KR101553882B1 - 적응적 변조 기법 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

적응적 변조 기법 제어 장치를 공개한다. 본 발명은 마이크로웨이브 통신 시스템의 노드간 링크 거리에 따른 요구 가용도를 보장할 수 있는 페이드 마진을 계산하고, 계산된 페이드 마진으로부터 요구 가용도를 만족할 수 있는 적어도 하나의 변조 기법을 도출하며, 도출된 변조 기법으로부터 우선 순위 전송 용량과 전체 전송 용량 및 우선 순위 전송 용량과 전체 전송 용량에 대응하는 변조 기법의 대역폭을 설정하므로, 요구 가용도를 만족하는 변조 기법을 미리 판별하여 사용하도록 하고, 효율적인 우선 순위 전송 용량과 전체 전송 용량 및 대역폭을 계산할 수 있도록 하며, 마이크로웨이브 통신 시스템의 전송 성능을 향상시키고, 무선 자원의 낭비를 줄일 수 있다.

Description

적응적 변조 기법 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING ADAPTIVE MODULATION SCHEME}
본 발명은 적응적 변조 기법 제어 장치에 관한 것으로, 특히 마이크로웨이브 통신 시스템에서 링크 거리에 따른 가용도와 대역폭 할당 및 우선 순위 전송 용량을 모두 고려하여 마이크로웨이브 통신 시스템의 전송 성능 향상시킬 수 있는 적응적 변조 기법 제어 장치에 관한 것이다.
마이크로 웨이브 통신 시스템은 지휘통신을 위해 전략 기반 요소들을 링크(link)를 통해 서로 통신 연결함으로써 지휘 통제의 효율성을 높이고 있다. 그러나 거리를 두고 분산 배치된 요소들 사이에 전송될 데이터량이 증가되어감에 따라 정보 전송 성능을 보완하면서 동시에 강건하고 효과적인 전송 기술이 요구되고 있다.
마이크로 웨이브 통신 시스템에서 데이터 전송 기술은 기존에 SDH(Synchronous Digital Hierarchy) 기반의 고정 변조 방식에서 패킷에 기반한 망 구조의 대용량 마이크로웨이브 플랫폼 기술로 진화하고 있다. 그리고 장거리 무선 통신이 가능하도록 다수의 장소에 고정되는 네트워크 시설인 PTP(Point-To-Point) 및 PTM(Point-To-Multi) 마이크로웨이브 링크를 광범위하게 사용하고 있다. 마이크로웨이브 링크는 고 품질의 무선 전송을 위해서 전송하고자 하는 이더넷(Ethernet) 트래픽(Traffic) 용량보다 더 큰 전송 용량이 요구되고 있다.
마이크로웨이브 통신 시스템은 수 Mbps에서 수 Gbps의 다양한 전송 속도에서 음성, 데이터와 같은 데이터 속성과 함께, 고 품질의 무선전송을 지속적으로 보장할 수 있도록 링크 거리(link distance)에 따른 가용도(Availability)와 전송 용량(transmission capacity)을 고려하여 설계 및 운용되어야 한다. 특히 군사용 마이크로웨이브 통신 시스템에서는 QoS(Quality of Service)를 고려한 우선 순위 전송 기법은 필수적으로 필요하다. 이는 음성 데이터나 영상 데이터와 같이 실시간 전송이 중요한 데이터와 나머지 데이터를 구분함으로써, 한정된 무선 통신 자원을 효율적으로 활용할 수 있도록 하기 위함이다.
링크 거리에 따라 페이딩(fading) 발생 확률은 세제곱으로 증가하는 것으로 알려져 있다. 따라서 링크 거리가 멀어질수록 고신뢰의 QoS 를 지속적으로 보장하기 어렵다. 이에 장거리 링크에서 신뢰성을 확보할 수 있는 링크 설계 및 운용이 중요하다. 특히 마이크로웨이브 통신 시스템에서 기존의 링크 및 네트워크 구조에서는 링크 거리에 따른 페이딩 발생 확률의 증가로 인해 무선링크의 품질이 변화될 수 있으며, 높은 가용도를 지속적으로 유지하기는 어려울 수 있다.
한편, 기존의 마이크로웨이브 통신 시스템은 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)에 기반하여 지정된 변조 방식만을 사용하는 고정 변조(Fixed Modulation)방식으로 운용되고 있으나, 향후 전송 용량 조절이 가능한 적응적 변조(Adaptive Modulation) 방식으로 진화될 예정이다. 이때 대용량 전송을 위한 변조 방식이 적용될 경우 장거리가 될수록 링크 버짓(link budget)에서 페이드 마진(fade margin)의 저하로 가용도가 감소되어 QoS 보장에 있어 제한사항이 발생할 수 있다. 즉 SNR(Signal to Noise)의 증가로 장거리가 될수록 가용도가 감소되어 마이크로웨이브 통신 시스템의 QoS 보장이 문제될 수 있다.
이에, 기존의 고정 변조 방식의 무선링크와 가변 변조 방식 무선링크 사이의 성능 분석을 통해 무선 링크 전송의 효율적인 보장 및 향상 방안과 관련된 연구가 필요하다.
기존에도 차세대 마이크로웨이브 통신 시스템의 주요 기술 영역인 무선 전송 용량을 증가시키는데 필요한 무선 주파수 능력, 주파수 재사용 기술, 가시거리 다중입출력(line-of-sight multiple input mulple output(LOS -MIMO)), 전력 효율 향상, 무선 집합 연결단(link aggregation group(LAG)), 적응적 변조(Adaptive Modulation)에 대해 연구들이 진행되어 왔다. 그러나, 이들 연구는 거리에 따른 적응적 변조 기법 적용을 고려한 채널별 대역폭 가변 할당, 우선순위 전송용량에 대해서는 고려되지 않았다.
결과적으로 마이크로웨이브 무선 링크에서의 링크 거리를 고려한 대역폭 가변 할당 및 우선순위 전송 용량 비율 설정을 이용한 우선순위 전송 기법을 통해 무선 전송 성능을 향상하기 위한 기술이 필요하다.
B. L. Agba, R. Morin, and G. Bergeron, "Comparison of microwave links prediction methods: Barnett-vigants vs. ITU models," in Proc. PIERS, pp. 788-792, Xi'an, China, Mar. 2010.
본 발명의 목적은 링크 거리에 따른 가용도와 대역폭 할당 및 우선 순위 전송 용량을 모두 고려하여 마이크로웨이브 통신 시스템의 전송 성능 향상시킬 수 있는 적응적 변조 기법 제어 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 적응적 변조 기법 제어 장치는 마이크로웨이브 통신 시스템의 프로파일이 기지정되어 저장된 프로파일 저장부; 상기 프로파일에 지정된 링크 거리와 요구 가용도로부터 기설정된 방식으로 노드간 링크 거리에 따른 요구 페이드 마진을 계산하는 요구 페이드 마진 계산부; 상기 프로파일을 분석하여 수신 신호의 세기와 수신 감도를 계산하는 링크 버짓 계산부; 상기 수신 신호의 세기와 상기 요구 페이드 마진의 차를 상기 수신 감도와 비교하여 상기 마이크로웨이브 통신 시스템에 적용 가능한 복수개의 변조 기법 중 상기 요구 가용도를 만족하는 최저차 변조 기법을 판별하고, 상기 최저차 변조 기법 이상의 고차 변조 기법을 적응적 변조(Adaptive Modulation : 이하 AM) 기법의 가용 변조 기법으로 선택하는 가용 AM 판별부; 상기 가용 변조 기법에 포함된 변조 기법 각각에 대한 전송 용량을 계산하는 전송 용량 계산부; 및 채널 상태 정보를 인가받아 분석하여, 상기 가용 변조 기법 중 하나의 변조 기법을 선택하고, 선택된 변조 기법에 대응하는 대역폭을 결정하는 변조 및 대역폭 결정부; 를 포함한다.
상기 전송 용량 계산부는 상기 최저차 변조 기법에서 계산된 전송 용량을 채널 상태에 무관하게 항시 전송 가능하도록 설정되는 우선 순위 데이터를 위한 우선 순위 전송 용량으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 전송 용량 계산부는 상기 최저차 변조 기법에서의 전송 용량 및 최고차 변조 기법에서의 전송 용량의 평균값을 계산하고, 상기 우선 순위 전송 용량과 상기 평균값의 비를 전송 용량비로 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 변조 및 대역폭 결정부는 상기 전송 용량비를 이용하여 상기 마이크로웨이브 통신 시스템의 기본 전송 용량과 채널 대역폭을 설정하고, 상기 채널 상태 정보에 따라 상기 가용 변조 기법 중 하나의 변조 기법을 선택하고, 선택된 변조 기법에 따라 상기 채널의 개수 및 대역폭을 가변 할당하는 것을 특징으로 한다.
상기 가용 AM 판별부는 상기 마이크로웨이브 통신 시스템에 적용 가능한 상기 복수개의 변조 기법 중 최고차 변조 기법이 상기 요구 가용도를 만족하는 상기 요구 페이드 마진을 갖는지 판별하고, 상기 최고차 변조 기법이 상기 요구 페이드 마진을 갖는 것으로 판별되면, 상기 변조 및 대역폭 결정부가 상기 최고차 변조 기법을 고정 변조 기법으로 적용하도록 선택하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 적응적 변조 기법 제어 장치는 마이크로웨이브 통신 시스템의 노드간 링크 거리에 따른 요구 가용도를 보장할 수 있는 페이드 마진을 계산하고, 계산된 페이드 마진으로부터 요구 가용도를 만족할 수 있는 적어도 하나의 변조 기법을 도출하며, 도출된 변조 기법으로부터 우선 순위 전송 용량과 전체 전송 용량 및 우선 순위 전송 용량과 전체 전송 용량에 대응하는 변조 기법의 대역폭을 설정한다. 그러므로, 요구 가용도를 만족하는 변조 기법을 미리 판별하여 사용하도록 하고, 효율적인 우선 순위 전송 용량과 전체 전송 용량 및 대역폭을 계산할 수 있도록 하며, 마이크로웨이브 통신 시스템의 전송 성능을 향상시키고, 무선 자원의 낭비를 줄일 수 있다.
도1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적응적 변조 기법 제어 장치를 포함하는 마이크로웨이브 통신 시스템을 나타낸다.
도2 는 도1 의 AM 제어 장치의 상세 구성을 나타낸다.
도3 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적응적 변조 기법 제어 방법을 나타낸다.
도4 는 본 발명의 적응적 변조 기법 제어 방법과 기존의 고정 변조 기법에서 링크 거리에 따른 신호대잡음비를 비교하기 위한 도면이다.
도5 는 링크 거리에 따른 평균 전송용량과 우선순위 전송용량에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도6 은 본 발명의 적응적 변조 기법 제어 방법과 기존의 고정 변조 기법에서 링크 거리에 따른 가용도를 비교하기 위한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시 예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적응적 변조 기법 제어 장치를 포함하는 마이크로웨이브 통신 시스템을 나타낸다.
도1 을 참조하면, 본 발명의 마이크로웨이브 통신 시스템은 적응적 변조 기법으로 데이터를 변조하여 송신하는 송신기(100) 및 송신기(100)에서 전송된 신호를 수신하여 데이터를 복조하는 수신기(200)를 구비한다.
송신기(100)과 수신기(200)는 마이크로웨이브 통신 시스템의 노드이며, 본 발명에서는 각 노드의 위치가 미리 지정되어 고정되는 것으로 가정한다. 그리고 통신을 수행하는 복수개의 노드들 사이에 통신을 수행하는 채널의 경로 거리는 링크 거리이다. 즉 본 발명에서는 송신기(100)과 수신기(200)의 위치가 고정되므로, 링크 거리 또한 미리 결정되어 고정된다.
송신기(100)는 인코더(110), 심볼 맵핑부(120), 변조부(130) 및 적응적 변조(Adaptive Modulation : AM) 제어 장치(140)를 구비한다. 인코더(110)는 전송하고자 하는 데이터를 인가받아, 기설정된 방식으로 인코딩하여 심볼 맵핑부(120)로 전송한다. 심볼 맵핑부(120)는 AM 제어 장치(140)에서 지정되는 변조 기법에 따라 인코딩된 데이터를 성상도(constelation)에 맵핑되는(Mapping) 심볼(symbol) 정보로 변환한다. 변조부(130)는 AM 제어 장치(140)에서 지정된 변조 기법 및 대역폭으로 심볼 정보로 변환된 데이터를 송신 신호로서 안테나를 통해 수신기(200)로 전송한다. AM 제어 장치(140)는 미리 저장된 마이크로웨이브 통신 시스템의 프로파일을 기초로 송신기(100)가 수신기(200) 사이의 거리, 즉 링크 거리에 따른 요구 가용도를 보장할 수 있는 페이드 마진을 고려하여 사용 가능한 변조 기법을 도출한다. 그리고 수신기(200)로부터 채널 상태 정보를 수신하여 사용 가능한 변조 기법 중 최적 변조 기법을 판별하여 무선 전송 성능 향상시킬 수 있도록 우선 순위 트래픽 전송량 및 최적 대역폭 할당하여 심볼 맵핑부(120) 및 변조부(130)로 전송한다.
수신기(200)는 복조부(210), 채널 추정부(220), 디맵핑부(230) 및 디코더(240)를 구비한다. 복조부(210)는 채널 추정부(220)에서 인가되는 채널 상태 정보에 따라 송신기(100)에서 사용한 변조 기법을 판별하고, 판별된 변조 기법에 대응하는 방식으로 수신 신호를 복조한다. 그리고 복조된 송신 신호는 디맵핑부(230)에 의해 다시 인코딩 데이터로 변환되고, 인코딩 데이터는 디코더(240)에 의해 디코딩되어 데이터로 복원된다. 그리고 채널 추정부(220)는 수신 신호로부터 기설정된 방식으로 채널 상태를 추정하고, 추정된 채널 상태를 채널 상태 정보로 송신기(100) 및 복조부(210)으로 전송한다. 여기서 채널 추정부(220)는 일예로 수신 신호의 신호대 잡음비(SNR)를 기초로 채널 상태를 추정할 수 있다.
도1 에 도시된 마이크로웨이브 통신 시스템의 블록 구조는 기존의 마이크로웨이브 통신 시스템과 유사하지만, 본 발명에서는 AM 제어 장치(140)가 적응적 변조를 적용하는 방식에서 기존의 AM 제어 장치와 차별화된다.
도2 는 도1 의 AM 제어 장치의 상세 구성을 나타내고, 도3 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적응적 변조 기법 제어 방법을 나타낸다.
본 발명의 적응적 변조 기법 제어 방법은 AM 제어 장치(140)가 링크 거리에 따른 요구 가용도를 보장할 수 있는 페이드 마진을 고려한 최적 변조 기법을 도출하고, 도출된 최적 변조 기법을 기반으로 우선 순위 트래픽 전송량을 계산 및 최적 대역폭 할당하여 마이크로웨이브 통신 시스템의 무선 전송 성능 향상시킬 수 있도록 한다.
도2 를 참조하면, AM 제어 장치(140)는 프로파일 저장부(141), 요구 페이드 마진 계산부(142), 링크 버짓 계산부(143), 가용 AM 판별부(144), 전송 용량 계산부(145), 채널 상태 수신부(146), 변조 및 대역폭 결정부(147)를 포함한다.
프로파일 저장부(141)는 마이크로웨이브 통신 시스템의 프로파일이 저장된다. 여기서 프로파일에는 노드간 링크 거리와 AM 변조 기법에 적용될 수 있는 변조 기법 종류, 마이크로웨이브 통신 시스템의 설계 시에 지정되는 요구 가용도, 전송되는 신호의 중심 주파수, 기후 및 지형 인자, 송신 출력, 이득 및 손실 요소 등에 대한 값이 포함될 수 있다.
요구 페이드 마진 계산부(142)는 먼저 프로파일 저장부(141)에 저장된 프로파일을 분석하여 링크 거리와 요구 가용도를 확인한다(S11).
링크 거리는 통신을 수행하는 복수개의 노드들 사이에 통신을 수행하는 채널의 경로 거리를 나타낸다. 본 발명에서 복수개의 노드는 도1 의 송신기(100) 또는 수신기(200)로 구현될 수 있으며, 송신기(100)와 수신기(200)가 결합된 송수신기로 구현될 수 있다. 그리고 복수개의 노드의 위치는 미리 지정되어 고정된 것으로 가정한다.
한편 마이크로웨이브 통신 시스템에서 요구되는 요구 가용도 또한 시스템 설계 시에 프로파일에 지정될 수 있다. 본 발명에서는 일 예로 요구 가용도가 99.9991%로 지정된 것으로 가정한다.
그리고 프로파일에 지정된 링크 거리와 요구 가용도가 확인되면, 프로파일 저장부(141)는 링크 거리 및 요구 가용도에 대응하는 요구 페이드 마진을 계산한다(S12).
요구 페이드 마진을 계산하기 위해서는 먼저 가용도와 페이드 마진 사이의 상관 관계를 확인해야 한다. 마이크로웨이브 통신 시스템의 가용도와 페이드 마진 사이의 관계는 선행 문헌인 "B. L. Agba, R. Morin, and G. Bergeron, "Comparison of microwave links prediction methods: Barnett-vigants vs. ITU models," in Proc. PIERS, pp. 788-792, Xi'an, China, Mar. 2010."에서 이미 연구되었으며, 장거리 구간에서 B-V(Barnett-vigants) 모델의 다중 경로(Multipath)에 기인한 비가용도가 ITU 모델에 비해 높은 결과가 나타남이 확인되었다. 그리고 B-V 모델에서 비가용도(P(%))는 수학식 4와 같이 계산된다.
Figure 112015036672431-pat00001
(여기서 P는 비가용도(100-가용도)이고, f는 전송되는 신호의 중심 주파수를, A는 페이드 마진을 나타내고, d는 링크 거리를 나타내며, C는 기후 및 지형 인자로서, 해안 또는 해월 구간에서는 4, 평균 지형 및 기후인 경우는 1, 산악 및 건조 기후인 경우에는 0.25 와 같이 링크 위치 및 기후에 따라 미리 설정값을 갖는다.)
수학식 1에서 중심 주파수(f)와 기후 및 지형 인자(C) 및 링크 거리(d)는 마이크로웨이브 통신 시스템의 프로파일에 미리 지정되므로, 페이드 마진(A)이 가용도에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있다. 그러나 상기한 바와 같이 본 발명에서는 프로파일에서 요구 가용도가 미리 지정되므로, 수학식 1을 수학식 2와 같이 수정하여 요구 가용도를 만족시킬 수 있는 요구 페이드 마진(A)를 계산할 수 있다.
Figure 112015036672431-pat00002
한편 요구 페이드 마진(A)이 계산되면, 링크 버짓 계산부(430)가 링크 거리에 따른 마이크로웨이브 통신 시스템 모델의 링크 버짓(link budget)을 계산한다(S13).
링크 버짓은 노드들 사이의 통신 경로인 링크에 대해, 통신 시스템 사양 및 채널의 상태와 같은 각종 변수(parameters)를 확인하고 이득 및 손실 요인에 의한 신호 전력의 증감을 대수적으로 계산하는 것으로, 링크 버짓 계산부(430)는 2개의 노드 사이의 송신 주파수와 송신 출력 및 모든 이득(G)과 손실(L)이 확인된 무선 통신 시스템에서 링크 거리가 미리 지정된 경우에는 수신 노드에 수신되는 수신 신호의 세기를 계산하기 위해 사용될 수 있다.
링크 거리가 프로파일에 미리 지정되어 있으므로, 링크 버짓은 수학식 3과 같이, 무선 링크에서 2개의 노드 사이의 모든 이득(G)과 손실(L)을 고려한 송신 출력(TP : Transmitter Power)과 수신 신호 세기(RL : Receive Level) 간의 관계식으로 계산될 수 있다.
Figure 112015036672431-pat00003
그리고 수학식 3 에 의해 계산되는 수신 신호의 세기(RL)와 별도로 링크 버짓 계산부(430)는 마이크로웨이브 통신 시스템에서 변조 기법에 따른 수신 감도(Rth)를 수학식 4에 따라 계산한다(S14).
Figure 112015036672431-pat00004
(여기서 Rth는 적응적 변조 기법에서 변조 기법에 따라 가변되는 수신 감도를 나타내고, No는 열 잡음 전력(dBm/Hz), BW는 시스템 대역폭(Hz), NF는 잡음지수(dB), SNR은 시스템의 목표 신호대잡음비(dB)를 나타낸다.)
상기한 바와 같이 적응적 변조 기법은 복수개의 변조 기법을 선택적으로 활용할 수 있으며, 본 발명에서는 사용 가능한 변조 기법으로 QPSK, 8QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM, 128QAM, 256QAM, 512QAM 및 1024QAM 로 9개의 변조 기법을 적용할 수 있는 변조 기법으로 가정한다.
본 발명에서 마이크로웨이브 통신 시스템이 적응적 변조 기법으로 9개의 변조 기법을 적용할 수 있는 것으로 가정하였으므로, 변조 기법 이외의 조건이 동일하더라도 수신 감도(Rth)는 9개의 변조 기법 각각에 따라 서로 다르게 나타날 수 있다.
9개의 변조 기법에 따른 나이퀴스트 대역폭과 통신 시스템의 설계에 기반한 비트에러율(BER)이 10E-6 에서의 목표 신호대잡음비(SNR)는 표1 과 같이 지정될 수 있다.
Figure 112015036672431-pat00005
그리고 수학식 3 및 4 에 따라 수신 신호의 세기(RL)와 수신 감도(Rth)가 계산되면, 계산된 수신 신호의 세기(RL)와 수신 감도(Rth)로부터 페이드 마진이 수학식 5와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112015036672431-pat00006
수학식5 에서 페이드 마진은 수학식 2의 요구 페이드 마진과 별도로 마이크로웨이브 통신 시스템 모델에서 이론적으로 계산되는 페이드 마진을 나타낸다.
수학식 5에 나타난 바와 같이, 페이드 마진은 수신 감도(Rth)와 반비례 관계를 갖는다. 그리고 변조 기법이 고차 변조일 수록 더 큰 SNR이 요구됨에 따라 수신 감도(Rth)는 수학식 4에 나타난 바와 같이 증가한다. 결과적으로 고차 변조 일수록 페이드 마진은 감소한다.
그리고 마이크로웨이브 통신 시스템의 페이드 마진을 계산하는 수학식 5 에 수학식 2 에서 계산된 요구 페이드 마진(A)을 적용하면, 수학식 6과 같은 조건식을 획득할 수 있다.
Figure 112015036672431-pat00007
수학식 6 의 조건식은 수학식 3에서 획득되는 수신 신호의 세기(RL)에서 수학식 2에서 획득되는 요구 페이드 마진을 차감한 값이, 수학식 4 에 의해 계산되는 수신 감도(Rth) 이상이어야 함을 나타낸다.
가용 AM 판별부(144)는 수학식 6을 마이크로웨이브 통신 시스템이 적응적 변조 기법을 적용 시에, 활용 가능한 모든 변조 기법(상기에서는 9개의 변조 기법을 가정하였음) 중 요구 가용도를 만족할 수 있는 변조 기법을 선택할 수 있는 기준으로 사용한다.
수학식 6 에서 요구 가용도가 직접 포함된 수학식 형태가 아닌 요구 페이드 마진이 반영하는 수학식의 형태로 구성되는 것은, 상기한 바와 같이 링크 거리엔 따른 요구 가용도를 고려할 수 있도록 하기 위함이다.
가용 AM 판별부(144)는 링크 버짓 계산부(143)에서 수학식 4 에 따라 변조 기법에 따른 수신 감도(Rth)가 계산되면, 우선 계산된 수신 감도 중 최고차 변조(Best High Order Modulation : BHO MOD) 기법(본 발명에서는 1024QAM)에 따른 수신 감도(Rth1024QAM)를 기준으로 수학식 6을 만족할 수 있는지 판별한다. 즉 최고차 변조(BHO MOD) 기법이 요구 가용도를 만족하는지 판별한다(S16).
만일 최고차 변조(BHO MOD) 기법이 요구 가용도를 만족하는 것으로 판별되면, 이는 최대 전송 용량을 갖는 최고차 변조(BHO MOD) 기법으로도 해당 링크 거리에서 요구 가용도가 만족되는 것으로 판별할 수 있다. 즉 마이크로웨이브 통신 시스템의 변조 기법을 최고차 변조(BHO MOD) 기법으로 고정하여도 시스템 요구사항을 충족할 수 있다고 판단할 수 있다.
따라서 가용 AM 판별부(144)는 최고차 변조(BHO MOD) 기법이 요구 가용도를 만족하는 것으로 판별되면, 가용 변조 기법으로 최고차 변조(BHO MOD) 기법을 단독으로 선택하여 전송 용량 계산부(145)로 전송한다.
전송 용량 계산부(145)는 가용 AM 판별부(144)에서 결정된 최고차 변조(BHO MOD) 기법에 대응하여 마이크로웨이브 통신 시스템의 프로파일에 적용된 기본 파라미터를 기초로 전송 용량을 계산한다(S18).
반면, 가용 AM 판별부(144)는 최고차 변조(BHO MOD) 기법이 요구 가용도를 만족하지 못하는 것으로 판별되면, 수학식 6 을 만족하는 최저차 변조(Best Low Order Modulation : BLO MOD) 기법을 판별한다(S19). 그리고 판별된 최저차 변조(BLO MOD) 기법부터 최고차 변조 기법(BHO MOD)을 전송 용량 계산부(146)로 전송한다.
즉 가용 AM 판별부(144)는 활용 가능한 것으로 미리 지정된 변조 기법(본 발명에서는 일예로 9개) 중 수학식 6 의 조건을 만족하면서 필요한 전송 용량에 따라 요구 가용도 이상을 보장하는 변조기법으로 분류하여 적용 대상에서 포함하도록 한다. 이는 마이크로웨이브 통신 시스템에서 적응적 변조 기법을 적용 시에 요구 가용도를 보장하는 변조 기법을 사전에 선정하도록 함으로써, 송신기(100)가 불필요한 변조 기법으로 데이터를 전송하고자 하는 시도를 하지 않도록 하여 성능 저하가 발생하는 것을 사전에 방지할 수 있도록 한다.
예를 들어, 마이크로웨이브 통신 시스템의 프로파일에서 설정된 요구 가용도(P)가 99.9991이고, 기후 및 지형 인자(C)가 산악, 북위도로서 0.015625이며, 중심 주파수(f)가 7.4GHz인 경우를 가정하면, 수학식 2 에 따라 페이드 마진(A)를 계산할 수 있다. 그리고 대역폭이 30MHz 로 설정된 것으로 가정하면 수학식 4 에 따라 수신 감도(Rth)가 계산할 수 있다. 이에 계산된 페이드 마진(A)과 수신 감도(Rth)를 수학식 6 에 대입하여 상기한 사용 가능한 변조 기법 중 수학식 6을 만족하는 변조 기법들을 표2 와 같이 구분할 수 있다. 즉 프로파일에 지정된 요구 가용도를 만족하는 변조 기법을 적응적 변조기법에 적용 가능한 변조 기법으로 판별할 수 있다.
Figure 112015036672431-pat00008
표2 는 본 발명의 마이크로웨이브 통신 시스템에서 사용 가능한 변조 기법의 일예와 대역폭이 30MHz 로 설정된 경우의 수신 감도(Rth) 및 수학식 6 을 만족하는 최저차 변조 기법(BLO MOD)을 나타내었다.
예를 들어 표2 에 나타난 바와 같이, 가용 AM 판별부(144)가 16QAM을 최저차 변조(BLO MOD) 기법으로 선택한 경우, 16QAM, 32QAM, 64QAM, 128QAM, 256QAM, 512QAM 및 1024QAM가 적응적 변조 기법에 적용 가능한 변조 기법으로 활용될 수 있다.
표2 에서는 대역폭이 30MHz 인 경우를 가정하여 나타내었으나, 다른 대역폭(예를 들면 40MHz 및 56MHz)에 대해서도 동일한 방식으로 최저차 변조(BLO MOD) 기법을 판별할 수 있다.
마이크로웨이브 통신 시스템을 포함한 대부분의 무선 통신 시스템에서는 링크는 복수개로 구비될 수 있으며, 복수개의 링크 각각의 링크 거리는 동일하지 않다. 즉 복수개의 노드의 위치가 고정되더라도, 복수개의 노드가 균등 거리로 배치되지 않으므로, 링크 거리는 동일하게 나타나지 않는다. 그리고 링크 거리가 서로 상이하면, 수학식 2 에 따라 각 링크간 페이드 마진이 가변되고, 결과적으로 수학식 6을 만족하기 위한 조건이 가변 된다.
이에 표3 에서는 표2 과 동일 조건에서 링크 거리에 따라 선택되는 최저차 변조(BLO MOD) 기법의 일예를 나타낸다.
Figure 112015036672431-pat00009
표3 에서 D는 링크 거리를 나타내고, RLth는 수학식 5를 수정한 RL(dBm)-Fade Margin(dB)로부터 획득되는 수신 감도를 의미하며, Rth는 수학식 4 에 의해 획득되는 수신 감도를 나타내고 A는 요구 페이드 마진을 나타낸다.
따라서 수학식 6 은 RLth ≥ Rth 로 표현될 수 있으며, 가용 AM 판별부(144)는 RLth가 Rth 이상이 되도록 링크 거리에 따른 최저차 변조(BLO MOD) 기법을 판별한다(S19).
전송 용량 계산부(146)는 최고차 변조(BHO MOD) 기법에서 전송 용량과 최저차 변조(BLO MOD) 기법에서의 전송용량을 계산하고, 계산된 최고차 변조(BHO MOD) 기법에서 전송 용량과 최저차 변조(BLO MOD) 기법에서 전송 용량의 평균값을 계산한다(S20). 여기서 계산된 계산된 최고차 변조(BHO MOD) 기법에서 전송 용량과 최저차 변조(BLO MOD) 기법에서 전송 용량의 평균값은 적응적 변조 기법을 사용하는 마이크로웨이브 통신 시스템의 전체 전송 용량의 평균값으로 볼 수 있으므로 평균 전송 용량이라 할 수 있다.
전송 용량 계산부(146)는 변조 기법에 따른 전송 용량을 수학식 7과 같이 M개의 파형(waveform)에 대한 전송용량(Rb)과 심볼레이트(Rs)와의 관계로 계산할 수 있다.
Figure 112015036672431-pat00010
(여기서, m은 심벌당비트수로서 m=log2M이며, 일예로 변조 기법이 64QAM인 경우 M=64이고, 128QAM의 경우 M=128이다.)
수학식 7 에서 전송용량(Rb)은 변조 전단계의 이론적 데이터 전송용량이다.
그리고 전송 용량 계산부(146)는 판별된 최저차 변조(BLO MOD) 기법에서의 전송 용량을 우선 순위 전송 용량으로 설정한다(S21). 페이딩에 의한 통신 환경이 열악해지는 상황에서는 전송하고자 하는 모든 데이터를 일정 수준 이상의 고속 전송으로 유지하기 어려울 수 있다. 이에 적응적 변조 기법을 사용하는 마이크로웨이브 통신 시스템에서는 상기한 바와 같이 데이터 속성에 따라 우선 순위 데이터와 일반 데이터를 구분하고, 우선 순위 데이터는 항시 일정한 전송 용량이 할당되어 안정적으로 전송되도록 하는 반면, 일반 데이터는 통신 환경에 따라 전송 용량이 조절되도록 하는 우선 순위 전송 기법을 사용할 수 있다.
우선 순위 전송 기법에서는 우선 순위 데이터를 전송하기 위한 우선 순위 전송 용량이 합리적으로 설정될 수 있어야 한다. 이는 데이터 전송 안정도만을 중시하여 필요 이상의 저차 변조 기법을 사용하는 경우, 요구 가용도를 만족할 수 없고, 전송 용량의 감소로 인해 효율성이 떨어지게 되는 반면, 전송 용량을 중시하여 고차 변조 기법을 사용하는 경우, 우선 순위 데이터의 전송 안전성을 보장하기 어렵기 때문이다.
이에 본 발명에서는 수학식 6 을 만족하는 최저차 변조 기법(BLO MOD)의 전송 용량을 우선 순위 전송 용량으로 설정함으로써, 우선 순위 데이터 전송 시에 전송 안전성과 전송 효율을 모두 만족 시킬 수 있도록 한다.
그리고 전송이 필요한 데이터에 대한 속성을 확인하여 우선순위 데이터량과 일반적인 데이터량를 우선 순위 전송 용량(Rp)과 평균 전송 용량(Ra)의 비의 형태로 수학식 8과 같이 계산한다(S21).
Figure 112015036672431-pat00011
수학식 8 에 따라 전송 용량비(Ratio)가 계산되면, 계산된 전송 용량비(Ratio)를 기초로 변조 및 대역 폭 결정부(147)가 전송 용량 및 대역폭을 설정한다(S23).
즉 전송 용량비를 기초로 마이크로웨이브 통신 시스템의 기본 전송 용량과 전송 용량을 전송 할 수 있는 대역폭을 설정한다.
그리고 변조 및 대역 폭 결정부(147)는 채널 상태 수신부(146)에서 전송되는 채널 상태 정보를 분석하고, 분석된 채널 상태에 따라 우선 순위 전송 용량(Rp)를 유지하면서, 추가 데이터를 전송하기에 가장 효과적인 변조 기법과 대역폭을 결정하여 도1 의 심볼 맵핑부(120) 및 변조부(130)로 전송한다.
심볼 맵핑부(120)과 변조부(130)는 변조 및 대역 폭 결정부(147)에서 결정된 변조 기법과 대역폭에 따라 데이터를 맵핑하고 변조한다. 따라서 채널 상태에 적합한 변조 기법과 전송 용량으로 데이터를 전송할 수 있어, 안정적인 통신이 가능하도록 한다.
Figure 112015036672431-pat00012
표4 는 가용 AM 판별부(144)가 링크 거리를 고려하여 판별한 최저차 변조(BLO MOD) 기법과 최고차 변조(BHO MOD) 기법과 함께, 전송 용량 계산부(146)에서 계산된 우선 순위 전송 용량과 전체 전송 용량을 나타내었다. 또한 변조 및 대역 폭 결정부(147)가 수학식 8 의 전송 용량비(Ratio)에 따라 선택할 수 있는 대역폭들을 나타낸다.
마이크로웨이브 통신 시스템이 표4 에 나타난 바와 같이 채널당 대역폭으로 30MHz, 40MHz, 56MHz 사용할 수 있는 것으로 가정할 경우, 변조 및 대역 폭 결정부(147)는 채널에 어떤 대역폭을 할당할 지, 그리고 몇 개의 채널을 사용할지 판별한다. 예를 들어, 56MHz의 채널 하나를 사용하는 것보다 30MHz 의 채널 2개를 사용하는 것이 더욱 효과적일 수도 있으며, 그 반대의 경우도 발생할 수 있다. 즉 변조 및 대역 폭 결정부(147)는 링크 거리와 요구 가용도를 고려한 페이드 마진이 적용되어 사용 가능한 것으로 판정된 적어도 하나의 변조 기법 중 현재 채널의 상태에 적합한 변조 기법과 대역폭을 우선 순위 전송 용량을 고려하여 결정할 수 있다.
이때 변조 및 대역 폭 결정부(147)는 수학식 8 을 참조하여 대역폭을 결정할 수 있다.
수학식 9 는 심볼레이트(Rs)와 대역폭(BW) 사이의 관계를 나타내는 수학식이다.
Figure 112015036672431-pat00013
여기서 BW는 점유대역폭(Occupied Bandwidth)을 나타내고, K(α)는 롤오프 팩터(roll-off factor)(α)에 대한 함수로서 ITU-R F. 1191에 권고되어 있다. 그리고 fclk는 주파수를 나타낸다. 심볼레이트(Rs)는 하나의 단위로 그룹화되어 되는 초당 심볼 수로서, 심볼레이트(Rs)와 주파수(fclk)는 서로 비례하므로, 수학식 8 에 따라 변조 및 대역 폭 결정부(147)는 대역폭을 결정할 수 있다.
상기에서는 AM 제어 장치(140)가 마이크로웨이브 통신 시스템의 운용 중 적응적 변조 기법을 적용하기 위해 해당 동작을 수행하는 것으로 설명하였으나, AM 제어 장치(140)에서 프로파일 저장부(141)부터 전송 용량 계산부(145)까지의 동작은 실제 운용 시에 가변되거나 조절되지 않으므로, 마이크로웨이브 통신 시스템의 설계를 위해 사용될 수 있다.
즉 실제 통신 운용 시, AM 제어 장치(140)는 변조 및 대역폭 결정부(147)과 채널 상태 수신부(146)만을 구비하고, 변조 및 대역폭 결정부(147)에 가용 변조 기법과 우선 순위 전송 용량 등이 미리 결정되어 저장되도록 구성될 수 있다.
그리고 프로파일 저장부(141), 요구 페이드 마진 계산부(142), 링크 버짓 계산부(143), 가용 AM 판별부(144) 및 전송 용량 계산부(145)는 노드간 링크 거리에 따른 마이크로웨이브 통신 시스템의 효율적 설계를 위한 설계 장치로 활용될 수 있다.
도4 내지 도6 은 본 발명의 적응적 변조 기법 제어 방법의 성능을 평가하기 위해 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타낸다.
도4 내지 도6 에서 활용된 시뮬레이션 조건은 표4 와 같다.
Figure 112015036672431-pat00014
도4 는 본 발명의 적응적 변조 기법 제어 방법과 기존의 고정 변조 기법에서 링크 거리에 따른 신호대잡음비를 비교하기 위한 도면으로, 거리에 따른 비트에러율(BER)이 10E-6 에서의 신호대 잡음비(SNR)를 나타내었다.
도4 에 도시된 바와 같이, 거리가 장거리일수록 고정(Fixed)변조방식 전송 기법보다는 AM 기법에 의해 대역폭 30MHz, 40MHz, 56MHz에서 거리별 최저차 변조(BLO MOD) 기법을 적용할 경우의 신호대잡음비(SNR)가 작아짐을 보여주고 있으며, 장거리일수록 최저차 변조(BLO MOD)와 최고차 변조(BHO MOD) 사이에서의 가변 변조(AM) 기법을 통해 무선 환경에서 보다 효율적으로 전송 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
도5 는 링크 거리에 따른 평균 전송용량과 우선순위 전송용량에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내며, 도4 와 마찬가지로 대역폭 30MHz, 40MHz, 56MHz 에서 링크 거리에 따른 평균 전송용량과 우선순위 전송용량에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
링크 거리에 따른 대역폭 가변 할당 및 우선순위 데이터량과 평균 전송 용량을 통해 데이터 속성을 고려한 우선순위 트래픽을 설정하고, 마이크로웨이브 통신 시스템의 전체적인 트래픽 빈도와 속성을 고려하여 우선순위 전송 용량 비율 설정이 가능하다.
도6 은 본 발명의 적응적 변조 기법 제어 방법과 기존의 고정 변조 기법에서 링크 거리에 따른 가용도를 비교하기 위한 도면이다.
도6 에서 1024QAM으로 고정된 변조 기법을 사용하는 경우의 가용도와 본 발명의 AM기법으로 우선 순위 전송동작 수행 시의 가용도를 비교하여 나타내었다. 도5 에 도시된 바와 같이, 경우 본 제안 기법이 적용된 우선 순위 전송을 수행하는 경우, 거리가 멀어지더라도 우선 순위 가용도가 일정하게 유지되는 양호한 결과 값을 보여주고 있다.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 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 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 마이크로웨이브 통신 시스템의 프로파일이 기지정되어 저장된 프로파일 저장부;
    상기 프로파일에 지정된 링크 거리와 요구 가용도로부터 기설정된 방식으로 노드간 링크 거리에 따른 요구 페이드 마진을 계산하는 요구 페이드 마진 계산부;
    상기 프로파일을 분석하여 수신 신호의 세기와 수신 감도를 계산하는 링크 버짓 계산부;
    상기 수신 신호의 세기와 상기 요구 페이드 마진의 차를 상기 수신 감도와 비교하여 상기 마이크로웨이브 통신 시스템에 적용 가능한 복수개의 변조 기법 중 상기 요구 가용도를 만족하는 최저차 변조 기법을 판별하고, 상기 최저차 변조 기법 이상의 고차 변조 기법을 적응적 변조(Adaptive Modulation : 이하 AM) 기법의 가용 변조 기법으로 선택하는 가용 AM 판별부;
    상기 가용 변조 기법에 포함된 변조 기법 각각에 대한 전송 용량을 계산하는 전송 용량 계산부; 및
    채널 상태 정보를 인가받아 분석하여, 상기 가용 변조 기법 중 하나의 변조 기법을 선택하고, 선택된 변조 기법에 대응하는 대역폭을 결정하는 변조 및 대역폭 결정부; 를 포함하는 적응적 변조 기법 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 전송 용량 계산부는
    상기 최저차 변조 기법에서 계산된 전송 용량을 채널 상태에 무관하게 항시 전송 가능하도록 설정되는 우선 순위 데이터를 위한 우선 순위 전송 용량으로 설정하는 것을 특징으로 하는 적응적 변조 기법 제어 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 전송 용량 계산부는
    상기 최저차 변조 기법에서의 전송 용량 및 최고차 변조 기법에서의 전송 용량의 평균값을 계산하고, 상기 우선 순위 전송 용량과 상기 평균값의 비를 전송 용량비로 계산하는 것을 특징으로 하는 적응적 변조 기법 제어 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 변조 및 대역폭 결정부는
    상기 전송 용량비를 이용하여 상기 마이크로웨이브 통신 시스템의 기본 전송 용량과 채널 대역폭을 설정하고, 상기 채널 상태 정보에 따라 상기 가용 변조 기법 중 하나의 변조 기법을 선택하고, 선택된 변조 기법에 따라 상기 채널의 개수 및 대역폭을 가변 할당하는 것을 특징으로 하는 적응적 변조 기법 제어 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 가용 AM 판별부는
    상기 마이크로웨이브 통신 시스템에 적용 가능한 상기 복수개의 변조 기법 중 최고차 변조 기법이 상기 요구 가용도를 만족하는 상기 요구 페이드 마진을 갖는지 판별하고, 상기 최고차 변조 기법이 상기 요구 페이드 마진을 갖는 것으로 판별되면, 상기 변조 및 대역폭 결정부가 상기 최고차 변조 기법을 고정 변조 기법으로 적용하도록 선택하는 것을 특징으로 하는 적응적 변조 기법 제어 장치.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 요구 페이드 마진 계산부는
    B-V(Barnett-vigants) 모델에 기반하여 수학식
    Figure 112015036672431-pat00015

    (여기서 P는 비가용도(100-가용도)이고, f는 전송되는 신호의 중심 주파수를, A는 페이드 마진을 나타내고, d는 링크 거리를 나타내며, C는 기후 및 지형 인자로서 프로파일에 미리 설정값을 갖는다.)
    에 따라 상기 요구 페이드 마진을 계산하는 것을 특징으로 하는 적응적 변조 기법 제어 장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 링크 버짓 계산부는
    상기 노드간 링크에 대해 상기 프로파일을 참조하여 송신 출력(TP : Transmitter Power)과 이득(G)과 손실(L)을 이용하여 수신 신호 세기(RL : Receive Level)를 수학식
    Figure 112015036672431-pat00016

    에 따라 계산하고,
    상기 변조 기법에 따른 수신 감도를 수학식
    Figure 112015036672431-pat00017

    (여기서 Rth는 적응적 변조 기법에서 변조 기법에 따라 가변되는 수신 감도를 나타내고, No는 열 잡음 전력(dBm/Hz), BW는 시스템 대역폭(Hz), NF는 잡음지수(dB), SNR은 시스템의 목표 신호대잡음비(dB)를 나타낸다.)
    에 따라 계산하는 것을 특징으로 하는 적응적 변조 기법 제어 장치.
  8. 제7 에 있어서, 상기 가용 AM 판별부는
    상기 마이크로웨이브 통신 시스템에 적용 가능한 상기 의 변조 기법 중 수학식
    Figure 112015036672431-pat00018

    의 조건을 만족하는 변조 기법을 상기 가용 변조 기법으로 선택하는 것을 특징으로 하는 적응적 변조 기법 제어 장치.
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