KR101270045B1 - 시공간 부호화된 다중대역-직교 주파수 분할 다중초-광대역 시스템 - Google Patents

시공간 부호화된 다중대역-직교 주파수 분할 다중초-광대역 시스템 Download PDF

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Abstract

시스템, 장치 및 방법이 서로 다른 안테나(202.1, 202.2)의 동일한 서브-반송파(204.i, 206.i)에서 인입 신호에 대응하는 채널 심볼을 전송하는 방식을 채용하는 다중대역 OFDM UWB 시스템을 시공간 부호화하기 위해 제공된다.

Description

시공간 부호화된 다중대역-직교 주파수 분할 다중 초-광대역 시스템{SPACE-TIME CODED MB-OFDM UWB SYSTEM}
본 발명은 다중대역 직교 주파수 분할 다중(MB-OFDM:multi-band orthogonal frequency divisional multiplexing) 초-광대역(UWB:ultra-wideband) 시스템을 위한 시스템, 장치 및 방법에 관한 것인데, 상기 MB-OFDM UWB 시스템은 송신 다이버시티(transmission diversity)를 저비용으로 그리고 낮은 전력 소모로 달성하기 위해 시공간 부호화(STC:Space-Time Coding) 기술을 사용한다.
다중대역 OFDM UWB 시스템에서, 신호는 다수의 대역에 걸쳐 호핑(hopping)된다. 각각의 홉(hop)에서, OFDM 심볼은 상기 대역 중 한 대역에 걸쳐서 전송된다. 보통, 상기 호핑 패턴은 서로 다른 대역으로 구성된다. 이러한 방식은 "Time Frequency Interleaving" 즉, TFI 방식으로 불린다. 상기 호핑 패턴이 하나의 단일 대역만으로 구성된다면(no hopping), 상기 방식은 "Fixed Frequency Interleaving" 즉, FFI 방식으로 불린다.
공간 다이버시티(spacial diversity)를 얻기 위해 복수의 안테나가 송신기 또는 수신기(또는 둘 다)에서 사용될 수 있다. 수신 다이버시티 예컨대, Maximal-Ratio Receive Combining(MRRC)가 더 나은 성능을 갖지만, 송신 다이버시티는 실질적으로 더 작은 복잡도와 전력 소모로 상당한 이득을 획득할 수 있다. 이것은, 송신기가 일반적으로 더 작은 복잡도를 수반하고 수신기보다 더 낮은 전력 소모를 갖는다는 사실에 기인한다. 예컨대, 디지털-아날로그 변환기(DAC)는 아날로그-디지털 변환기(ADC)보다 훨씬 더 작은 복잡도와 전력 소모로 구현될 수 있다.
복수의 송신 안테나와 단일의 수신 안테나가 사용될 때, 수신되는 신호는 상기 다수의 전송되는 신호의 간섭된 혼합물이다. 시공간 부호화 기술은 완전할 정도의 송신 다이버시티를 획득하면서 이러한 신호를 구별할 수 있다.
MB-OFDM UWB 시스템의 전력 소모, 범위 또는 데이터 속도를 향상시키기 위해, 본 발명의 시스템, 장치 및 방법은 공간 다이버시티의 형태 즉, 시공간 부호를 사용한다. 예컨대, 본 발명의 하나의 시공간 부호(STC) 어플리케이션은 각각의 대역에 적용되는 Alamouti Space-Time Block Code를 사용하는 MB-OFDM UWB 시스템이다.
도 1은 Alamouti에 따른 시공간 부호화 방식을 이용하는 하나의 수신기를 갖는 두개의 송신기 다이버시티 방식을 예시하는 도면.
도 2는 3개의 대역(호핑 패턴{1,2,3})과 Alamouti Space-Time Code를 갖는 MB-OFDM UWB를 예시하는 도면.
도 3은 Alamouti Space-Time Code를 갖는 MB-OFDM UWB 시스템의 BER 성능을 예시하는 도면.
다음의 설명은 예시의 목적이지 제한하기 위해 제공되는 것이 아님을 당업자는 이해해야 한다. 본 발명의 정신과 첨부된 청구항의 범위 내에서 많은 변형이 존재한다는 점을 당업자는 이해할 것이다. 공지된 함수와 동작의 불필요한 세부사항은 본 발명을 모호하게 하지 않도록 현재의 설명에서 생략될 것이다.
Alamouti Space-Time Code:
Alamouti Space-Time Code는 두개의 안테나를 위한 복합 직교 시공간 부호(STC)이다("S.Alamouti의 A Simple Transmit Diversity Technique Tor Wireless Communications, IEEE J. Select. Areas Comm., vol. 16,pp. 1451-1458, Oct. 1998"참조).
도 1에 관하여, 송신 안테나(0)와 수신 안테나 사이의 채널은 h0 즉, (100)으로 표시되고, 송신 안테나(1)와 수신 안테나 사이의 채널은 h1 즉, (101)으로 표시된다. 4개의 송신 심볼은 주어진 심볼 주기에서 상기 두개의 안테나로부터 두개의 신호를 동시적으로 전송함으로써 두개의 데이터 심볼로부터 획득된다.
Figure 112008019942771-pct00001
여기서, * 는 켤레 복소수를 나타내고, Sk(102, 103)은 데이터 심볼이고, Sl,m은 시간 l=0, 1, 안테나 m=0, 1에서 전송된 심볼이다. 상기 수신기 안테나에서 수신된 신호는 다음과 같은 방정식으로 주어진다:
Figure 112008019942771-pct00002
여기서, rl(104)은 시간 l=0, 1에서 수신된 심볼이고, nl(105)은 시간 l=0, 1에서 백색 가우스 잡음(white Gaussian noise)이다. 상기 수신된 심볼은 다음과 같은 방정식을 획득하기 위해 결합된다:
Figure 112008019942771-pct00003
그 다음, 상기 심볼은 디코더에 전송된다. 도 1은 하나의 수신기를 갖는 2-분기(two-branch) 송신 다이버시티 방식을 도시한다.
분명한 것은 이러한 방식이 3 dB 손실을 제외하고, MRRC를 갖는 두개의 수신 안테나를 갖는 시스템의 성능과 비슷한 성능을 갖는다는 사실이다. 이러한 손실은, 송신 전력이 상기 두개의 안테나에 걸쳐 분할되어야 하기 때문에 발생한다. 기저대역에서의 계산 복잡도는 두개의 수신 안테나에서의 MRRC의 복잡도와 유사하다.
Alamouti Space - Time Block Code 를 갖는 MB - OFDM UWB 시스템
다중대역 직교 주파수 분할 다중(MB-OFDM) 시스템의 제1 실시예에서, 상기 Alamouti 방식이 각각의 서브-반송파에 적용된다. 다시 말해서, 두개의 심볼 (S0, S1)이 상기 Alamouti 방식을 사용하여 변조된다. 이 결과로 생기는 S0,0(203.0.0)과 S0,1(203.0.1)이 동시에 그리고 동일한 서브-반송파로 그리고 두개의 송신 안테나에서 전송된다. 심볼 S1,0(203.1.0)과 S1,1(203.1.1)은 동일한 서브-반송파(204.3, 206.3)로 그리고 두개의 서로 다른 안테나(202.1, 202.2)에 걸쳐 전송되지만, 상기 초기의 OFDM 심볼에 관한 (K+1)th OFDM 심볼에 걸쳐 전송되며, 여기서 K는 호핑 패턴(hopping pattern)의 길이이다(도 2 참조). 이것은 상기 심볼 S0 ,0(203.0.0)과 S1,0(203.1.0)이 동일한 채널 계수를 심지어, 호핑이 사용되는 TFI 방식에서 경험하도록 한다. 이와 유사하게, S0 .1(203.0.1)과 S1 ,1(203.1.1)에 있어서, 상기 두개의 수신된 값이 위에서 설명된 바와 같이 수신기(205)에서 결합된다.
도 3은 이러한 시스템의 비트 에러율(BER) 성능을 예시한다. 도 3에서, 3/4 비율 회선 부호(rate convolutional code)와 16-QAM 변조는 1 Gbps 속도를 획득하 기 위해 사용된다. 도 3에서, 10-5의 BER에서 3.7 dB의 이득이 상기 시공간 부호화된 MB-OFDM UWB 시스템을 이용함으로써 획득된다. 이와 유사한 이득이, DCM 또는 QPSK 중 어느 하나가 16-QAM 대신 사용되는 경우에 획득된다.
단일의 IFFT 구현:
제2의 바람직한 실시예에서, 송신기에서 요구되는 처리가 시간 영역에서 발생한다. 이러한 처리는, 두개의 OFDM 심볼(S0,0, S1,1)을 위한 IFFT로의 입력이 단순히 서로 간의 켤레 복소수라는 사실에 기인하여 이루어질 수 있다. 이것은, 상기 전송된 OFDM 심볼 중 하나가 하나의 IFFT를 이용하여 계산될 수 있고 나머지 하나는 출력 지수를 역전시킴으로써 획득됨을 의미한다. 이와 동일한 방법이 추가적인 부호 변화를 통해 S0 ,1, S1 ,0에 적용된다. 그러므로 각 OFDM 심볼마다 오직 하나의 IFFT 동작이 각각의 OFDM 심볼(각각의 홉)을 위해 요구된다.
본 발명은 저비용으로 그리고 낮은 전력 소모로 공간 다이버시티를 획득하기 위해 MB-OFDM UWB 시스템에 적용될 수 있다. 이것은 더 높은 데이터 속도(예컨대, 1 Gbps)로 적당한 범위에 도달하는데 필수적일 수 있다. 또한 이는 기존의 데이터 속도를 위한 성능(범위)을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 예시되고 설명되었지만, 본 발명에서 설명된 바와 같은 장치, 시스템 구조 및 방법이 예시적이고, 다양한 변화와 수정이 행해질 수 있으며, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 동등물이 이의 구성요소를 위해 대체될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 더욱이, 본 발명의 중심 범위에서 벗어나 지 않고 본 발명의 교지(敎旨:teachings)를 특정한 상황에 적응시키기 위해 많은 수정이 이루어질 수 있다. 그러므로 본 발명이 본 발명을 실행하기 위해 심사숙고되는 최상의 모드로 개시된 특정한 실시예에 제한되어서는 안 되며, 본 발명이 첨부된 청구항의 범위에 존재하는 모든 실시예를 포함해야 한다는 사실을 의도한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 다중대역 직교 주파수 분할 다중(MB-OFDM:multi-band orthogonal frequency divisional multiplexing) 초-광대역(UWB:ultra-wideband) 시스템을 위한 시스템, 장치 및 방법에 이용가능 하다.

Claims (9)

  1. MB OFDM 시스템으로서,
    - 적어도 하나의 입력 심볼의 스트림에 응답하는 코더로서, 각각의 적어도 하나의 입력 심볼에 대응하는 복수의 채널 심볼을 포함하는 세트를 형성하여, 각각의 적어도 하나의 입력 심볼에 대응하는 채널 심볼이 상기 입력 심볼, 입력 심볼의 음의 심볼(negative), 입력 심볼의 켤레 복소수 및 입력 심볼의 켤레 복소수의 음의 심볼를 포함하는, 코더와;
    - 복수의 안테나와;
    - 출력 스테이지로서,
    a. ⅰ. 단일 IFFT의 출력으로서 서로간의 켤레 복소수인 두개의 채널 심볼 중 하나와, 상기 두개의 채널 심볼 중 나머지 하나를 출력 지수의 반전을 이용하여 변환하고,
    ⅱ. 두개의 변환된 OFDM 심볼이 반전된 지수를 갖는 서로간의 사본(copy)이도록, IFFT를 이용하여 변환된 심볼로부터 OFDM 심볼을 생성하고,
    서로간의 켤레 복소수가 아닌 채널 심볼을 시간 영역으로 옮기되,
    상기 채널 심볼의 스트림은 OFDM 심볼로 옮겨지며,
    b. 입력 심볼에 대응하는 복수의 OFDM 심볼의 서브셋이 복수의 안테나 중 서로 다른 안테나에 의해 복수의 별개의 채널 중 서로 다른 채널의 동일한 서브-반송파로 동시적으로 전송되도록 송신 매체를 통해 복수의 별개의 채널을 형성하기 위하여 복수의 안테나에 상기 OFDM 심볼을 인가하도록 구성된,
    출력 스테이지와;
    - 상기 출력 스테이지에 의해 전송된 신호를 수신하여 디코딩하도록 적응된 단일 안테나를 갖는 수신기로서, 상기 스트림은 전송을 위해 시공간 부호화되는, 단일 안테나를 갖는 수신기를
    포함하는, MB OFDM 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 출력 스테이지에 의해 전송된 신호를 수신하여 디코딩하도록 적응된 단일 안테나를 갖는 수신기를 더 포함하는, MB OFDM 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 별개의 채널은 전송 신호(transmission)를 채널로부터 단일 수신기 안테나로 유도하는, MB OFDM 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 코더는 n 개의 채널 심볼의 블록으로 입력 심볼을 인코딩하는, MB OFDM 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 코더는 2개의 채널 심볼의 블록으로 입력 심볼을 인코딩하여, 2개의 채널 심볼{S0, S1}의 각각의 블록이 2개의 심볼{S0, -S1 *}의 제1 시퀀스로 그리고, 2개의 채널 심볼{S1, S0 *}의 제2 시퀀스로 인코딩되게 하고, 여기서 상기 Si *는 Si의 켤레 복소수이고;
    상기 복수의 안테나는 제1 안테나와 제2 안테나로 구성되고;
    상기 출력 스테이지는 상기 제1 시퀀스를 상기 제1 안테나에 인가하고, 제2 시퀀스를 상기 제2 안테나에 인가하는, MB OFDM 시스템.
  6. MB OFDM 송신기로서,
    - 적어도 하나의 입력 심볼의 스트림에 응답하는 코더로서, 각각의 적어도 하나의 입력 심볼에 대응하는 복수의 채널 심볼을 포함하는 세트를 형성하여, 각각의 적어도 하나의 입력 심볼에 대응하는 채널 심볼이 상기 입력 심볼, 입력 심볼의 음의 심볼, 입력 심볼의 켤레 복소수 및 입력 심볼의 켤레 복소수의 음의 심볼을 포함하도록 하는, 코더와;
    - 복수의 안테나와;
    - 출력 스테이지로서,
    a. ⅰ. 단일 IFFT의 출력으로서 서로간의 켤레 복소수인 두개의 채널 심볼 중 하나와 상기 두개의 채널 심볼 중 나머지 하나를 출력 지수의 반전을 이용하여 변환하고,
    ⅱ. 두개의 변환된 OFDM 심볼이 반전된 지수를 갖는 서로간의 사본(copy)이도록, IFFT를 이용하여 변환된 심볼로부터 OFDM 심볼을 생성하고,
    서로간의 켤레 복소수가 아닌 채널 심볼을 시간 영역으로 옮기되,
    상기 채널 심볼의 스트림은 OFDM 심볼로 옮겨지며,
    b. 입력 심볼에 대응하는 복수의 OFDM 심볼의 서브셋이 복수의 안테나 중 서로 다른 안테나에 의해 복수의 별개의 채널 중 서로 다른 채널의 동일한 서브-반송파로 동시적으로 전송되도록 송신 매체를 통해 복수의 별개의 채널을 형성하기 위하여 복수의 안테나에 상기 OFDM 심볼을 인가하도록 구성된,
    출력 스테이지와;
    - 상기 출력 스테이지에 의해 전송된 신호를 수신하여 디코딩하도록 적응된 단일 안테나를 갖는 수신기로서, 상기 스트림은 전송을 위해 시공간 부호화되는, 단일 안테나를 갖는 수신기를
    포함하는, MB OFDM 송신기.
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