KR101580515B1 - Ｏｆｄｍ 시스템에서 부반송파 조절 방법 - Google Patents

Abstract

OFDM 시스템에서 부반송파 조절 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 부반송파 조절 방법은 송신단에서 수신단과 성능 관련 파라미터를 교환하고, 상기 송신단에서 데이터 부반송파의 개수를 일정 개수 이하로 조절하는 모바일 물리 모드로 전환하며, 상기 조절된 데이터 부반송파를 통해 다중 안테나로 데이터를 전송하는 과정을 포함한다. 본 발명의 실시 예들에 의하면, 모바일 기기에서 기존 물리 모드와 호환성을 가지면서 저전력 통신이 가능하고, 부반송파의 개수를 줄인 기기와 통신을 하는 일반 기기에는 특별한 모드의 변경을 요구하지 않으며, 무지향성 안테나를 사용하는 경우 안테나 이득을 보상하여 전력 소모를 효과적으로 줄일 수 있다.

OFDM system, Digital PHY, Analog/RF, subcarrier number, PAPR

Description

ＯＦＤＭ 시스템에서 부반송파 조절 방법 {Method for adjusting subcarriers in a OFDM system}

본 발명은 OFDM 시스템에 관한 것으로, 특히, 부반송파를 제어하여 모바일 기기에서 전력소모를 최적화하는 방법에 관한 것이다.

다중 입력 다중 출력(Multiple-Input Multiple-Output; MIMO) 통신 시스템은 데이터 전송을 위해, 송신기에서는 다중 송신 안테나들을 이용하고, 수신기에서는 다중 수신 안테나들을 이용한다. 송수신 안테나들에 의해 형성된 하나의 MIMO 채널은 독립적인 채널들로 분해될 수 있고, 이때 각각의 채널은 MIMO 채널의 공간상의 서브 채널(혹은 전송 채널)로서 하나의 규모를 차지한다. MIMO 시스템은 다중 송수신 안테나들에 의해 만들어진 부가적 규모들이 이용될 때 향상된 성능(예를 들어, 향상된 전송 용량)을 제공할 수 있다.

MIMO 시스템에는 개루프(open-loop) 및 폐루프(closed-loop) 기술의 두 종류가 있다. 개루프 시스템에서, MIMO 송신기는 채널 상태에 대한 어떤 선행 지식도 갖지 못하므로, 시공간(space-time) 코딩 기술들이 보통 전송기 안에 구현되어 채널 페이딩(fading)에 저항한다. 한편, 폐루프 시스템에서는, 채널 상태 정보(CSI) 가 수신기에서 송신기로 피드백될 수 있다. 그러면, 그 채널 상태 정보에 기반한 어떤 선처리 동작이 송신기에서 수행되어 수신기 디자인을 단순화할 수 있고 보다 나은 성능이 얻어질 수 있게 한다. 이러한 기술들은 빔포밍(beamforming) 기술들이라 불리며, 원하는 수신기 방향으로 보다 나은 성능 이득을 제공하고 다른 방향으로의 송신 전력을 억제한다.

OFDM은 고속의 송신 신호를 다수의 직교(Orthogonal)하는 협대역 반송파로 다중화시키는 변조 방식을 말한다. 여러 변조 방식에서는 각기 장단점이 있기 마련인데 OFDM의 큰 장점을 들자면 대역확산기술을 들 수 있다. 그것은 정확한 주파수에서 일정 간격 떨어져 있는 많은 수의 반송파에 데이터를 분산시킨다. 바로 이 간격이, 복조기가 자기 자신의 것이 아닌 다른 주파수를 참조하는 것을 방지하는 기술 내에서 직교성(Orthogonal)을 제공한다.

고속의 전송률을 갖는 데이터 열을 낮은 전송률을 갖는 많은 수의 데이터 열로 나누고, 이들을 다수의 부반송파를 사용하여 동시에 전송하는 것이다. 즉, OFDM은 데이터 열을 여러 개의 부채널(Sub-channel)로 동시에 나란히 전송하는 다중 반송파 전송방식의 특별한 형태로 본다. 따라서 OFDM 기법은, 1개 채널의 고속의 원천 데이터 열을 다중의 채널로 동시에 전송한다는 측면에서는 다중화 기술이며, 다중의 반송파에 분할하여 실어 전송한다는 측면에서는 일종의 변조 기술이다. 각 부반송파의 파형은 시간 축 상으로는 직교하나, 주파수 축 상에서는 겹치게(Overlap)된다.

OFDM 시스템은 고속 통신이 가능한지만, 단일 반송파(Single Carrier) 대비 파워소모가 크다. 저속, 근거리 통신을 하는 모바일 기기의 경우, 속도를 낮추더라도 전력 소모를 줄일 필요가 있다. 특히, 모바일 기기의 경우, 기기의 크기가 작고, 사용자의 몸에 부착되어 사용되기 때문에 열 발생이 문제된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 OFDM의 확장성(scalability)을 최대한 활용하여 전력 소모를 최소화할 수 있는 부반송파 조절 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 부반송파 조절 방법은 송신단에서 수신단과 성능 관련 파라미터를 교환하고, 상기 송신단에서 데이터 부반송파의 개수를 일정 개수 이하로 조절하는 모바일 물리 모드로 전환하며, 상기 조절된 데이터 부반송파를 통해 다중 안테나로 데이터를 전송하는 과정을 포함한다.

바람직하게는, 상기 데이터를 전송하는 과정에서, 상기 조절된 데이터 부반송파에만 파일럿을 할당할 수 있다.

바람직하게는, 상기 데이터를 전송하는 과정에서, 상기 데이터 부반송파 개수에 대응하는 전력 레벨로 전송 전력을 조절할 수 있다.

바람직하게는, 상기 수신단은, 상기 조절된 데이터 부반송파 이외의 영역은 비어있는 부반송파로 인식할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 부반송파 조절 방법은 상기 모바일 물리 모드에서, 송신단 및 수신단의 모바일 기기마다 서로 다른 주파수 대역의 데이터 부반송파를 할당하는 과정을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 부반송파 조절 방법은 상기 모바일 물리 모드에서, 상기 송신단에서 전송할 데이터의 타입에 따라 서로 다른 주파수 대역의 데이터 부반송파를 할당하는 과저을 더 포함할 수 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 부반송파 조절 방법은 송신단에서 수신단 기기와 성능 관련 파라미터를 교환하고, 상기 송신단에서 데이터 부반송파의 개수를 일정 개수 이하로 조절하는 모바일 물리 모드로 전환하며, 상기 데이터 부반송파 개수에 대응하는 전력 레벨로 전송 전력을 조절하고, 상기 데이터 부반송파를 통해 무지향성 단일 안테나로 데이터를 전송하는 과정을 포함한다.

바람직하게는, 상기 데이터를 전송하는 과정에서, 상기 조절된 데이터 부반송파에만 파일럿을 할당할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 부반송파 조절 방법은 상기 모바일 물리 모드에서, 송신단 및 수신단의 모바일 기기마다 서로 다른 주파수 대역의 데이터 부반송파를 할당하는 과정을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 부반송파 조절 방법은 상기 모바일 물리 모드에서, 상기 송신단에서 전송할 데이터의 타입에 따라 서로 다른 주파수 대역의 데이터 부반송파를 할당하는 과정을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들에 의하면, 모바일 기기에서 기존 물리 모드와 호환성을 가지면서 저전력 통신이 가능하고, 부반송파의 개수를 줄인 기기와 통신을 하는 일 반 기기에는 특별한 모드의 변경을 요구하지 않으며, 무지향성 안테나를 사용하는 경우 안테나 이득을 보상하여 전력 소모를 효과적으로 줄일 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시 예들은 고속으로 통신하는 모드가 가능한 모바일 기기에 고속 모드와 호환성이 있는 저속, 저전력 OFDM 물리 모드를 추가한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 근거리 네트워크의 예를 도시한 것이다.

도 1과 같이, 노트북(A), 모니터(B), PMP(C), 디지털 카메라(D), 외장형 하드디스크 드라이브(E) 등을 무선으로 연결할 수 있다. 이때, 노트북(A)과 모니터(B), 노트북(A)과 PMP(C), 노트북(A)과 디지털 카메라(D), 노트북(A)과 외장형 하드디스크 드라이브(E) 사이에 빔 링크가 형성될 수 있다.

이러한 근거리 네트워크에서도 무선통신에 사용되는 전력을 최소화할 필요가 있다.

R X P = Ts - Ta

R은 열 저항(Thermal Resistance), P는 시스템 전력 소모(System Power Consumption), Ts는 시스템 온도(System Temperature), Ta는 주위 온도(Ambient Temperature)를 의미한다.

수학식 1에서 보는 바와 같이, Ts는 결국 전력 소모에 비례한다. 따라서 전력 소모를 최소화하는 것이 중요하다.

도 2는 모바일 기기의 온도와 전송 속도의 이와 같은 관계를 도시한 것이다.

도 2에서 보는 바와 같이, 평균 전송 속도를 유지하면서도 되도록 전송 속도를 낮추어 비트당 주울(Joule/bit)량을 줄이는 것이 온도 상승 측면에서는 유리하다.

도 3은 OFDM 시스템의 구조를 도시한 것이다.

OFDM 시스템은 인버스 고속 푸리에 변환(IFFT)부를 구비하는 송신단과 고속 푸리에 변환(FFT)부를 구비하는 수신단으로 구성된다. 보다 구체적으로, 송신단은 순방향 에러 보정(FEC)/스크램블링/인터리빙 부, QAM 매핑부, 파일럿 삽입부, 인버스 고속 푸리에 변환부 등을 포함한다. 수신단은 디인터리빙부, QAM 디매핑부, 채널 보정부, 고속 푸리에 변환부 등을 포함한다. OFDM의 전력 소모는 크게 디지털 물리(Digital PHY)단과 아날로그/무선(Analog/RF)단에서 발생한다. 디지털 물리단은 도 3의 FFT 나 IFFT에 해당한다.

따라서, OFDM을 사용하는 시스템에서 전력 소모를 줄이기 위해서는 디지털 물리 단에서 FFT 크기를 줄이거나 아날로그/무선단에서 안테나 개수, 최대 전력 대 평균 전력비(Peak to Average Power Ratio : PAPR) 등을 줄일 필요가 있다.

디지털 물리 단에서 소모되는 전력은 FFT/IFFT 행렬 수에 비례한다. 이는 또한 PAPR에도 영향을 주며 아날로그 전력소모와도 연관된다.

도 4는 부반송파 개수와 PAPR의 관계를 도시한 것이다.

사용되는 부반송파 숫자를 줄이면, 디지털 물리 단 및 아날로그 단의 전력 소모가 줄어들게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모바일 물리 모드에서의 PAPR 변화를 도시한 것이다.

본 발명의 일 실시 예에서는, 모바일 기기를 위하여 부반송파 숫자를 줄인 모바일 물리 모드(Mobile PHY mode)를 추가하고, 모바일 기기는 필요에 따라 모바일 물리 모드로 전환한다. 이렇게 함으로써, FFT/IFFT 계산량이나 PAPR을 줄일 수 있다.

모바일 기기는 다른 기기와 성능(Capability) 관련 파라미터를 교환한 후에, 필요에 따라 모바일 모드를 전환한다. 즉, 모바일 기기가 성능 관련 파라미터를 교환한 결과 고속 통신이 불필요하다고 판단하는 경우, 전력 소모 및 발열량을 줄이기 위해 모바일 모드로 전환한다.

모바일 모드로 전환한 모바일 기기는 지향성 다중 안테나를 통해 빔을 형성하여 데이터를 전송할 수 있다.

도 6은 모바일 모드에서 데이터 부반송파와 빈 부반송파(Null subcarrier)의 관계를 도시한 것이다.

일반적인 기기는 이러한 모바일 기기와 통신할 때, 특별한 모뎀 구조의 변경 없이, 데이터가 없는 부분을 비어있는 부반송파로 취급하여 통신하면 된다. 이러한 방식으로, 일반적인 기기는 특별한 구조 변경 없이 모바일 물리 단과 통신이 가능하다.

이 경우, 파일럿 톤(pilot tone)들은 데이터 부반송파 영역에 있는 것에 한하여 의미가 있다. 즉 모바일 물리 모드의 경우, 데이터 부반송파 영역 외의 일반적인 파일럿 톤(general pilot tone)은 생성할 필요가 없다.

동일한 조건에서는 다중 안테나 어레이(Multiple Antenna Array)를 사용하는 것보다는 무지향성 단일 안테나(Single Omni Directional Antenna)를 사용하는 것이 무선/아날로그 전력 소모를 줄이는 측면에서 유리하다. 다중 안테나를 이용한 빔 포밍을 통해 안테나 이득을 얻는 이유는 전송 손실(Path Loss)을 보상하기 위해서이다. 하지만 모바일 응용(mobile application)과 같이 근거리 통신의 경우, 안테나 이득을 추가하지 않아도 안정적인 통신이 가능한 경우가 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 부반송파 조절 방법에서는 추가적인 안테나 이득을 얻는 대신에 모바일 물리 모드에서 사용하는 대역이 상대적으로 협대역이라는 것을 활용하여 출력 전력을 향상시킨다.

도 7과 비교하여, 도 8은 협대역에서 출력 전력을 향상시킨 예를 나타낸다.

수신단에서 수신 전력이 증가하므로, 무지향성 안테나의 낮은 안테나 이득을 보상할 수 있다. 예를 들어, 모바일 물리 모드에서 전체 부반송파 대비 1/10의 부반송파만을 사용한다면, 출력할 수 있는 이론적인 추가 송출 전력을 10dBm로 설정할 수 있다.

도 9에서는 주파수 사용의 효율성을 위해 부반송파 그룹이 할당되는 예를 도시한 것이다.

모바일 물리 모드에서는 주파수 사용 측면에서 손해가 될 수도 있는데, 이를 보완하기 위해서 모바일 기기에 몇 개의 부반송파 그룹(Subcarrier Group)을 할당할 수 있다.

부반송파 그룹은 모바일 기기마다 달리 할당되거나, 전송하려는 데이터 타입마다 달리 할당될 수 있다. 할당된 부반송파 그룹들은 서로 다른 주파수 대역 또는 시간 영역을 사용한다.

즉 고속통신이 필요한 모바일 기기의 경우, 전체 데이터 부반송파(910)를 사용할 수 있다. 저속 통신이 필요한 모바일 기기의 경우, 필요한 만큼의 데이터 부반송파(Data A, Data B, Data C)를 부반송파 그룹으로 할당하여 사용하면, 동시에 여러 모바일 기기의 데이터 통신이 가능하다.

도 10은 모바일 기기가 필요한 부반송파를 요청하기 위한 채널 시간을 도시한 것이다.

각각의 모바일 기기가 필요한 만큼의 데이터 부반송파를 할당받기 위해 코디네이터(Coordinator)를 이용할 수도 있다. 이를 위해서 스테이션은 코디네이터에 채널 시간뿐만 아니라 부반송파 개수를 요청할 수 있다. 코디네이터는 도 1에서 노트북(A)과 같이 처리 능력이 상대적으로 우수한 기기에 내장될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시 예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그리고, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

본 발명은 부반송파를 제어하여 모바일 기기에서 전력소모를 최적화하는 방법에 관한 것으로, OFDM 시스템에서 네트워크를 구성하는 모바일 기기, 코디네이터 등에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 근거리 네트워크의 예를 도시한 것이다.

도 2는 모바일 기기의 온도와 전송 속도의 관계를 도시한 것이다.

도 3은 OFDM 시스템의 구조를 도시한 것이다.

도 4는 부반송파 개수와 PAPR의 관계를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모바일 물리 모드에서의 PAPR 변화를 도시한 것이다.

도 6은 모바일 모드에서 데이터 부반송파와 빈 부반송파의 관계를 도시한 것이다.

도 7은 고속 통신을 위해 다수의 부반송파를 사용하는 경우의 수신 전력의 크기를 도시한 것이다.

도 8은 부반송파의 개수를 줄인 모바일 물리 모드에서 협대역에서 출력 전력을 향상시킨 예를 도시한 것이다.

도 9에서는 주파수 사용의 효율성을 위해 부반송파 그룹이 할당되는 예를 도시한 것이다.

도 10은 모바일 기기가 필요한 부반송파를 요청하기 위한 채널 시간을 도시한 것이다.

Claims (10)

1. 지향성 다중 안테나를 구비하는 송신단에서 전송 전력을 최적화하기 위해 부반송파를 제어하는 방법에 있어서,

   송신단에서 수신단과 성능 관련 파라미터를 교환하는 단계; 및

   상기 성능 관련 파라미터의 교환 결과에 따라 고속 통신이 필요한지 여부를 판단하는 단계;

   상기 판단 결과 고속 통신이 불필요하다고 판단된 경우 상기 송신단에서 데이터 부반송파의 개수를 일정 개수 이하로 조절하는 모바일 물리 모드로 전환하는 단계;

   상기 모바일 물리모드에서, 상기 송신단에서 전송할 데이터의 타입에 따라 서로 다른 주파수 대역에 위치하는 다수의 부반송파 그룹들 중 특정 부반송파 그룹을 할당하는 단계; 및

   상기 할당된 부반송파 그룹을 통해 다중 안테나로 데이터를 전송하는 단계

   를 포함하는, 부반송파 조절 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 데이터를 전송하는 단계는,

   상기 할당된 부반송파 그룹에만 파일럿을 할당하는 단계를 포함하는, 부반송파 조절 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 데이터를 전송하는 단계는,

   상기 할당된 부반송파 그룹에 포함되는 부반송파 개수에 대응하는 전력 레벨로 전송 전력을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 부반송파 조절 방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 무지향성 단일 안테나를 구비하는 송신단에서 전송 전력을 최적화하기 위해 부반송파를 제어하는 방법에 있어서,

   송신단에서 수신단 기기와 성능 관련 파라미터를 교환하는 단계; 및

   상기 성능 관련 파라미터의 교환 결과에 따라 고속 통신이 필요한지 여부를 판단하는 단계;

   상기 판단 결과 고속 통신이 불필요하다고 판단된 경우 상기 송신단에서 데이터 부반송파의 개수를 일정 개수 이하로 조절하는 모바일 물리 모드로 전환하는 단계;

   상기 모바일 물리 모드에서, 상기 송신단에서 전송할 데이터의 타입에 따라 서로 다른 주파수 대역에 위치하는 다수의 부반송파 그룹들 중 특정 부반송파 그룹을 할당하는 단계; 및

   상기 할당된 부반송파 그룹에 포함되는 부반송파 개수에 대응하는 전력 레벨로 전송 전력을 조절하고, 상기 할당된 부반송파 그룹을 통해 무지향성 단일 안테나로 데이터를 전송하는 단계

   를 포함하는, 부반송파 조절 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 데이터를 전송하는 단계는,

   상기 할당된 부반송파 그룹에만 파일럿을 할당하는 단계를 포함하는, 부반송파 조절 방법.
9. 삭제
10. 삭제

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