냄.
F	선 부호 변환을 나타냄.
e	E의 구성요소를 나타냄.

상기 <표 1>에서 “S”는 사이즈 M인 심볼 벡터(Symbol Vector)들의 셋트를 나타내고, M 심볼 벡터들의 요소들은 사용된 심볼 성상도로 구성된다. “E”는 사이즈 M인 에러 벡터들(error vectors)의 셋트를 나타내고, M 에러 벡터들의 요소들은 S의 요소들간의 상기 차이 신호를 의미하는 차이 벡터들(difference vectors)을 나타낸다. 만일 S의 크기가 m이라면, E의 크기는 m 중 2를 고르는 갯수로 선택된다. “P”는 선 부호화기(120)에 의해 E로부터 생성된 사이즈 M인 출력 벡터들(output vectors)의 셋트를 나타낸다.

MxM의 선 부호화 매트릭스를 사용하는 본 발명의 선 부호화기(120)는 E의 에러심볼들을 M개의 캐리어로 확산시키기 위한 것이며, 그 결과 P의 출력 벡터들은 M 심볼 위치들 중에 어떤 요소도 “0”의 값을 갖지 않는다.

삭제

상기 <표 1>과 같이 “F”를 선 부호 변환이라 하였을 때 상기 언급한 내용은 E의 어떠한 요소 e가 F의 M 개의 기본 벡터들(basis vectors)의 선형 조합이어야 하는 선 부호화기(120)의 설계 기준과 동등하다. 만일 e가 M 개의 기본 벡터들보다 적은 수의 벡터의 선형 조합이라면, 선 부호 변환된 벡터는 그 선형 조합에서 사용된 기본 벡터들의 개수들만의 비-제로(Non-zero) 위치를 갖는다. 만일 F의 어떠한 기본 벡터가 e의 요소들을 위한 성상도에 의해 확장(Spanned)되지 않는다면, 상기 언급한 기준은 달성된다.

DFT 커넬(Kernel)의 기본 벡터들이 2knπ/M,(여기서, n,k=0,1,2,...,M-1)들의 점들에 의해 생성됨을 가정하였을 때, 이러한 점들은 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 신호 점들간의 에러 신호 성상도에 의해 확장(Spanned)될 수 있으며, QPSK의 신호 점들은 kπ/2,(여기서 k=0,1,2,3)을 확장될 수 있다. 이렇게 QPSK에 의해 확장되는 신호 점들은 M이 2 이상의 파워(Power)인 DFT에서 발생된다.

삭제

본 발명에서는 QAM 신호의 성상도 분석으로부터 BPSK와 QPSK 신호들의 셋트들에 대해 상기 기본 벡터(e)들이 확장되는 것을 방지하는 주파수 옵셋을 갖는 선 부호화기(120)를 제안한다.

삭제

이를 위해 본 발명에서 상기 기본 벡터들(basis vectors)의 신호 점은 아래의 <수학식 1>과 같이 표현된다.

또한 M=2라면, 상기 기본 벡터들(basis vectors)의 신호 점은 아래의 <수학식 2>와 같이 표현된다..

삭제

본 발명에서 M이 2일 경우의 선 부호화기(120)의 메트릭들은 아래의 <수학식 3>과 같이 표현되며, M이 2보다 큰 경우(M이 3이상인 경우)의 선 부호화기(120)의 메트릭들은 아래의 <수학식 4>와 같이 표현된다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 등화기(Equalizer)가 포함된 OFDM 기반의 수신기(200)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1의 수신기(200)에서는 상기 도 1의 송신기 안테나에 대응하는 다수의 수신 안테나를 통해 수신되는 신호를 주파수 하향 변환하는 RF 부(210)와 상기 RF부(210)가 출력한 신호에서 사이클릭 프리픽스(CP)를 제거하는 CP 제거부(Cyclic Prefix Remover : CPR)(220), 상기 사이클릭 프리픽스(CP)가 제거된 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform : DFT)하는 DFT 부(230), 상기 이산 푸리에 변환된 수신 신호로부터 상기 선 부호화에 따른 왜곡을 제거하기 위한 등화기(Equalizer)(240)를 포함한다. 또한 도 2의 수신기(200)에는 도시되지 않았지만 예컨대, 최대 유사도(Maximum Likelihood), 스피어 검출기의 가변, MMSE(Minimum Mean Square Error), Zero-Focing과 연속적인 간섭 제거부가 포함될 수 있다.

다중 송신 안테나에서 선 부호화된 벡터는 시간-공간 전송 행렬의 대각선 요소가 되며, 이 경우에는 안테나들의 개수는 M보다 작아야 한다.

삭제

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 송신기(100)의 동작 흐름도이다. 300 단계에서 직/병렬 변환기(110)는 신호가 입력되면 302 단계에서 병렬 신호로 변환하고, 304 단계에서 선 부호화기(120a)는 상기 병렬 신호에 대해 본 발명에 따라 주파수 옵셋을 갖는 선 부호화를 수행한다. 상기 304 단계에서 선 부호화 과정은 선 부호화기(120)의 사이즈 M에 따라 상기 <수학식 3> 또는 <수학식 4>를 이용하여 수행된다. 306 단계에서 IDFT 부(130)는 상기 선 부호화된 신호를 IDFT 변환한다. 308 단계에서 CPI(140)은 상기 IDFT 변환된 신호에 사이클릭 프리픽스(CP)를 삽입한 뒤, 310 단계에서 RF 부(150)는 상기 CP가 삽입된 신호를 주파수 상향 변환하여 안테나(ANT)를 통해 무선망으로 송신한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 OFDM 시스템에서 송신 신호에 주파수 옵셋을 갖는 선 부호화를 수행하여 다이버시티 이득을 보다 높일 수 있다.

Claims

직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM) 시스템에서 다이버시티 이득을 제공하는 송신 장치에 있어서,

입력된 송신 신호를 병렬 신호로 변환하는 직/병렬 변환기;

미리 정해진 주파수 옵셋을 갖도록 상기 병렬 신호에 대한 선 부호화를 수행하는 선 부호화기;

상기 선 부호화된 신호를 역 이산 푸리에 변환(Inverse Discrete Fourier Transform : IDFT)하는 IDFT 부; 및

상기 IDFT된 신호를 주파수 상향 변환하여 무선망으로 전송하는 RF(Radio Frequency)부를 포함하며,

상기 미리 정해진 주파수 옵셋은 상기 IDFT 부의 커널(kernel)의 기본 벡터들이 확장되지 않도록 설정됨을 특징으로 하는 송신 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 기본 벡터들의 성상도 상에서 신호 점은 상기 미리 정해진 주파수 옵셋에 따라 하기 <수학식 1>과 같이 표현됨을 특징으로 하는 송신 장치.

<수학식 1>

(2k+1)nπ/M

상기 수학식 1에서 n=0,1,…,M-1; k=1,2,…,M; M은 상기 선 부호화기의 사이즈를 나타냄.
제 3 항에 있어서,

상기 선 부호화기의 사이즈가 2인 경우, 상기 기본 벡터들의 성상도 상에서 신호 점은 하기 <수학식 2>와 같이 표현됨을 특징으로 하는 송신 장치.

<수학식 2>

knπ/4

상기 수학식 2에서 n=0,1; k=1,5.
제 1 항에 있어서,

상기 선 부호화기의 사이즈가 2인 경우, 상기 선 부호화기의 메트릭들은 하기 <수학식 3>과 같이 표현됨을 특징으로 하는 송신 장치.

<수학식 3>

상기 수학식 3에서 M은 상기 선 부호화기의 사이즈를 나타냄.
제 1 항에 있어서,

상기 선 부호화기의 사이즈가 3 이상인 경우, 상기 선 부호화기의 메트릭들은 하기 <수학식 4>와 같이 표현됨을 특징으로 하는 송신 장치.

<수학식 4>

상기 수학식 4에서 M은 상기 선 부호화기의 사이즈를 나타냄.
제 1 항에 있어서,

상기 송신 신호는 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 신호를 포함함을 특징으로 하는 송신 장치.
직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM) 시스템에서 다이버시티 이득을 제공하는 송신 방법에 있어서,

입력된 송신 신호를 병렬 신호로 변환하는 과정;

미리 정해진 주파수 옵셋을 갖도록 상기 병렬 신호에 대한 선 부호화를 수행하는 과정;

상기 선 부호화된 신호를 역 이산 푸리에 변환(Inverse Discrete Fourier Transform : IDFT)하는 과정; 및

상기 IDFT된 신호를 주파수 상향 변환하여 무선망으로 전송하는 과정을 포함하며,

상기 미리 정해진 주파수 옵셋은 상기 IDFT를 위한 커널(kernel)의 기본 벡터들이 확장되지 않도록 설정됨을 특징으로 하는 송신 방법.
삭제
제 8 항에 있어서,

상기 기본 벡터들의 성상도 상에서 신호 점은 상기 미리 정해진 주파수 옵셋에 따라 하기 <수학식 5>와 같이 표현됨을 특징으로 하는 송신 방법.

<수학식 5>

(2k+1)nπ/M

상기 수학식 5에서 n=0,1,…,M-1; k=1,2,…,M; M은 상기 선 부호화를 수행하는 선 부호화기의 사이즈를 나타냄.
제 10 항에 있어서,

상기 선 부호화기의 사이즈가 2인 경우, 상기 기본 벡터들의 성상도 상에서 신호 점은 하기 <수학식 6>과 같이 표현됨을 특징으로 하는 송신 방법.

<수학식 6>

knπ/4

상기 수학식 6에서 n=0,1; k=1,5.
제 8 항에 있어서,

상기 선 부호화를 수행하는 선 부호화기의 사이즈가 2인 경우, 상기 선 부호화기의 메트릭들은 하기 <수학식 7>과 같이 표현됨을 특징으로 하는 송신 방법.

<수학식 7>

상기 수학식 7에서 M은 상기 선 부호화기의 사이즈를 나타냄.
제 8 항에 있어서,

상기 선 부호화를 수행하는 선 부호화기의 사이즈가 3 이상인 경우, 상기 선 부호화기의 메트릭들은 하기 <수학식 8>과 같이 표현됨을 특징으로 하는 송신 방법.

<수학식 8>

상기 수학식 8에서 M은 상기 선 부호화기의 사이즈를 나타냄.
제 8 항에 있어서,

상기 송신 신호는 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 신호를 포함하는 송신 방법.