KR101425859B1

KR101425859B1 - Ｉｒ-ｕｗｂ 시스템 기반의 성능 향상 방법과 그를 위한 ｕｗｂ 수신 장치

Info

Publication number: KR101425859B1
Application number: KR1020120050152A
Authority: KR
Inventors: 민승욱; 조춘식
Original assignee: 상명대학교서울산학협력단
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2014-07-31
Also published as: KR20130126225A

Abstract

IR-UWB 시스템 기반의 성능 향상 방법과 그를 위한 UWB 수신 장치를 개시한다.
송신 장치로부터 전송된 RF 신호를 수신하는 통신부; 다중경로(Multipath) 상에서 상기 RF 신호를 검출하는 수신기; 상기 RF 신호에 대한 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호(Time-Hopped Code)를 생성하는 시간 도약 부호 생성부; 상기 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 이용하여 상기 RF 신호의 펄스 간의 간격(Distance)을 산출하는 펄스 간격 산출부; 상기 간격에 따른 가중치를 산출하는 가중치 산출부; 및 산출된 상기 가중치를 상기 RF 신호에 대한 각각의 펄스마다 적용하는 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치를 제공한다.
본 실시예에 의하면, UWB 시스템에서 다중경로 페이딩에 존재하는 다중 사용자 환경에서 수신되는 펄스와 앞선 펄스(Previous Pulse) 또는 뒤따르는 펄스(Following Pulse) 사이에 간격에 대한 가중치를 다르게 적용함으로써 복호 효율이 증대되는 효과가 있다.

Description

ＩＲ-ＵＷＢ 시스템 기반의 성능 향상 방법과 그를 위한 ＵＷＢ 수신 장치{Method for Improving Performance Based on Impulse Radio - UWB System and UWB Receiver Therefor}

본 실시예는 IR-UWB 시스템 기반의 성능 향상 방법과 그를 위한 UWB 수신 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, UWB 시스템에서 송신 신호의 신뢰성을 높이기 위하여 전송하는 반복 부호(Repeated Code)의 수신 성능을 높이기 위하여 수신되는 펄스의 간격에 따라 가중치를 부여함으로써 수신 신호의 BER(Bit Error Rate) 등의 성능을 향상시킬 수 있는 IR-UWB 시스템 기반의 성능 향상 방법과 그를 위한 UWB 수신 장치에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

일반적으로, UWB(Ultra Wide Band)는 단거리 구간에서 낮은 전력으로 넓은 스펙트럼 주파수를 통하여, 많은 양의 디지털 데이터를 전송하기 위한 무선 기술로서, GHz 대의 주파수를 사용하면서도 초당 수천 내지 수백만의 저출력 펄스로 이루어진다. 그리고, UWB 시스템은 중심 주파수가 20 % 이상 또는 500 MHz 이상의 대역폭을 이용하는 무선전송기술을 이용하는데, 넓은 대역폭으로 인하여 전력 스펙트럼의 밀도는 일반적인 협대역 통신의 스펙트럼 밀도보다 낮기 때문에 다른 무선통신시스템과의 스펙트럼 공유가 가능하다.

또한, UWB 시스템은 넓은 대역폭을 사용하기 때문에, 실내와 같이 벽 또는 복수개의 물체가 전파를 방해하는 등의 다중경로 페이딩(Multipath Fading) 요소가 존재하더라도, 저전력으로 대용량의 데이터를 전송할 수 있어 홈네트워킹에 이용될 수 있고, 사무실이나 가정에서 10m 내외의 거리에 위치한 개인용 컴퓨터와, 주변 기기 및 가전 제품 등을 초고속 무선망으로 연결하는 근거리 통신망(PAN: Personal Area Network)에 적합하다.

특히, UWB 시스템 중 IEEE 802.15.4의 IR - UWB(Impulse Radio - UWB) 시스템은 하나의 펄스에 데이터를 실어 전송하는 것이 아니라, 복수 개의 임펄스로 나누어 데이터를 실어 전송하기 때문에 데이터 전송률은 다소 낮아지더라도, 채널에 대한 강인성이 증가한다.

한편, 종래의 UWB 시스템에서는 반복되는 펄스들의 가중치가 모두 동등하게 복호에 이용되므로, 다중경로에 페이딩이 존재하는 채널에서는 채널 임펄스 응답(Channel Impulse Response)이 10 nsec 이상 존재하게 된다. 이는 슬롯 간격이 1 nsec 인 시스템에서는 10 슬롯이상 영향을 주게 된다. 결과적으로 이러한 채널 임펄스 응답은 다중 사용자 간섭(Multi User Interference)으로 수신 성능에 영향을 주게 되는 문제가 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위해 본 실시예는, UWB 시스템에서 송신 신호의 신뢰성을 높이기 위하여 전송하는 반복 부호의 수신 성능을 높이기 위하여 수신되는 펄스의 간격에 따라 가중치를 부여함으로써 성능을 향상시킬 수 있는 IR-UWB 시스템 기반의 성능 향상 방법과 그를 위한 UWB 수신 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 실시예의 일 측면에 의하면, 송신 장치로부터 전송된 RF 신호를 수신하는 통신부; 다중경로(Multipath) 상에서 상기 RF 신호를 검출하는 수신기; 상기 RF 신호에 대한 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호(Time-Hopped Code)를 생성하는 시간 도약 부호 생성부; 상기 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 이용하여 상기 RF 신호의 펄스 간의 간격(Distance)을 산출하는 펄스 간격 산출부; 상기 간격에 따른 가중치를 산출하는 가중치 산출부; 및 산출된 상기 가중치를 상기 RF 신호에 대한 각각의 펄스마다 적용하는 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치를 제공한다.

또한, 본 실시에의 다른 측면에 의하면, 통신부에서 송신 장치로부터 전송된 RF 신호를 수신하는 과정; 수신기에서 다중경로(Multipath) 상에서 상기 RF 신호를 검출하는 과정; 시간 도약 부호 생성부에서 상기 RF 신호에 대한 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호(Time-Hopped Code)를 생성하는 과정; 펄스 간격 산출부에서 상기 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 이용하여 상기 RF 신호의 펄스 간의 간격(Distance)을 산출하는 과정; 가중치 산출부에서 상기 간격에 따른 가중치를 산출하는 과정; 및 결정부에서 산출된 상기 가중치를 상기 RF 신호에 대한 각각의 펄스마다 적용하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 IR-UWB 시스템 기반의 성능 향상 방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, UWB 시스템에서 송신 신호의 신뢰성을 높이기 위하여 전송하는 반복 부호의 수신 성능을 높이기 위하여 수신되는 펄스의 간격에 따라 가중치를 부여함으로써 수신 신호의 BER 등의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 즉, UWB 시스템에서 수신 장치가 반복 부호를 복호화할 때 다중 사용자 간의 시간 도약 부호를 이용한 펄스의 간격에 대한 가중치를 적용할 수 있는 효과가 있으며, 이러한 성능 향상으로 인해, UWB 시스템에서의 전송 속도에 대한 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 실시예에 의하면, UWB 시스템에서 다중경로 페이딩에 존재하는 다중 사용자 환경에서 수신되는 펄스와 앞선 펄스(Previous Pulse) 또는 뒤따르는 펄스(Following Pulse) 사이에 간격에 대한 가중치를 다르게 적용함으로써 복호 효율이 증대되는 효과가 있다.

도 1은 본 실시예에 따른 UWB 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도,
도 2는 본 실시예에 따른 UWB 수신 장치의 성능 향상부를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도,
도 3은 본 실시예에 따른 UWB 시스템 기반의 성능 향상 방법을 설명하기 위한 순서도,
도 4는 본 실시예에 따른 가중치를 이용한 수신 성능 향상 시 사용자의 수에 따른 변화를 나타낸 예시도,
도 5는 본 실시예에 따른 가중치를 이용한 수신 성능 향상 시 신호대잡음비에 따른 변화를 나타낸 예시도이다.

이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 실시예에 따른 UWB 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.

본 실시예에 따른 UWB 시스템(100)은 송신 장치(110)와 수신 장치(120)를 포함한다. 본 실시예에서는 UWB 시스템(100)이 송신 장치(110)와 수신 장치(120)만을 포함하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 UWB 시스템(100)에 포함되는 구성 요소에 대하여 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.

본 실시예에 따른 UWB 시스템(100)은 다중경로 페이딩(Multipath Fading)이 존재하는 다중 사용자 환경(Multi User Environments)에서 수신되는 펄스와 앞선 펄스(Previous pulse) 또는 뒤따르는 펄스(Following Pulse) 사이에 간격에 대한 가중치를 다르게 적용하여 복호 효율을 증대하는 시스템이다. 이때, UWB 시스템(100)은 간격이 작으면 간섭이 크고, 간격이 크면 간섭이 작은 것으로 인식하여 가중치 함수를 적용할 수 있다. 한편, 펄스란 지속시간이 짧고 주기가 일정한 전류나 전압을 말하며, 변동이 반복되는 상태를 나타낸다.

이러한, UWB 시스템(100)은 IR-UWB 시스템으로서, 광대역을 활용하여 데이터를 전송하는 방식이며, 복수의 사용자들에게 접근 기회를 제공하기 위하여 시간 도약 부호(Time-Hopoed Code)를 이용한다. 여기서, 시간 도약 부호란 각각의 다중 사용자별로 1/N_h(N_h: 프레임 내의 타임슬롯(칩)의 개수)의 확률로 [0, N_h-1] 사이의 정수값을 가지는 확률 변수를 말한다.

즉, UWB 시스템(100)은 다중의 사용자가 있는 중앙집중된 시스템(Centralized System)에서 기지국(Base Station 또는 Sink)는 무선 연결된 사용자들의 시간 도약 부호를 이용하여 데이터를 수신하게 되는데, 수신된 데이터는 데이터의 신뢰도를 높이기 위하여 여러번 반복하여 전송되며, 이때 수신되는 데이터를 이용하여 복조한다. 한편, UWB 시스템(100)을 가중치가 없는 종래의 방식과의 비교하자면, 펄스 간격이 충분히 큰 경우에는 동일한 성능을 발휘하나, 펄스 간의 간격이 의사 랜덤(Pseudo Random)인 경우에는 성능의 개선이 이루어지게 되는 것이다.

이하, 도 1에 도시된 UWB 시스템(100)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

송신 장치(TX: Transmitter)(110)는 채널 코딩부(Channel Coding Part)(112)와 변조부(Modulating Part)(114)를 포함하고, 수신장치(RX: Receiver)(120)는 성능 향상부(122), 복조부(Demodulating Part)(124)와 채널 디코딩부(Channel Decoding Part)(126)를 포함한다.

이하, 송신 장치(110)에 대해 설명하자면, 송신 장치(110)에 포함된 채널 코딩부(112)는 디지털 전송 신호에 부수적인 잉여 비트를 삽입하고, 채널에 가해지는 각종 잡음으로 인한 에러를 검출 및 정정하는 기능을 수행하며, 이를 위하여 외부 코드 및 내부 코드로 코딩된다. 변조부(114)는 채널을 통과한 신호에서 발생하는 오프셋(Offset)인 시간 지연 및 잡음 등의 상태를 파악하기 위하여, PPM(Pulse Position Modulation) 또는 PPM + BPSK(Pulse Position Modulation + Binary Phase Shift Keying)로 데이터를 변조할 수 있다. 여기서, PPM(Pulse Position Modulation)는 일정 진폭 펄스의 반복 주파수를 적어도 전송하려고 하는 정보 내용에 포함되는 최고 주파수의 수 배로 택하고, 정보원에 따라 펄스의 발생 위치를 바꾸어 변조하는 펄스위치변조를 의미한다. 더불어, PSK는 디지털 신호에 대응하여 반송파의 위상을 각각 다르게 전송하는 변조방식이다.

이후 변조부(114)를 경유한 데이터는 복수 개의 칩을 포함시켜 데이터 심볼을 형성할 수 있다. 데이터 심볼 앞부분에 프리앰블을 붙여 프레임을 구성할 수 있는데, 프리앰블은 송신 장치(110)와 수신 장치(120) 간에 기 설정된 신호이며, 프레임의 시작점을 찾아 빠르게 동기화될 수 있다. 한편, 송신 장치(110)에는 다중화 장치(Mutiplexer)가 구비될 수 있는데, 다중화 기술을 이용하여 하나의 회선 또는 전송로를 분할하고, 개별적으로 독립된 복수의 신호를 송, 수신할 수 있는 장치로서, 다중화 방식에 따라 주파수 분할 다중 방식(FDM), 시분할 다중 방식(TDM), 부호 분할 다중 방식(CDM) 등이 있다.

또한, 송신 장치(110)와 수신 장치(120) 간의 동기화를 위하여, 송신장치 측의 기준 신호를 다중화 장치로 입력하여 전달하며, 동기 또는 채널추정을 위한 기준 신호를 정해진 순서 및 위치에 배치하여 프레임으로 통합시킨다. 이후 송신 장치(110)는 통합된 신호를 확산시켜 반송기(Carrier)에 신호를 싣고, 이를 증폭시켜 송신 안테나로 보내는데, 무선 주파수(Radio Frequency)로 증폭시켜 수신 안테나로 송신한다. 가령, 주파수를 상향 변환하여 송신 안테나를 통해 무선 채널 상에 전송한다.

이하, 수신 장치(120)에 대해 설명하자면, 수신 장치(120)는 송신 장치(110)에서 상향 변환한 주파수인 무선주파수를 중간 대역 주파수(IF: Intermediate Frequency) 또는 기저 대역(Base Band)으로 하향 변환시킨다. 이때, 송신 장치(110)에서 확산시킨 신호를 역확산하여 원본 신호를 생성하는데, 송신 장치(110)에서 확산할 때 사용한 부호를 알고 있어야 하며, 이는 동기화 시 이용될 수 있다. 또한, 수신 장치(120)는 역 다중화 장치(Demultiplexer)를 구비할 수 있는데, 역 다중화 장치는 다중화 장치와 정반대 기능을 수행하는 조합 논리 회로로서, 복수개의 출력 중에서 하나를 선택하여 입력을 연결시키므로 분배기라 한다.

한편, 수신 장치(120)에 구비된 성능 향상부(122)를 이용하여 성능을 향상 시킬 수 있는데, 구체적인 동작에 대해 설명하자면 다음과 같다. 성능 향상부(122)는 수신된 RF 신호에 대한 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 생성하고, 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 이용하여 RF 신호의 펄스 간의 간격을 산출하며, 간격에 따른 가중치를 산출하고, 산출된 가중치를 RF 신호에 대한 각각의 펄스마다 적용한다.

이하, 성능 향상부(122)의 동작에 대해 설명하자면, 성능 향상부(122)는 무선 환경을 통하여 수신된 RF 신호를 수신하고, RF 신호를 다중경로 상에서 검출한다. 이때, 성능 향상부(122)는 하나의 펄스에 대하여 검출된 신호는 MRC(Maximal Ratio Combiner)를 통하여 신호의 출력값을 결정한다. 즉, 성능 향상부(122)는 각 펄스의 출력값을 반복 횟수만큼 누적하여 부호를 복조하는데, 예컨대 누적값 Z가 0보다 작으면 1, 크면 0이 되며, 오류가 발생하는 경우, 간섭에 의해 잘못된 값이 크게 나타나서 누적 Z값에 영향을 주게 된다. 또한, 성능 향상부(122)는 반복 부호를 사용하는 경우, 하나의 펄스로 데이터를 결정하는 것이 아니라 반복된 수만큼의 펄스를 수신한 이후에 0이나 1로 결정하게 된다.

즉, 성능 향상부(122)는 각각의 펄스의 간격을 이용하여 수신된 신호에 가중치를 부여하는 방식이므로, 수신 장치(120)에 각 사용자별로 시간 도약 부호를 발생시키고, 이를 통해 펄스 간의 간격을 산출하고, 산출된 간격에 따른 가중치를 산출한 후 가중치가 각 펄스마다 곱해서 반복 부호만큼을 가산 값을 이용하게 된다. 예컨대, 가중치를 각 펄스마다 곱해서 반복 부호 만큼을 더한 값이 Z 이면, 'Z < 0'인 경우 복조된 값은 '1'이되고, 'Z ≥ 0'인 경우 복조된 값은 '0'이 된다.

이하, 전술한 과정을 수학식으로 표현하면 다음과 같다. 먼저 사용자 i에 대한 이진 PPM(Pulse Position Modulation) 시간도약 다중접속 신호(S⁽ⁱ⁾(t))는 [수학식 1]과 같다.

(w_o(t): 펄스 파형, E⁽ⁱ⁾: 각 펄스의 송신전력, c_j ⁽ⁱ⁾T_C: 시간 도약 부호에 의한 시간 이동, c_j ⁽ⁱ⁾: 사용자 i가 사용하는 시간 도약 부호의 j번째 계수, T_c: 타임 슬롯(칩) 주기, a_j ⁽ⁱ⁾δ: 변조에 의해 생긴 시간변이, a_j(i): 사용자 i에 대한 j번째 펄스에 의해 전달되는 이진값)

한편, 수신된 RF 신호(r(t))는 [수학식 2]로 표현될 수 있다.

(E⁽ⁱ⁾: 각 펄스의 송신전력, w_o(t): 펄스 파형, j: 가중 지수(Index of Summation), T_s: 프레임 듀레이션(Frame Duration)(=Nh x Tc), c_j ⁽ⁱ⁾T_c: 시간 도약 부호에 의한 시간 이동, a_j ⁽ⁱ⁾δ: 변조에 의해 생긴 시간변이, h⁽ⁱ⁾(t): 사용자 i에 대한 채널모델, n(t): 노이즈)

한편, 수신된 RF 신호는 상관 수신기 출력(Correlation Receiver Output) Z는 [수학식 3]과 같다.

(T_b: 비트 듀레이션(Bit Duration)(=Ns x Ts = Ns x Nh x Tc), r(t): 수신된 RF 신호, m(t): 상관 수신 마스크(Correlation Receiver Mask))

또한, 상관 수신 마스크(m(t))는 [수학식 4]와 같다.

(N_s: 반복 회수(the Number of Repetitions), j: 가중 지수(Index of Summation), T_s: 프레임 듀레이션(Frame Duration)(=Nh x Tc), C_j ⁽ⁱ⁾T_C: 시간 도약 부호에 의한 시간 이동(Time Shift))

또한, 가중치 함수(g(d))는 [수학식 5]와 같다.

(d: 간격(Distance), T_c: 칩 듀레이션(Chip Duration), τ_rms: RMS(Root Mean Square) 지연확산(Delay Spread))

또한, 현재 펄스와 앞선 펄스와 간격은 [수학식 6]과 같다.

(c_j ⁽ⁱ⁾: 사용자 i가 사용하는 시간 도약 부호의 j번째 계수, c_j ^(k): 사용자 k가 사용하는 시간 도약 부호의 j번째 계수, N_h: 프레임 내의 타임슬롯(칩)의 개수)

또한, 현재 펄스와 뒤따르는 펄스와 간격은 [수학식 7]과 같다.

이후, 수신 장치(120)에 구비된 복조부(124)는 변조부(114)의 반대로 데이터를 복조하며, 채널 디코딩부(126)는 채널 코딩부(112)에서 수행했던 작업을 역으로 수행하여 데이터를 출력한다.

도 2는 본 실시예에 따른 UWB 수신 장치의 성능 향상부를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.

본 실시예에 따른 UWB 수신 장치(120)의 성능 향상부(122)는 통신부(210), 수신기(220), 시간 도약 부호 생성부(230), 펄스 간격 산출부(240), 가중치 산출부(250) 및 결정부(260)를 포함한다. 본 실시예에서는 UWB 수신 장치(120)가 통신부(210), 수신기(220), 시간 도약 부호 생성부(230), 펄스 간격 산출부(240), 가중치 산출부(250) 및 결정부(260)만을 포함하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 UWB 수신 장치(120)에 포함되는 구성 요소에 대하여 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.

통신부(210)는 RF 모듈로서, 안테나를 통해 RF 신호를 수신한다. 즉, 통신부(210)는 송신 장치(110)로부터 전송된 RF 신호를 안테나를 경유하여 수신한다. 한편, 수신기(220)는 다중경로(Multipath) 상에서 RF 신호를 수신한다. 수신기(220)는 바람직하게는 레이크 수신기(Rake Receiver)일 수 있다. 이러한, 레이크 수신기는 CDMA 방식에서 서로 다른 경로로 도착한 시간차이(지연확산)가 있는 다중경로 신호들을 묶어서 보다 나은 신호를 얻을 수 있도록 해주는 수신기를 말한다. 즉, 이러한 레이크 수신기는 서로 다른 경로로 수신기에 도착하여 문제를 일으키는 다중경로 페이딩에 의해 영향을 받은 신호 성분들의 경로 간 간섭을 최소화하며, 결과적으로, 시간 다이버시티(Time Diversity) 효과에 의해 전송품질의 열화를 극복할 수 있는 수신기를 말한다.

시간 도약 부호 생성부(230)는 RF 신호에 대한 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 생성한다. 또한, 시간 도약 부호 생성부(230)는 각각의 다중 사용자별로 1/N_h(N_h: 프레임 내의 타임슬롯(칩)의 개수)의 확률로 [0, N_h-1] 사이의 정수값을 가지는 확률 변수인 시간 도약 부호를 생성한다.

펄스 간격 산출부(240)는 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 이용하여 RF 신호의 펄스 간의 간격을 산출한다. 펄스 간격 산출부(240)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명하자면, 펄스 간격 산출부(240)는 RF 신호의 현재 펄스를 기준으로 앞선 펄스와의 간격 또는 뒤따르는 펄스와의 간격을 산출한다. 즉, 펄스 간격 산출부(240)는 현재 펄스와 앞선 펄스와의 간격을 산출하기 위해 [수학식 6]을 이용한다. 한편, 펄스 간격 산출부(240)는 현재 펄스와 뒤따르는 펄스와의 간격을 산출하기 위해 [수학식 7]을 이용한다.

가중치 산출부(250)는 간격에 따른 가중치를 산출한다. 이러한, 가중치 산출부(250)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명하자면, 가중치 산출부(250)는 간격을 기 설정된 임계치와 비교하여 간격이 짧은 간격인 경우 간섭이 큰 것으로 판단하여 작은 가중치를 산출하고, 간격이 넓은 간격인 경우 간섭이 작은 것으로 판단하여 큰 가중치를 산출한다. 즉, 가중치 산출부(250)는 가중치를 산출하기 위해 가중치 함수(g(d))에 [수학식 5]를 적용한다. 여기서, 가중치 함수(g(d))는 현재 펄스와 앞선 펄스와의 간격 또는 현재 펄스와 뒤따르는 펄스와의 간격에 따라 가중치가 결정되는 함수로서, 다중 사용자별 펄스 간에 충돌이 발생하여 간격(d)이 0이 되는 경우, 가중치 함수(g(d))도 0이 되므로, τ_rms 보다 큰 간격에서 가중치 함수(g(d))가 1로 접근하는 함수이다.

결정부(260)는 산출된 가중치를 RF 신호에 대한 각각의 펄스마다 적용한다. 이러한, 결정부(260)의 동작 과정에 대해 보다 구체적으로 설명하자면, 결정부(260)는 산출된 가중치를 RF 신호에 대한 각각의 펄스마다 곱해서 반복 부호(Repeated Code)만큼을 가산한다. 즉, 결정부(260)는 [수학식 3]을 이용하여 RF 신호의 상관 수신기 출력(Z)을 생성한다. 한편, 결정부(260)는 상관 수신기 출력(Z)에 해당하는 상관 수신 마스크(m(t))를 산출하기 위해 [수학식 4]를 이용한다.

도 3은 본 실시예에 따른 UWB 시스템 기반의 성능 향상 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

수신 장치(120)는 송신 장치로부터 전송된 RF 신호를 수신하고, 다중경로 상에서 RF 신호를 검출한 후 RF 신호에 대한 다중 사용자 중 새로운 사용자가 있는지의 여부를 확인한다(S310).

단계 S310의 확인 결과, RF 신호에 대한 다중 사용자 중 새로운 사용자가 있는 경우, 수신 장치(120)는 새로운 사용자에 대한 시간 도약 부호를 생성한다(S320). 물론, 단계 S320에서 수신 장치(120)는 새로운 사용자와 무관하게 RF 신호에 대한 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 생성할 수 있다. 여기서, 수신 장치(120)는 각각의 다중 사용자별로 1/N_h(N_h: 프레임 내의 타임슬롯(칩)의 개수)의 확률로 [0, N_h-1] 사이의 정수값을 가지는 확률 변수인 시간 도약 부호를 생성한다.

수신 장치(120)는 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 이용하여 RF 신호의 펄스 간의 간격을 산출한다(S330). 단계 S330에서 수신 장치(120)는 RF 신호의 현재 펄스를 기준으로 앞선 펄스와의 간격 또는 뒤따르는 펄스와의 간격을 산출한다. 즉, 수신 장치(120)는 현재 펄스와 앞선 펄스와의 간격을 산출하기 위해 [수학식 6]을 이용하고, 현재 펄스와 뒤따르는 펄스와의 간격을 산출하기 위해 [수학식 7]을 이용할 수 있다.

수신 장치(120)는 산출된 펄스 간의 간격에 따른 가중치를 산출한다(S340). 단계 S340에서 수신 장치(120)는 펄스 간의 간격을 기 설정된 임계치와 비교하여 간격이 짧은 간격인 경우 간섭이 큰 것으로 판단하여 작은 가중치를 산출하고, 간격이 넓은 간격인 경우 간섭이 작은 것으로 판단하여 큰 가중치를 산출한다. 즉, 수신 장치(120)는 가중치를 산출하기 위해 가중치 함수(g(d))에 [수학식 5]를 적용한다. 여기서, 가중치 함수(g(d))는 현재 펄스와 앞선 펄스와의 간격 또는 현재 펄스와 뒤따르는 펄스와의 간격에 따라 가중치가 결정되는 함수로서, 다중 사용자별 펄스 간에 충돌이 발생하여 간격(d)이 0이 되는 경우, 가중치 함수(g(d))도 0이 되므로, τ_rms 보다 큰 간격에서 가중치 함수(g(d))가 1로 접근하는 함수이다.

단계 S340 이후에 수신 장치(120)는 산출된 가중치를 RF 신호에 대한 각각의 펄스마다 적용한다. 즉, 수신 장치(120)는 산출된 가중치를 RF 신호에 대한 각각의 펄스마다 곱해서 반복 부호만큼을 가산한다. 즉, 수신 장치(120)는 [수학식 3]을 이용하여 RF 신호의 상관 수신기 출력(Z)을 생성한다. 한편, 수신 장치(120)는 상관 수신기 출력(Z)에 해당하는 상관 수신 마스크(m(t))를 산출하기 위해 [수학식 4]를 이용할 수 있다.

수신 장치(120)는 새로운 펄스가 있는지의 여부를 확인한다(S350). 즉, 수신 장치(120)는 다중경로 상에 새로운 펄스가 있는지의 여부를 확인하는 것이다. 단계 S350의 확인 결과, 새로운 펄스가 있는 것으로 확인되는 경우, 수신 장치(120)는 단계 S310 내지 단계 S340을 다시 수행한다.

이러한, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 수신 장치(120)는 새로운 사용자가 나타나는 경우 시간 도약 부호를 생성하고 펄스 간격을 산출하여 가중치를 산출할 수 있다.

도 3에서는 단계 S310 내지 단계 S350을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 3에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 단계 S310 내지 단계 S350 중 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 3은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.

전술한 바와 같이 도 3에 기재된 본 실시예에 따른 UWB 시스템 기반의 성능 향상 방법은 프로그램으로 구현되고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다. 본 실시예에 따른 UWB 시스템 기반의 성능 향상 방법을 구현하기 위한 프로그램이 기록되고 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 이러한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 또한, 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.

도 4는 본 실시예에 따른 가중치를 이용한 수신 성능 향상 시 사용자의 수에 따른 변화를 나타낸 예시도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 수신 장치(120)가 송신 장치(110)로부터 수신된 RF 신호에 대한 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 생성하고, 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 이용하여 RF 신호의 펄스 간의 간격을 산출하며, 간격에 따른 가중치를 산출하고, 산출된 가중치를 RF 신호에 대한 각각의 펄스마다 적용하는데, 결과적으로 'N_h = 30'인 경우와 'N_h = 60'인 경우, 사용자 수에 따른 BER(Bit Error Rate)을 확인하게 되면, BER이 낮아짐을 확인할 수 있다.

도 5는 본 실시예에 따른 가중치를 이용한 수신 성능 향상 시 신호대잡음비에 따른 변화를 나타낸 예시도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 수신 장치(120)가 본 실시예에 따른 수신 장치(120)가 송신 장치(110)로부터 수신된 RF 신호에 대한 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 생성하고, 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 이용하여 RF 신호의 펄스 간의 간격을 산출하며, 간격에 따른 가중치를 산출하고, 산출된 가중치를 RF 신호에 대한 각각의 펄스마다 적용하는데, 결과적으로 'N_h = 30'인 경우와 'N_h = 60'인 경우, 신호대 잡음비(SNR)에 따른 BER을 확인하게 되면, BER이 낮아짐을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: UWB 시스템 110: 송신 장치
112: 채널 코딩부 114: 변조부
120: 수신 장치 122: 성능 향상부
124: 복조부 126: 채널 디코딩부
210: 통신부 220: 수신기
230: 시간 도약 부호 생성부 240: 펄스 간격 산출부
250: 가중치 산출부 260: 결정부

Claims

송신 장치로부터 전송된 RF 신호를 수신하는 통신부;
다중경로(Multipath) 상에서 상기 RF 신호를 검출하는 수신기;
상기 RF 신호에 대한 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호(Time-Hopped Code)를 생성하는 시간 도약 부호 생성부;
상기 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 이용하여 상기 RF 신호의 펄스 간의 간격(Distance)을 산출하는 펄스 간격 산출부;
상기 간격에 따른 가중치를 산출하는 가중치 산출부; 및
산출된 상기 가중치를 상기 RF 신호에 대한 각각의 펄스마다 적용하는 결정부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치.
제 1 항에 있어서,
상기 시간 도약 부호 생성부는,
상기 각각의 다중 사용자별로 1/N_h(N_h: 프레임 내의 타임슬롯(칩)의 개수)의 확률로 [0, N_h-1] 사이의 정수값을 가지는 확률 변수인 상기 시간 도약 부호를 생성하는 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치.
제 1 항에 있어서,
상기 펄스 간격 산출부는,
상기 RF 신호의 현재 펄스(Pulse)를 기준으로 앞선 펄스(Previous Pulse)와의 간격 또는 뒤따르는 펄스(Following Pulse)와의 간격을 산출하는 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치.
제 3 항에 있어서,
상기 펄스 간격 산출부는,
상기 현재 펄스와 상기 앞선 펄스와의 간격을 산출하기 위해

(c_j ⁽ⁱ⁾: 사용자 i가 사용하는 시간 도약 부호의 j번째 계수, c_j ^(k): 사용자 k가 사용하는 시간 도약 부호의 j번째 계수, N_h: 프레임 내의 타임슬롯(칩)의 개수)
의 수학식을 이용하는 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치.
제 3 항에 있어서,
상기 펄스 간격 산출부는,
상기 현재 펄스와 상기 뒤따르는 펄스와의 간격을 산출하기 위해

(c_j ⁽ⁱ⁾: 사용자 i가 사용하는 시간 도약 부호의 j번째 계수, c_j ^(k): 사용자 k가 사용하는 시간 도약 부호의 j번째 계수, N_h: 프레임 내의 타임슬롯(칩)의 개수)
의 수학식을 이용하는 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치.
제 3 항에 있어서,
상기 가중치 산출부는,
상기 간격을 기 설정된 임계치와 비교하여 상기 간격이 짧은 간격인 경우 간섭이 큰 것으로 판단하여 작은 가중치를 산출하고, 상기 간격이 넓은 간격인 경우 간섭이 작은 것으로 판단하여 큰 가중치를 산출하는 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치.
제 6 항에 있어서,
상기 가중치 산출부는,
상기 가중치를 산출하기 위해 가중치 함수(g(d))에

(d: 간격(Distance), T_c: 칩 듀레이션(Chip Duration), τ_rms: RMS(Root Mean Square) 지연확산(Delay Spread))
의 수학식을 적용하는 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치.
제 7 항에 있어서,
상기 가중치 함수(g(d))는,
상기 현재 펄스와 상기 앞선 펄스와의 간격 또는 상기 현재 펄스와 상기 뒤따르는 펄스와의 간격에 따라 가중치가 결정되는 함수로서, 상기 다중 사용자별 펄스 간에 충돌이 발생하여 간격(d)이 0이 되는 경우, 상기 가중치 함수(g(d))도 0이 되므로, 상기 τ_rms 보다 큰 간격에서 상기 가중치 함수(g(d))가 1로 접근하는 함수인 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치.
제 1 항에 있어서,
상기 결정부는,
산출된 상기 가중치를 상기 RF 신호에 대한 각각의 펄스마다 곱해서 반복 부호(Repeated Code)만큼을 가산하는 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치.
제 9 항에 있어서,
상기 결정부는,

(T_b: 비트 듀레이션(Bit Duration)(=Ns x Ts = Ns x Nh x Tc), r(t): 수신된 RF 신호, m(t): 상관 수신 마스크(Correlation Receiver Mask))
의 수학식을 이용하여 상기 RF 신호의 상관 수신기 출력(Z)을 생성하는 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치.
제 10 항에 있어서,
상기 결정부는,
상기 상관 수신기 출력(Z)에 해당하는 상기 상관 수신 마스크(m(t))를 산출하기 위해

(N_s:: 반복 회수(the Number of Repetitions), j: 가중 지수(Index of Summation), T_s: 프레임 듀레이션(Frame Duration)(=Nh x Tc), C_j ⁽ⁱ⁾T_C: 시간 도약 부호에 의한 시간 이동(Time Shift))
의 수학식을 이용하는 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치.
제 1 항에 있어서,
상기 다중경로 상에 사용자 i에 대한 다중접속 신호는,

(w_o(t): 펄스 파형, E⁽ⁱ⁾: 각 펄스의 송신전력, c_j ⁽ⁱ⁾T_C: 시간 도약 부호에 의한 시간 이동, c_j ⁽ⁱ⁾: 사용자 i가 사용하는 시간 도약 부호의 j번째 계수, T_c: 타임 슬롯(칩) 주기, a_j ⁽ⁱ⁾δ: 변조에 의해 생긴 시간변이, a_j(i): 사용자 i에 대한 j번째 펄스에 의해 전달되는 이진값)
인 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치.
제 1 항에 있어서,
상기 RF 신호는,

(E⁽ⁱ⁾: 각 펄스의 송신전력, w_o(t): 펄스 파형, j: 가중 지수(Index of Summation), T_s: 프레임 듀레이션(Frame Duration)(=Nh x Tc), c_j ⁽ⁱ⁾T_c: 시간 도약 부호에 의한 시간 이동, a_j ⁽ⁱ⁾δ: 변조에 의해 생긴 시간변이, h⁽ⁱ⁾(t): 사용자 i에 대한 채널모델, n(t): 노이즈)
인 것을 특징으로 하는 UWB 수신장치.
통신부에서 송신 장치로부터 전송된 RF 신호를 수신하는 과정;
수신기에서 다중경로(Multipath) 상에서 상기 RF 신호를 검출하는 과정;
시간 도약 부호 생성부에서 상기 RF 신호에 대한 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호(Time-Hopped Code)를 생성하는 과정;
펄스 간격 산출부에서 상기 각각의 다중 사용자별 시간 도약 부호를 이용하여 상기 RF 신호의 펄스 간의 간격(Distance)을 산출하는 과정;
가중치 산출부에서 상기 간격에 따른 가중치를 산출하는 과정; 및
결정부에서 산출된 상기 가중치를 상기 RF 신호에 대한 각각의 펄스마다 적용하는 과정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 IR-UWB 시스템 기반의 성능 향상 방법.