KR102181292B1

KR102181292B1 - 5g nr 수신기의 성능 향상을 위한 pbch 신호 누적 방법 및 pbch 복호기

Info

Publication number: KR102181292B1
Application number: KR1020190001128A
Authority: KR
Inventors: 박태원; 장지호; 황인석
Original assignee: 주식회사 지씨티리써치
Priority date: 2019-01-04
Filing date: 2019-01-04
Publication date: 2020-11-20
Also published as: KR20200085062A; US20200220662A1; US11316618B2

Abstract

본 발명은 5G NR 수신기에서 수신하는 PBCH 신호의 누적 및 복호 방법으로서, 상기 수신된 PBCH 신호에 포함되는 SFN(System Frame Number)의 적어도 하나의 비트를 무효화시키는 반전 벡터를 생성하는 단계; 상기 수신된 PBCH 신호에 상기 생성된 반전 벡터를 모듈로덧셈(modulo addition)하여 적어도 하나의 프레임에 걸쳐 누적하는 단계; 상기 누적된 PBCH 신호를 복호하는 단계; 및 상기 복호된 PBCH의 유효성을 확인하고 상기 SFN을 복원하는 단계를 포하하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, PBCH 신호에서 프레임마다 변경되는 SFN 정보를 폴라 코드의 선형성 특성을 이용해서 “무효화”시키는 반전 벡터를 생성하여 수신한 PBCH 신호에 모듈로덧셈을 하여 누적하는 방법을 제공함으로써, 시간에 대해 변경되던 SFN 정보가 항상 동일한 값을 갖게 되므로, PBCH 신호를 시간에 대해 누적이 가능해진다. 또한, 무효화한 SFN정보를 신호 검출 이후에 다시 복구하는 PBCH 복호기를 제공함으로써, PBCH 신호 누적에 의해, 5G NR 수신기에서 수신되는 신호의 SNR이 개선되어 셀 외곽에서의 수신 성능이 향상되는 효과가 있다.

Description

5G NR 수신기의 성능 향상을 위한 PBCH 신호 누적 방법 및 PBCH 복호기{PBCH SIGNAL ACCUMULATION METHOD AND PBCH DECODER FOR IMPROVING PERFORMANCE OF 5G NR RECEIVER}

본 발명은 5G NR 통신 시스템에서 수신되는 PBCH 신호를 효과적으로 누적하여 5G NR 수신기의 수신 성능을 향상시키는 방법 및 그 방법을 사용하는 PBCH 복호기에 관한 것이다.

5G NR(New Radio) 무선통신 시스템에서 셀의 기본 정보 획득은 PBCH(Physical Broadcasting Channel)를 통해 전송되는 MIB(Master Information Block) 수신을 통해 이루어진다. 도 1을 참조하면, PBCH 신호는 PSS(Primary Synchronization Signal), SSS(Secondary Synchronization Signal)와 함께 SS/PBCH 블록(SSB 블록)을 구성하고 있으며, 셀 ID를 비롯해 셀의 기본정보를 획득하기 위해 “가장 먼저” 수신되어야 한다. 수신기가 셀 외곽에 위치한 경우 신호의 SNR이 낮아지므로 수신성능이 저하되는데, PSS, SSS와 같은 동기화 신호들은 항상 동일한 신호가 전송되고 있으므로, 도 2에 도시된 바와 같이, 시간에 대해 수신된 동일한 신호들을 최대한 많이 누적하면 수신된 신호의 SNR을 충분히 확보할 수 있다.

그런데, PBCH 신호는 “매 프레임마다 변경”되는 SFN(System Frame Number) 정보를 포함하고 있으므로 항상 동일한 신호를 전송하고 있지 않기 때문에 시간에 대해 단순히 누적할 수 없다는 문제가 있다. 그러므로 PBCH 신호의 수신 성능은 셀 외곽에서의 호 접속 성공 여부에 결정적인 영향을 주게 된다. 따라서, 5G NR 수신기의 성능 향상을 위해서는 PBCH 신호를 효과적으로 최대한 많이 누적할 수 있는 기술이 매우 중요하다.

KR 10-2017-0044648 A.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 5G NR 통신 시스템에서 수신되는 PBCH 신호를 효과적으로 누적하여 5G NR 수신기의 수신 성능을 향상시키는 방법 및 그 방법을 사용하는 PBCH 복호기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 5G NR(New Radio) 수신기에서 수신하는 PBCH(Physical Broadcasting Channel) 신호의 누적 및 복호 방법으로서, 상기 수신된 PBCH 신호에 포함되는 SFN(System Frame Number)의 적어도 하나의 비트를 무효화시키는 반전 벡터를 생성하는 단계; 상기 수신된 PBCH 신호에 상기 생성된 반전 벡터를 모듈로덧셈(modulo addition)하여 적어도 하나의 프레임에 걸쳐 누적하는 단계; 상기 누적된 PBCH 신호를 복호하는 단계; 및 상기 복호된 PBCH의 유효성을 확인하고 상기 SFN을 복원하는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.

상기 반전 벡터는, 폴라 코드의 선형성 특성을 이용해서 프레임마다 변경되던 SFN 정보가 상기 적어도 하나의 비트에서 항상 동일한 값을 갖도록 변경시키는 벡터일 수 있다.

상기 복호된 PBCH의 유효성 확인은 상기 복호된 PBCH의 SFN 성분을 확인함으로써 수행될 수 있다.

상기 반전 벡터는 무효화시키려는 비트만 “1”로 구성되는 페이로드로부터 폴라 코딩 방식으로 부호화를 수행하여 생성될 수 있다.

상기 SFN 복원은 상기 수신된 PBCH에 포함되어 있던 원래의 SFN을 복원하는 것일 수 있다.

상기 반전 벡터를 생성하는 단계는, 무효화시키려는 비트의 적어도 하나의 조합에 대하여 프레임별로 서로 다른 SFN 시작 시점을 가지는 적어도 하나의 반전 벡터를 후보별로 생성할 수 있다.

상기 누적하는 단계는, 상기 수신된 PBCH 신호에 상기 생성된 반전 벡터를 상기 후보별로 모듈로덧셈하여 적어도 하나의 프레임에 걸쳐 누적할 수 있다.

상기 SFN 복원은, 상기 복호된 PBCH 중에서 유효성 확인이 된 것의 해당 반전 벡터 후보로부터 역산으로 복원하는 것일 수 있다.

상기 후보의 수는, 특정 시점마다 후보별로 수신 신호들의 절대값의 총합을 비교해서 조절할 수 있다.

또한, 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 전술한 각 방법에 따른 방법을 실행시키기 위한, 컴퓨터-판독가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램이 제공된다.

또한, 또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 전술한 각 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 기록된, 컴퓨터-판독가능한 기록매체가 제공된다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, PBCH 복호기로서, 수신된 PBCH 신호에 포함되는 SFN의 적어도 하나의 비트를 무효화시키는 반전 벡터를 생성하는 반전 벡터 생성부; 상기 수신된 PBCH 신호에 상기 생성된 반전 벡터를 모듈로덧셈하여 적어도 하나의 프레임에 걸쳐 누적하는 누적 저장부; 상기 누적된 PBCH 신호를 복호하는 페이로드 복호부; 및 상기 복호된 PBCH의 유효성을 확인하고 상기 SFN을 복원하는 SFN 복원부를 포함하는, PBCH 복호기가 제공된다.

상기 복호된 PBCH의 유효성 확인은, 상기 복호된 PBCH의 SFN 성분이 “”인지를 판단하는 것일 수 있다.

상기 반전 벡터 생성부는, 무효화시키려는 비트의 적어도 하나의 조합에 대하여 프레임별로 서로 다른 SFN 시작 시점을 가지는 적어도 하나의 반전 벡터를 후보별로 생성할 수 있다.

상기 누적 저장부는, 상기 수신된 PBCH 신호에 상기 생성된 반전 벡터를 상기 후보별로 모듈로덧셈하여 적어도 하나의 프레임에 걸쳐 누적할 수 있다.

상기 누적 저장부는 소프트 결합(soft combining)에 의해 결합하는 것일 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 PBCH 복호기를 포함하는 5G NR 수신기가 제공된다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면, PBCH 신호에서 프레임마다 변경되는 SFN 정보를 폴라 코드의 선형성 특성을 이용해서 “무효화”시키는 반전 벡터를 생성하여 수신한 PBCH 신호에 모듈로덧셈을 하여 누적하는 방법을 제공함으로써, 시간에 대해 변경되던 SFN 정보가 항상 동일한 값을 갖게 되므로, PBCH 신호를 시간에 대해 누적이 가능해진다. 또한, 무효화한 SFN정보를 신호 검출 이후에 다시 복구하는 PBCH 복호기를 제공함으로써, PBCH 신호 누적에 의해, 5G NR 수신기에서 수신되는 신호의 SNR이 개선되어 셀 외곽에서의 수신 성능이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 5G NR 표준에 따른 시스템에서, PSS, SSS, PBCH, DMRS(Demodulation Reference Signal) 신호들이 SSB 블록을 구성하는 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 5G NR 표준에 따른 시스템에서, 주기적으로 전송되는 SSB 블록을 프레임에 걸쳐서 누적하는 것을 나타내는 도면이다. SSB 블록은 매 프레임 전송될 수 있으나, 초기 접속 단계에서는 두 프레임 주기를 가정하고 두 프레임마다 PBCH 신호를 수신해서 누적한다.
도 3은 5G NR 표준에 따른 시스템의 송신단에서 PBCH 신호가 부호화되는 과정의 구체적인 일례를 나타내는 순서도이다.
도 4는 5G NR 표준에 따른 시스템에서, PBCH 신호가 변조되어 무선 채널을 통해 수신기에 전달되고, 수신기에서 복조되는 과정의 구체적인 일례를 나타내는 순서도이다.
도 5는 5G NR 수신기에서, 복조된 PBCH 신호를 복호해서 PBCH 페이로드를 복원하는 과정의 구체적인 일례를 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라, 반전 효과를 줄 비트를 설정해서 반전 벡터를 만들어내는 과정을 나타내는 방법에 대한 구체적인 일례를 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반전 벡터를 이용한 PBCH 복호 방법에 대한 구체적인 일례를 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PBCH 복호기를 나타내는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라, 시작 SFN에 대한 가정에 따른 후보별로 시간의 흐름에 대해 사용하는 반전 벡터의 변화에 대한 예시 및 각 예시에서 실제 전송된 SFN 정보가 반전되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라, SFN 2비트에 대해서만 누적한 경우와 SFN 1비트를 추가하여 총 3비트의 SFN에 대해 누적한 경우의 PBCH 수신 성능을 비교한 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 도시되고 설명되며 그 이외 부분의 도시와 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략하였다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

설명의 간략함을 위해, 본 명세서에서는 예시를 들어 순서도 또는 플로우 차트의 형태로 하나 이상의 방법이 일련의 단계로서 도시되고 기술되어 있지만, 본 발명이 단계들의 순서에 의해 제한되지 않는데 그 이유는 본 발명에 따라 본 명세서에 도시되고 기술되어 있는 것과 다른 순서로 또는 다른 단계들과 동시에 행해질 수 있기 때문이라는 것을 잘 알 것이다. 또한, 예시된 모든 단계들이 본 발명에 따라 방법을 구현해야만 하는 것은 아닐 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 실시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.

도 3은 5G NR 표준에 따른 시스템의 송신단에서 PBCH 신호가 부호화되는 과정의 구체적인 일례를 나타내는 순서도(S100)이고, 도 4는 부호화된 PBCH 신호가 변조되어 무선 채널을 통해 수신기에 전달되고, 수신기에서 복조되는 과정의 구체적인 일례를 나타내는 순서도(S200)이고, 도 5는 5G NR 수신기에서, 복조된 PBCH 신호를 복호해서 PBCH 페이로드를 복원하는 과정을 나타내는 순서도(S300)이다

도 3을 참조하면, PBCH 신호가 부호화되는 순서도(S100)로서, S120 단계에서는 MIB(A'비트; S110)에 시간정보 등을 추가하여 PBCH 페이로드(A비트)를 생성한다.

S120 단계에서 생성된 PBCH 페이로드는 인터리빙을 거치고(S130), 전송 오류 검출을 위한 CRC 24비트를 추가하여 스크램블링하고(S140), frozen 비트를 추가하여 512비트의 부호화기 입력(

)을 생성하여(S150) 폴라 코딩(Polar Coding) 방식으로 부호화된다(S160).

폴라 코딩으로 부호화된 PBCH 페이로드를 864비트로 반복 확장하면(S170) 최종 PBCH 신호가 생성된다(S180).

도 3과 같은 과정을 거쳐 생성된 PBCH 신호는, 도 4의 과정을 거쳐, 기지국(gNB)으로부터 무선 채널을 통해 단말(UE; 5G NR 수신기)에서 수신된다.

도 4를 참조하면, 도 3의 S100에서 생성된 PBCH신호는 SSB 블록 인덱스로 스크램블링 되어(S210) QPSK로 변조되어(S220) 무선 채널로 전송된다(S230).

단말에서 수신된(S240) PBCH 신호는 QPSK 복조(S250) 및 스크램블링 해제(S260)를 거친 후 복호된다(S300).

도 5를 참조하면, 단말(5G NR 수신기)에서 복조된 PBCH 신호를 복호해서 PBCH 페이로드를 복원하는 과정을 나타내는 순서도(S300)로서, 복조된 PBCH 신호를 도 3의 S100의 역순으로 복호해서 원래의 PBCH 페이로드를 복원한다(S310 내지 S370).

5G NR 통신 시스템에서 PBCH의 페이로드는 SFN과 같이 시간에 따라 가변하는 정보와 기타 항상 고정되어 있는 정보로 구성된다. 그리고, PBCH 페이로드는 폴라 코딩 방식으로 부호화된다.

폴라 코드는 일종의 선형 블록 오류 정정 부호(Linear Block Error Correction Code)로서 선형성 특성을 가진다. 이러한 폴라 코드의 선형성 특성을 활용하면, 폴라 코딩에 의해 부호화된 결과로부터 “부호화기 입력에 있는 특정한 비트에 의한 영향을 분리”해 낼 수 있다.

본 발명은 이러한 폴라 코드의 선형성 특성을 활용하는 것에 착안한 것으로서, 다수의 프레임에 걸쳐 PBCH를 누적할 수 있도록 하여 PBCH의 수신 성능을 향상시키는 것이다.

이하, 폴라 코드의 선형성 특성을 이용해서, PBCH에서 프레임마다 변경되는 SFN 정보를 “무효화”시키는 방법에 대하여 설명하기로 한다. 프레임마다 변경되는 SFN 정보를 “무효화”시키면, 시간에 대해 변경되던 정보가 항상 동일한 값을 갖게 되므로, 시간에 대해 누적 가능해진다. 따라서 누적에 의해 SNR이 개선되어 셀 외곽에서의 수신 성능 향상을 기대할 수 있는 것이다.

프레임마다 변경되는 SFN 정보를 “무효화”시킨다는 것은, 프레임마다 변하는 비트를 단순히 누적하게 되면 누적결과가 의미 없어지게 되므로, 해당 비트의 정보를 없애서 변하지 않도록 하는 것을 의미한다. 즉, SFN은 매 프레임마다 “1”씩 증가하게 되는데, 적절한 처리를 통해 이 값이 항상 “0”이 되도록 하는 것이다. 물론 이 과정에서 없앤 정보는 추후 다시 복원할 수 있다.

이러한 착안점의 기술적인 배경은 다음과 같이 요약할 수 있다.

(1) 동일한 신호를 누적하면 신호의 품질이 좋아진다.

(2) PBCH의 신호는 프레임 번호를 나타내는 SFN을 제외한 나머지 정보는 모두 동일하며, SFN은 프레임마다 시간에 따라 증가한다.

(3) SFN 정보를 포함하는 비트열을 특정 구간동안 시간에 대해 변하지 않도록 무효화하면, 그 구간동안 PBCH는 동일한 신호가 되므로 서로 누적할 수 있다.

(4) 원래의 SFN정보는 수신기에서 사용해야 하는 정보이므로, 무효화 처리된 SFN은 복호후에 복원한다.

5G NR 시스템의 PBCH에서는 LSB를 제외한 SFN 하위의 2비트를 스크램블링에서 제외하고, 이 값(0b00, 0b01, 0b10 혹은 0b11)에 따라 해당 SFN의 신호에 적용되는 스크램블링 패턴이 결정된다. 즉, LSB를 제외한 SFN하위 2비트의 실제값이 0b00인 경우부터 시작해서 스크램블링 해제후 누적하면, 0b01, 0b10을 거쳐 0b11인 경우까지 총 4개의 수신된 신호에 대해 누적할 수 있다. 단, 실제의 SFN의 값은 모르는 상태이므로, LSB를 제외한 SFN하위 2비트의 값에 대해서는 시작 시점에 대한 가정이 필요하다.

따라서, 일 실시예로서, 스크램블링이 되어 있는 SFN 한 비트를 추가로 무효화시키면 누적 가능한 신호의 개수를 증가시켜서 수신 성능을 개선할 수 있다. 더 상세하게는, 5G NR 시스템에서 SFN은 총 10비트로 이루어져 있고, 매 프레임마다 변경되고, 규격에서 보장하는 최대 PBCH 수신 주기가 2 프레임이므로, 2 프레임마다 PBCH 수신을 시도한다고 가정하면, LSB는 항상 고정되어 있는 값이 된다. 또한, LSB 바로 상위의 2비트는 규격에서 누적할 수 있도록 유도하고 있다. 따라서, 이들을 제외한 나머지 7 비트 중에 하나를 추가로 무효화해서 누적에 사용한다는 의미이다.

5G NR PBCH에 사용되는 폴라 코딩 방식의 부호화 과정은 다음과 같다.

부호화기의 입력

는 페이로드

와 frozen 비트 “0”으로 구성되는데, 각 페이로드 비트들과 frozen 비트들의 위치는 5G NR 표준을 따른다. 이 때, 폴라 코드로 부호화된 결과

는 <수학식 1>과 같이 계산된다.

<수학식 1>에서

,

이고, 즉,

은

의 n-th Kronecker power이다(N=512, n=9). 페이로드

에서 A는 통상적으로 56비트가 사용된다(상위레이어 메세지 24bit + 추가 정보 8bit + CRC 24bit).

5G NR PBCH는, 도 3 및 도 4에서 설명하였듯이, 폴라 코딩에 의해 부호화된 512비트를 단순 반복의 방식으로 864비트로 확장하고, 2차 스크램블링을 한 후, QPSK로 변조해서 전송하게 된다.

폴라 코드의 선형성 특성을 이용하면,

를 두 부분

으로 분리해서

, 각각을 부호화한 후 모듈로덧셈(modulo addition)을 하여도 <수학식 2>와 같이 동일한 결과가 나옴을 알 수 있다.

이러한 폴라 코드의 선형성 특성을 이용하면, “특정한 위치의 비트”만 “1”의 값을 갖고 있는 입력

을 폴라 코드로 부호화한

을 원래의

에 모듈로덧셈(modulo addition)을 하면, <수학식 3>과 같이

비트가 반전되는 효과가 나타나게 된다.

따라서, <수학식 3>을 이용하면, SFN의 각각의 비트를 반전시킬 수 있는 벡터인 “반전 벡터”를 만들 수 있다. 즉, 무효화시키려고 하는 비트의 위치가 k라고 하고 이 값(

)은 매 프레임마다 변경되는 값이라고 가정할 때, 매 프레임마다 적절한 반전 벡터를 선택해서 사용하게 되면

는 항상 “0”으로 무효화되고, 매 프레임마다 누적해도 되는 상태가 되는 것이다.

이하, 이러한 “반전 벡터”를 만드는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 반전 효과를 줄 비트를 설정해서 반전 벡터를 만들어내는 과정을 나타내는 방법에 대한 구체적인 일례를 나타내는 순서도(S600)이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반전 벡터를 이용한 PBCH 복호 방법에 대한 구체적인 일례를 나타내는 순서도(S700)이다.

도 6을 참조하면, (송신단에서 PBCH 신호가 부호화되는 과정의 구체적인 일례를 나타내는) 도 3과 비교하였을 때, S610 및 S680 단계를 제외하고는 S130 단계 내지 S170 단계의 동일한 과정을 거치게 된다.

즉, 반전 벡터는 단말에서 생성되는 것인데, 반전 벡터의 생성 방법은 송신단(기지국)에서 PBCH 신호가 부호화되는 과정과 동일한 부호화 과정을 거쳐서 생성되는 것이다.

도 3에서 인터리빙(S130)되기 이전의 페이로드에서 SFN을 나타내는 위치는 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.

송신단에서 <수학식 4>의 “PBCH 페이로드”를 폴라 코딩으로 부호화하는 과정과 마찬가지로, 단말에서 <수학식 4>의 “반전 벡터 페이로드”를 폴라 코딩으로 부호화하여 다음의 실시예와 같이 반전 벡터를 생성할 수 있다. 즉, PBCH 페이로드만 변경된 채 기존의 PBCH 신호를 생성하는 도 3과 동일한 과정을 거쳐서 반전 벡터를 생성할 수 있다.

일 실시예로서, SFN의 2번째 LSB를 반전시키는 벡터를 생성하는 경우, S610 단계에서, <수학식 4>의

위치의 값을 1로 하고, 나머지는 모두 “0”인 “반전 벡터 페이로드”를 생성할 수 있다.

즉, S610 단계에서 생성된 반전 벡터 페이로드로부터, 도 3과 동일하게 S130 단계 내지 S170 단계를 거쳐, 최종 864비트의 반전 벡터(

)를 생성할 수 있다(S680).

요약하면,

를 5G NR 표준에 따라 frozen 비트를 삽입해서 폴라 코드 부호화기의 입력의 형태인

로 만든 후 폴라 코딩 부호화를 수행하여 반전 벡터

를 생성하게 되는 것이다.

도 7을 참조하면, 반전 벡터를 이용한 PBCH 복호 방법에 대한 구체적인 일례를 나타내는 순서도(S700)로서, 도 4의 S200에 S600과 S710이 추가되어 도시되어 있음을 알 수 있다.

즉, 스크램블링이 해제된(S260) PBCH 신호에 반전 벡터(

)를 모듈로덧셈하면, 수신된 신호에서

에 해당하는 성분을 모두 반전시키는 효과를 내게 된다. 즉,

인 시점에 수신된 신호에 적용하면

의 값이 “0”으로 바뀌는 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 반전 벡터를 이용한 PBCH 복호화는 종래의 단말 수신 과정에 S600의 과정을 단순히 추가하기만 하면 되는 것이다.

이후, S710 단계에서는 유효성 확인 및 SFN 복원을 할 수 있다. 수신을 시작하는 SFN이 미리 가정한 후보와 일치하는 경우, 반전 효과에 의해 시간에 대한 SFN은 모두 0이 된다. 따라서, 복호에 성공해서 CRC를 통과한 페이로드의 SFN 성분의 확인을 통해 유효성을 검증할 수 있다. 유효한 페이로드는 SFN성분의 값이 “0”이 되어야 한다.

유효한 페이로드임이 검증되면, “0”으로 반전 처리되었던 LSB를 제외한 SFN의 하위 3비트의 값을, 복호에 성공한 후보에서 가정했던 시작 SFN으로부터 역산해서 실제 SFN으로 복원할 수 있다.

상술한 방법을 확장하면, SFN에서 복수개의 비트들을 반전시킬 수도 있다.

일 실시예로서, SFN=7(0b0000000111)에 수신된 신호의 SFN 하위 3비트를 “0”으로 만드는 반전 벡터는,

의 페이로드를 S600에 따라 폴라 코드로 부호화하면 반전 벡터

이 만들어진다.

이때, 폴라 코드의 선형성 특성을 이용하면,

의 연산을 통해서도 동일한 벡터를 만들 수 있다. 즉, SFN의 하위 3비트들을 각각 반전시킬 수 있는 벡터 3개만 갖고 있으면 이들의 모듈로덧셈의 조합으로 0~7까지 총 8개의 벡터를 만들어서 사용할 수 있다. 따라서, 이러한 특성을 이용하면 원하는 SFN에 대한 모든 벡터를 만들어서 사용할 수 있게 된다.

한편, 전술한 실시예들은 매 프레임마다 PBCH를 수신하는 일반적인 경우를 가정해서 최하위 LSB도 변경되는 것을 설명하였다. 그런데, 5G NR 시스템에서는 초기 접속 시점에 SSB 블록이 PBCH를 2 프레임(=20ms)마다 한번씩 수신하도록 되어 있으므로 최하위 LSB는 변하지 않는 값이 된다.

즉, 짝수번째 SFN부터 수신하기 시작했다면 항상 짝수번째 SFN만을 수신하게 되고, 홀수번째 SFN부터 수신하기 시작했다면 항상 홀수번째 SFN만을 수신하게 된다. 따라서 5G NR 시스템에서는 LSB가 원래부터 고정된 상태로 수신하게 되는 셈이므로 굳이 무효화시킬 필요는 없다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PBCH 복호기를 나타내는 블록도(800)이고, 도 9는 시작 SFN에 대한 가정에 따른 후보별로 시간의 흐름에 대해 사용하는 반전 벡터의 변화에 대한 예시 및 각 예시에서 실제 전송된 SFN 정보가 반전되는 모습을 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 PBCH 복호기(800)는 반전 벡터 생성부(810), 누적 저장부(830), 페이로드 복호부(840) 및 SFN 복원부(860)을 포함하여 구현될 수 있다.

반전 벡터 생성부(810)는 도 6에서 설명한 반전 벡터를 생성한다. 즉, 반전시킬 비트의 위치를 적어도 하나 설정하고, 설정된 위치에 따라 반전 벡터 페이로드를 만들고, 반전 벡터 페이로드로부터 폴라 코딩 부호화를 수행하여 반전 벡터를 생성할 수 있다.

반전 벡터 생성부(810)는 “후보별로” 반전 벡터를 생성할 수 있다. 주기적으로 변하는 페이로드 비트에 대해서, 주기와 정확히 일치하는 반전 벡터를 선택적으로 적용해야 반전 처리된 모든 페이로드들은 “0”의 같은 값을 갖게 되므로, 서로 누적할 수 있는 상태가 된다. 그런데, 단말(수신기)은 “수신 시작 시점의 SFN을 알 수가 없기 때문에” 반전 벡터는 가능한 후보들을 모두 생성하여야 하는 것이다.

좀 더 상세히 설명하면, 수신 시작 시점의 SFN은 PBCH를 복호해야 알 수 있다. 그런데, PBCH의 수신 성능을 향상시키기 위해서는 다수(8개)의 프레임에 걸쳐서 누적한 이후에 PBCH 복호화를 해야하므로, 반전 벡터를 후보별로 생성하고, 후보별로 PBCH 신호 누적 저장을 하고, 후보별로 복호화를 해야하는 것이다. 이 때, 후보들은 각 수신 시작 시점의 SFN에 대한 가정으로 결정된다. 그러면, 실제와 SFN이 일치하는 가정에 대한 후보의 경우에만 신호품질이 개선되므로 정상적으로 복호가 되고, 다른 7개의 후보는 정상적인 복호가 이루어지지 않게 된다.

예를 들어, 5G NR 시스템에서 2프레임마다 신호를 수신하는 상황인 경우에, SFN의 최하위 LSB를 제외한 하위 3개의 비트를 무효화시키기로 설정하였다고 가정해보자.

그러면, SFN을 무효화시킬 수 있는 총 8개의 반전 벡터가 필요하다. 즉, 첫번째 PBCH 수신 시작 시점은 비록 알 수 없는 상태이더라도 8개의 반전 벡터가 표현하는 하위 비트들 중에 적어도 하나의 값일 것이므로, 이를 각각의 가정에 대한 후보로 두면 되는 것이다.

잠시 도 9를 참조하면, 매 프레임마다 수신되는 PBCH의 SFN은 계속해서 증가하게 되므로, 각 후보별로 사용하는 반전 벡터도 가정에서부터 증가된 SFN을 표현하는 반전 벡터를 사용해서 적용하는 것이 도시되어 있다. 실제의 시작 SFN이 0이라고 가정하고 2프레임마다 한번씩 총 8번을 더 수신해서 누적하게 되면, 수신기는 SFN 0,2,4,6,8,10,12,14를 수신하게 된다. 총 8개의 가정에 대한 후보들이 있는데, 이 중 SFN 0으로 시작하는 후보의 경우 실제 수신하는 SFN과 동일한 반전 벡터들을 사용하게 되므로 SFN이 모두 무효화가 되어 0,0,0,0,0,0,0,0가 되고, 동일한 값이므로 누적이 가능하게 된다.

반면, SFN 2로 시작하는 후보의 경우에는 반전 벡터가 각각 2,4,6,8,10,12,14,0을 사용하게 되므로, SFN이 일치하지 않아 정상적으로 무효화가 되지 않으므로 누적 결과는 무의미하게 된다. 마찬가지로, 가정이 일치하지 않는 나머지 6개의 후보들도 SFN이 일치하지 않으므로 누적하면 결과가 무의미하게 된다.

누적 저장부(830)는 PBCH 신호를 후보별로 반전 처리하여 누적 저장한다. 이때 각각의 벡터의 길이는 폴라 코드에 해당하는 864비트이지만, 864비트는 폴라 코드 부호화의 결과물인 512비트의 단순 반복으로 만들어지므로, 실제로는 512비트만 저장한 후 반복해서 사용이 가능하다.

5G NR의 PBCH의 경우 SFN 정보(10bit)는 매 프레임(10ms)마다 변화하는 정보이다. 도 9와 같이 누적 시작 시점의 SFN을 임의의 후보로 가정하고, 수신 단위마다 시작 SFN으로부터 차례로 증가된 벡터로 반전 처리해서 누적하면, 가정한 후보의 시작 SFN이 실제와 일치하는 경우 수신된 SFN 정보들이 모두 “0”으로 변경된다. 즉, 페이로드 전체에 대해서 SFN과 무관하게 모두 동일한 값이 된다. 따라서, 누적이 가능한 상태가 되므로, 소프트 결합(soft combining)에 의해 수신 신호의 SNR을 개선할 수 있게 된다.

소프트 결합은 아직 최종적으로 0 혹은 1로 복호하지 않은 상태에서, 즉, 원래의 수신 신호 상태로 다른 시각 시점에 수신한 신호와 더하는 방식으로서, 수신된 신호는 원래의 신호성분과 정규분포를 따르는 노이즈 성분을 포함하고 있는데, 매 프레임마다 수신하는 신호가 모두 동일한 경우에는, 각각 수신 신호를 모두 더하게 되면 신호성분은 더하는 만큼 크기가 커지게 되는데 비해, 노이즈 성분은 랜덤한 신호이므로 신호성분이 커지는 만큼 증가하지 못하게 되므로, SNR은 신호대 잡음비이고, 누적하는 경우 신호크기의 증가가 노이즈의 증가에 비해 더 크므로 결과적으로 SNR이 개선되는 것이다.

일 예로서, PBCH 수신을 2프레임(20ms)마다 하고, SFN의 하위 4비트 중 LSB를 제외한 3비트(sfn#6, sfn#7, sfn#8)를 반전 벡터로 사용하는 경우, 총 8개의 후보들이 생기고 이는 각각 SFN의 LSB를 제외한 하위 3비트의 값이 0,1,…인 경우에 해당한다. 따라서, 최대 8개의 PBCH (=8*20ms=160ms) 동안 누적할 수 있고, 누적하지 않는 경우의 성능과 비교하면, 일반적인 경우 9dB의 성능 향상을 기대할 수 있다. 이 예에서 각 후보별로 반전 처리된 페이로드의 SFN 값은 도 9에 도시된 것을 사용하였다.

페이로드 복호부(840)는 후보별로 반전 처리되어 누적된 PBCH 신호를 복호한다. PBCH 신호의 복호는 도 5의 S300의 과정을 거칠 수 있다.

SFN 복원부(860)는 유효성 확인 및 반전 처리된 SFN의 복원을 수행한다. 수신을 시작하는 SFN이 가정한 후보와 일치하는 경우, 반전 효과에 의해 시간에 대한 SFN은 모두 0이 된다. 따라서, 복호에 성공해서 CRC를 통과한 페이로드의 SFN 성분의 확인을 통해 유효성을 검증할 수 있다. 유효한 페이로드는 SFN성분의 값이 “0”이 되어야 한다. 유효한 페이로드임이 검증되면, “0”으로 반전 처리되었던 LSB를 제외한 SFN의 하위 3비트의 값을, 복호에 성공한 후보의 SFN을 이용하여 역산해서 실제 SFN으로 복원할 수 있다.

한편, 반전 비트로 사용할 비트의 개수를 늘릴 수록 PBCH의 수신 성능을 개선할 수 있고, 최대 SFN 영역에 해당하는 10비트까지 사용이 가능하다. 누적에 사용하게 되는 SFN 비트의 개수가 증가할 수록 수신 신호의 SNR이 좋아지게 되므로 수신 성능이 향상된다. 다만, n개의 비트를 반전 비트로 사용하는 경우, 가정해야 하는 후보의 개수는 2ⁿ개가 된다. 따라서 구현의 복잡도가 증가하게 되므로, 성능과 Trade-off를 고려하는 것이 바람직하다.

최대 SFN 영역을 모두 사용하는 경우, 즉 20ms의 PBCH 수신 시도를 가정하는 경우 SFN의 LSB를 제외한 9비트를 모두 반전 비트로 사용하면 무한대로 누적할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 총 512개의 후보들을 누적하고 비교해야 하는 부담이 생기는데, 이 때 “특정 시점마다 후보를 줄여나가는 방식”을 사용하면, 실질적으로 관리해야 하는 후보수를 제한하면서 무한대로 누적할 수 있다. 즉, 올바른 후보가 선택되어 반전된 채로 누적되면, 모두 동일한 수신 신호들이 누적되는 상태이므로 각각의 수신 신호의 절대값이 증가하게 된다. 따라서, 후보를 줄이기 위해, 비교하는 시점에 후보별로 “수신 신호들의 절대값의 총합을 비교”해서 상위의 절반만 남기고, 남겨진 후보들에 대해서만 다음 후보군을 추가로 확장할 수 있다.

예를 들어, 8개의 후보들로 관리하는 경우, 총 8회 누적한 후 각 후보들의 LLR(Log Likelihood Ratio)의 절대값의 총합을 비교해서, 가장 큰 4개의 후보만 남겨놓는다. 남겨진 후보들이 각각 0,1,2,3이라고 가정하면, 하위 3비트는 결정이 되었다고 보고, 이로부터 1비트를 확장해서 다음 단계의 후보군으로 삼는다. 즉, 다음 후보들은 0, 8(=0+8), 1, 9(=1+8), 2, 10(=2+8), 3, 11(=3+8)로 다시 8개가 되는 식이다. 이런 방법을 사용하면 관리해야 하는 후보들을 8개로 제한하면서 무한대로 누적할 수 있게 된다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라, SFN 2비트에 대해서만 누적한 경우와 SFN 1비트를 추가하여 총 3비트의 SFN에 대해 누적한 경우의 PBCH 수신 성능을 비교한 그래프이다. 그래프에서 sfn(7,8)은 (sfn₇, sfn₈)의 2비트에 대해서만 누적한 경우이고, sfn(6,7,8)은 (sfn₆, sfn₇, sfn₈)의 3비트에 대해서 누적한 경우이다.

도 10을 참조하면, 2비트를 반전 벡터로 사용하는 경우와 3비트를 반전 벡터로 사용하는 경우를 비교해 보면, 3비트를 반전 벡터로 사용하는 경우가 1.5dB 성능 개선이 됨을 확인할 수 있다. 이 때, 서로 다른 시각에서 수신된 PBCH 신호는 각각의 SNR을 이용해서 MRC(Maximal Ratio Combining) 기법을 사용해서 소프트 결합을 한다. SNR은 SSB 블록에 포함된 PSS/SSS/DM-RS 신호를 통해서 계산하였다.

이상과 같이, 본 실시예들에 의하면, PBCH 신호에서 프레임마다 변경되는 SFN 정보를 폴라 코드의 선형성 특성을 이용해서 “무효화”시키는 반전 벡터를 생성하여 수신한 PBCH 신호에 모듈로덧셈을 하여 누적하는 방법을 제공함으로써, 시간에 대해 변경되던 SFN 정보가 항상 동일한 값을 갖게 되므로, PBCH 신호를 시간에 대해 누적이 가능해진다. 또한, 무효화한 SFN정보를 신호 검출 이후에 다시 복구하는 PBCH 복호기를 제공함으로써, PBCH 신호 누적에 의해, 5G NR 수신기에서 수신되는 신호의 SNR이 개선되어 셀 외곽에서의 수신 성능이 향상된다.

또한, 이상에서 설명된 5G NR 수신기의 성능 향상을 위한 PBCH 신호 누적 방법의 실시예는 다양한 컴퓨터 구성요소들을 통하여 수행될 수 있는 컴퓨터 프로그램 명령어의 형태로 구현될 수 있다. 또한, 상기 구현된 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수도 있다. 언급된 기록 매체는 ROM, 자기 디스크 혹은 콤팩트 디스크, 광 디스크 등 일 수 있으나, 이에 반드시 한정되지는 않는다.

이상에서와 같이, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

800: PBCH 복호기
810: 반전 벡터 생성부
830: 누적 저장부
840: 페이로드 복호부
860: SFN 복원부

Claims

5G NR(New Radio) 수신기에서 수신하는 PBCH(Physical Broadcasting Channel) 신호의 누적 및 복호 방법으로서,
상기 수신된 PBCH 신호에 포함되는 SFN(System Frame Number)의 적어도 하나의 비트를 무효화시키는 반전 벡터를 생성하는 단계;
상기 수신된 PBCH 신호에 상기 생성된 반전 벡터를 모듈로덧셈(modulo addition)하여 적어도 하나의 프레임에 걸쳐 누적하는 단계;
상기 누적된 PBCH 신호를 복호하는 단계; 및
상기 복호된 PBCH의 유효성을 확인하고 상기 SFN을 복원하는 단계;
를 포함하며,
상기 반전 벡터는 무효화시키려는 비트만 “1”로 구성되는 페이로드로부터 폴라 코딩 방식으로 부호화를 수행하여 생성되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 반전 벡터는, 폴라 코드의 선형성 특성을 이용해서 프레임마다 변경되던 SFN 정보가 상기 적어도 하나의 비트에서 항상 동일한 값을 갖도록 변경시키는 벡터인 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 복호된 PBCH의 유효성 확인은 상기 복호된 PBCH의 SFN 성분을 확인함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 SFN 복원은 상기 수신된 PBCH에 포함되어 있던 원래의 SFN을 복원하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 반전 벡터를 생성하는 단계는, 무효화시키려는 비트의 적어도 하나의 조합에 대하여 프레임별로 서로 다른 SFN 시작 시점을 가지는 적어도 하나의 반전 벡터를 후보별로 생성하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제6항에 있어서,
상기 누적하는 단계는, 상기 수신된 PBCH 신호에 상기 생성된 반전 벡터를 상기 후보별로 모듈로덧셈하여 적어도 하나의 프레임에 걸쳐 누적하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제7항에 있어서,
상기 SFN 복원은, 상기 복호된 PBCH 중에서 유효성 확인이 된 것의 해당 반전 벡터 후보로부터 역산으로 복원하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제6항에 있어서,
상기 후보의 수는, 특정 시점마다 후보별로 수신 신호들의 절대값의 총합을 비교해서 조절하는 것을 특징으로 하는, 방법.
청구항 제1항 내지 청구항 제9항 중의 어느 한 항에 따른 방법을 실행시키기 위한, 컴퓨터-판독가능한 기록매체에 저장된 프로그램.
청구항 제1항 내지 청구항 제9항 중의 어느 한 항에 따른 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 기록된, 컴퓨터-판독가능한 기록매체.
PBCH 복호기로서,
수신된 PBCH 신호에 포함되는 SFN의 적어도 하나의 비트를 무효화시키는 반전 벡터를 생성하는 반전 벡터 생성부;
상기 수신된 PBCH 신호에 상기 생성된 반전 벡터를 모듈로덧셈하여 적어도 하나의 프레임에 걸쳐 누적하는 누적 저장부;
상기 누적된 PBCH 신호를 복호하는 페이로드 복호부; 및
상기 복호된 PBCH의 유효성을 확인하고 상기 SFN을 복원하는 SFN 복원부;
를 포함하며,
상기 반전 벡터는 무효화시키려는 비트만 “1”로 구성되는 페이로드로부터 폴라 코딩 방식으로 부호화를 수행하여 생성되는 것을 특징으로 하는, PBCH 복호기.
제12항에 있어서,
상기 반전 벡터는, 폴라 코드의 선형성 특성을 이용해서 프레임마다 변경되던 SFN 정보가 상기 적어도 하나의 비트에서 항상 동일한 값을 갖도록 변경시키는 벡터인 것을 특징으로 하는, PBCH 복호기.
삭제
제12항에 있어서,
상기 복호된 PBCH의 유효성 확인은, 상기 복호된 PBCH의 SFN 성분이 “0”인지를 판단하는 것을 특징으로 하는, PBCH 복호기.
제12항에 있어서,
상기 SFN 복원은 상기 수신된 PBCH에 포함되어 있던 원래의 SFN을 복원하는 것을 특징으로 하는, PBCH 복호기.
제12항에 있어서,
상기 반전 벡터 생성부는, 무효화시키려는 비트의 적어도 하나의 조합에 대하여 프레임별로 서로 다른 SFN 시작 시점을 가지는 적어도 하나의 반전 벡터를 후보별로 생성하는 것을 특징으로 하는, PBCH 복호기.
제17항에 있어서,
상기 누적 저장부는, 상기 수신된 PBCH 신호에 상기 생성된 반전 벡터를 상기 후보별로 모듈로덧셈하여 적어도 하나의 프레임에 걸쳐 누적하는 것을 특징으로 하는, PBCH 복호기.
제18항에 있어서,
상기 SFN 복원은, 상기 복호된 PBCH 중에서 유효성 확인이 된 것의 해당 반전 벡터 후보로부터 역산으로 복원하는 것을 특징으로 하는, PBCH 복호기.
제17항에 있어서,
상기 후보의 수는, 특정 시점마다 후보별로 수신 신호들의 절대값의 총합을 비교해서 조절하는 것을 특징으로 하는, PBCH 복호기.
제12항에 있어서,
상기 누적 저장부는 소프트 결합(soft combining)에 의해 결합하는 것인 것을 특징으로 하는, PBCH 복호기.
청구항 12항에 따른 PBCH 복호기를 포함하는 5G NR 수신기.