KR102182390B1 - 다중 경로 페이딩 환경에 적합한 sc-fde 웨이브폼이 적용된 vdes 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박과 선박 간에 전파를 송수신할 때 발생되는 페이딩 현상을 극복할 수 있는 SC-FDE 웨이브폼이 적용된 VDES 장치에 관한 것이다.

Description

다중 경로 페이딩 환경에 적합한 SC-FDE 웨이브폼이 적용된 VDES 장치{DEVICE FOR VDES INVOKED SC-FDE WAVEFORM OF MULTIPATH FADING}

본 발명은 선박과 선박 간에 전파를 송수신할 때 발생되는 페이딩 현상을 극복할 수 있는 SC-FDE 웨이브폼이 적용된 VDES 장치에 관한 것이다.

일반적으로 AIS 송수신제어장비와 AIS 메시지 처리기 간에는 처리하는 메시지는 오직 1개 종류, AIS(Automatic Identification System)메시지만 존재함으로 별도로 메시지 종류를 식별하는 절차가 필요하지 않았으나, 최근에 개발된 VDES(VHF Data Exchange System)에서는 지상파 VDES station에 전달되는 3종류의 메시지(AIS, ASM, VDE)를 종류별로 식별하기 위해서 모든 메시지를 하나의 메시지 처리기로 수신하여 메시지 내용을 확인하거나, 메시지 처리기별로 네트워크 IP를 별도로 보유하는 방식으로 메시지를 구분하여야 해서 수신기의 크기나 무게가 커지고 소모전력과 구현비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.

이에 더불어, 지상파 VDES 시스템에 대하여 연안 지형 및 해수면 반사파로 인해 발생한 다중 경로 페이딩 환경에서의 성능 열화 가능성까지 존재한다.

다만, 다중 경로 페이딩 환경 하에서 VDES와 같은 Single Carrier 시스템의 경우 일반적으로 T-EQ(Time-domain Equalizer)를 사용하여 성능 열화를 완화시킬 수 있으나 구현 복잡도가 크고 다른 방식에 비해 성능개선 효과도 미미한 수준이다.

이러한 T-EQ에 대하여 설명하면, Ramp up / Syncword / Link ID / Data symbols / Ramp down / Guard 등의 웨이브폼과 이들의 파라미터값에 기반하여, 입력신호에 대한 Square cost 함수를 최소화하면서, 계수를 반복적으로 찾는 알고리즘을 이용하여 성능 열화를 완화시키도록 하고 있는데,

이때, T-EQ는 우수한 채널 추정을 위해서 다음 수학식 1과 같은 RLS알고리즘과 같은 높은 복잡도의 이퀄라이저가 필요하게 된다.

이에 따라, 본 출원인은 지상파 VDES 시스템에 대하여 연안 지형 및 해수면 반사파로 인해 발생하는 성능 열화 가능성을 완화시키기 위한 이퀄라이저(Equalizer)의 구현시 복잡도가 낮고 VDES규격 G1139 ed.2에 적합하도록 설계된, 이퀄라이저 웨이브폼을 제안하고자 한다.

공개특허공보 특1998-043692호(1998.09.05.) 등록특허공보 제10-0689418호(2007.03.08. 공고) 등록특허공보 제10-0896654호(2009.05.11. 공고) 등록특허공보 제10-1084108호(2011.11.16. 공고)

본 발명의 목적은, 낮은 구현 복잡도로 다중 경로 페이딩 환경에 대응 가능하며, VDES 규격 G1139 ed.3에 적합한 SC-FDE(Single Carrier Frequency-Domain Equalizer, 싱글 캐리어 주파수 도메인 이퀄라이저) 웨이브폼과, 이러한 웨이브폼이 적용된 VDES 장치를 제공하는데 있다.

상술된 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로 본 발명에 따른 다중 경로 페이딩 환경에 적합한 SC-FDE 웨이브폼이 적용된 VDES 장치는,

다중 경로를 통해 페이딩이 발생된 상태의 전파를 수신하는 수신부와;

상기 수신부에서 수신된 전파의 웨이브를 기반으로 웨이브폼을 생성하는 웨이브폼생성부와;

상기 웨이브폼생성부에서 생성된 웨이브폼을 분석하여 채널의 추정과 보상을 수행하는 웨이브폼분석부;를 포함하여 구성된 VDES 장치에 있어서,

상기 웨이브폼생성부를 통해 생성된 웨이브폼은,

데이터 전송을 동기화하고 헤더정보 및 데이터 시작을 의미하는 Syncword와, 구간접두부(Cycle Prefix)를 의미하는 CP Symbol과, Pilot Symbol과, Link ID Symbol과, Data Symbol이, 기재 순서대로 구성되며, 상기 순서가 적어도 1회 이상 반복되고,

상기 웨이브폼은, Data Symbol 중 마지막 소정의 정보를 CP Symbol로 적용함으로써, (a) 상기 CP Symbol에 기반하여 Data Symbol의 종료를 판단하고, (b) 상기 순서가 1회 이상 반복되는 경우, CP Symbol에 기반하여 반복의 시작을 판단하도록 하며,

상기 CP Symbol을 기반으로, Pilot Symbol의 시작 또는 Data Symbol의 종료의 구분이 쉬워지므로, 채널의 추정과 보상의 정확도가 향상되는 것을 기술적 특징으로 한다.

이때, 채널의 추정은, Pilot Symbol의 길이를 그대로 FFT하여 추정되고,

채널의 보정은, Pilot Symbol의 길이와 Data Symbol의 길이를 그대로 FFT하여 보상되는 것을 기술적 특징으로 한다.

여기서, 상기 채널의 추정은, 'H = Y / X'로 산출된다.

(이때, X는 송신 pilot심볼이고, Y는 수신 pilot심볼이며, H는 채널추정결과 계수이다)

한편, 본 발명에 따른 상기 웨이브폼은, 16QAM, CTC 1/2, 2/3을 사용하는 싱글 캐리어 주파수 도메인 이퀄라이저 웨이브폼(SC-FDE)인 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다중 경로 페이딩 환경에 적합한 SC-FDE 웨이브폼이 적용된 VDES 장치에 의하면, 지상파 VDES 시스템에 대하여 연안 지형 및 해수면 반사파로 인해 발생하는 성능 열화 가능성을 완화시키기 위한 이퀄라이저(Equalizer)의 구현시 복잡하지 않은 구조를 가지면서, 종래 요구하던 VDES규격 G1139 ed.2를 충족할 수 있는, 단순한 구조의 이퀄라이저와 웨이브폼을 제공할 수 있게 된다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 사항은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.

본 발명은 다중 경로 페이딩 환경에 적합한 SC-FDE 웨이브폼이 적용된 VDES 장치에 관한 것이다.

구체적으로는, 낮은 구현 복잡도로 다중 경로 페이딩 환경에 대응 가능하며, VDES 규격 G1139 ed.3에 적합한 SC-FDE(Single Carrier Frequency-Domain Equalizer, 싱글 캐리어 주파수 도메인 이퀄라이저) 웨이브폼과, 이러한 웨이브폼이 적용된 VDES 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 VDES 장치는 주요하게 수신부; 웨이브폼생성부; 및 웨이브폼분석부;를 포함하도록 구성된다.

물론, 전송부를 비롯한 통상의 VDES의 통신 기능을 위한 그 외 구성을 더 포함할 수도 있지만, 본 발명에서는 다중 경로 페이딩 환경에서 수신되는 신호들을 대상으로 채널의 추정과 보상을 웨이브폼 분석을 통해 수행하는데 있으므로, 그 외 설명은 생략하여 본 발명에서 다루지 않도록 하나, 다만 통상의 기술자라면 본 발명을 참조하여 기술의 완성을 달성할 수 있을 것이다.

수신부는, 다중 경로를 통해 전파를 수신하는 기능을 한다.

이때, 통상적으로 VDES는 ship to ship의 통신을 다루므로, 페이딩(fading, 수신되는 전파가 지나온 매질의 변화에 따라 그 수신전파의 강도가 급격하게 변동되는 현상) 현상이 발생되기 마련이고, 이러한 페이딩이 발생한 전파의 채널추정과 보상을 수행하여야지만 제대로 된 정보의 수신이 가능하다.

웨이브폼생성부는, 상기 수신부를 통해 수신된 전파를 기반으로 웨이브폼을 생성한다. 이때, 웨이브폼의 생성은 통상 전파를 기반으로 웨이브폼이 형성되는 기술을 채택한다.

이러한 웨이브폼생성부를 통해 생성된 웨이브폼은 [표 5]를 참조할 수 있다.

웨이브폼분석부는, 상기 웨이브폼생성부를 통해 생성된 웨이브폼을 분석하여 채널의 추정과 채널의 보상을 수행하는 것으로서, 후술되는 [표 5]에 기반하여 설명하도록 한다.

설명에 앞서, 본 발명에 따른 다중 경로 페이딩 환경에 적합한 SC-FDE 웨이브폼이 적용된 VDES 장치의 웨이브폼(SC-FDE 웨이브폼)은, 통상의 싱글 캐리어 방식을 가지는 웨이브폼과 동일한 PAPR을 가지도록 설계한다.

이러한 본 발명에 따른 SC-FDE 웨이브폼에서 사용하는 VDES 채널 프로파일의 모델은, 아래 [표 1]과 같은 3-Tap Tapped-delay line(탭 지연선) 모델을 사용하도록 한다.

이러한 채널 모델을 사용함에 있어서, 파라미터의 적용은 Shore-to-Ship용 Rician 채널 모델 파라미터를 적용하도록 하며, 이는 [표 2]에 나타난 바와 같이 VDE 50k 프로파일의 경우, Rician K factor가 가장 작게 나타나 다른 프로파일에 비해 상대적으로 가장 열악한 환경이 될 것으로 분석되었다.

이렇게 결정된 채널 모델에 의한 각 주파수 별(25kHz, 50kHz, 100kHz) 다중 경로 페이딩 수신신호의 영향은, [표 3]과 같이 대역폭이 좁을수록 상대적으로 페이딩 영향을 덜 받는 것으로 확인되었다.

즉, 전술된 채널 모델을 사용하더라도 페이딩이 발생될 수밖에 없고, 이러한 페이딩은 단시간 내에서 일어나는 전하의 감쇠로 여러가지 요인에 의해 발생된다.

다시 말해, 전파의 반사, 산란 등으로 인해 전파의 경로가 여러 경로로 흩어지는 것을 다중 경로 페이딩이라 하는데, 이와 같이 다중 경로로 인해 지연 확산(Delay Spread)이 발생하며, 신호의 왜곡을 발생시킨다.

이러한 다중 경로 페이딩에 따른 신호의 왜곡을 보정하기 위하여 본 발명에 따른 SC-FDE 웨이브폼을 사용한다.

상기 SC-FDE 웨이브폼은, 일반 이퀄라이저의 싱글 캐리어 방식을 채용하며, 16QAM, CTC 1/2, 2/3을 사용하도록 한다.

이러한 SC-FDE 웨이브폼은 [표 4]와 같은 웨이브를 가지게 되는데, 이러한 [표 4]에 따른 웨이브를 [표 5]와 같은 형태의 웨이브폼으로 변경하도록 한다.

[표 5]는 [표 4]의 Syncword에서부터 CP&Link ID&Pilot&DATA Symbol까지의 영역에 대한 웨이브폼을 나타낸 것이다.

즉, 웨이브폼의 입력신호는, 데이터 전송을 동기화하고 헤더정보 및 데이터 시작을 의미하는 Syncword를 포함하여, 상기 Syncword의 후단으로 CP(Cycle Prefix, 구간접두부) Symbol과, Pilot Symbol과, Link ID Symbol과, Data Symbol이 1회 이상 반복되도록 구성된다.

즉, 웨이브폼의 입력신호는 Syncword / CP(Cycle Prefix, 구간접두부) / Pilot / Link ID / Data의 순서를 가진다.

즉, Data 영역 중, 마지막 소정의 정보를 CP로 적용하고, CP에 기반하여 Data 영역의 종료를 판단하며 다음 구간이 존재한다면 CP의 시작을 판단할 수 있다. 다시 말해, CP의 적용으로 인해서 Pilot 시작영역과 Data의 종료영역의 구분이 쉬워지기 때문에, 보다 정확한 채널추정과 채널보상을 수행할 수 있게 된다.

이때, 상기 SC-FDE 웨이브폼의 입력신호는 CP(Cycle Prefix, 구간 접두부) 및 Pilot심볼을 포함한다. 이러한 CP 및 Pilot심볼은 [표 6]과 같이 정의할 수 있다.

즉, 상기 SC-FDE 웨이브폼은 [표 6]에 따른 Pilot의 길이 그대로 FFT(Fast Fourier Transform, 고속 푸리에 변환)하여 채널을 추정하도록 한다.

이때, BW 25k/50k/100k은 각각 32/64/128-FFT를 사용한다.

그리고 채널보상은 Pilot과 Data의 길이를 그대로 FFT(Fast Fourier Transform, 고속 푸리에 변환)하여 채널을 보상하도록 한다.

이때, BW 25k/50k/100k은 각각 256/512/1024-FFT를 사용한다.

이와 같은, 채널 추정 및 보상은 FFT후, SC-FDE 웨이브폼의 주파수 영역에서 수행되도록 하고, 채널 추정 결과는 주파수 상에서 'H = Y / X'로 표현된다.

이때, X는 송신 pilot심볼이고, Y는 수신 pilot심볼이며, H는 채널추정결과 계수이다.

실험예 1. 페이딩 환경에서의 수신 성능 비교

가. 기존 RLS 방식의 결과

(1) π/4-QPSK

먼저, 기존 RLS 방식의 패널 추정 알고리즘을 사용하던 T-EQ를 통해 π/4-QPSK에서의 결과는 [표 7]과 같다.

[표 7]을 참조하면, 대역폭 50kHz 채널 환경의 경우, 환경이 너무 열약함에 따라 EQ를 사용함에도 개선되지 않은 것으로 확인되었다.

(2) 8PSK

다음으로, 기존 RLS 방식의 패널 추정 알고리즘을 사용하던 T-EQ를 통해 8PSK에서의 결과는 [표 8]과 같다.

(3) 16QAM

다음으로, 기존 RLS 방식의 패널 추정 알고리즘을 사용하던 T-EQ를 통해 16QAM에서의 결과는 [표 9]과 같다.

나. SC-FDE 방식의 결과

나.의 단락에서는 가.의 단락과 동일한 방법으로 실험을 수행하되, 이퀄라이저 장비를 본 발명에 따른 SC-FDE를 채용하도록 하였다([표 10] 및 [표 11]).

※ 16QAM 1/2

※ 16QAM 2/3

위 자료에 기반하여 정리하여 보면, 동일한 BW모드에서 유사한 Data Rata 기준으로 BER 성능을 비교하여 보았을 때, 특히 BW 25kHz(전송속도 25k~50kbps)에서 본 발명에 따른 SC-FDE를 사용하였을 때 성능적인 면에서 우수한 것으로 나타났다.

그 외의 BW모드에서는 유사한 열화성능을 나타내었으나, 종래 이퀄라이저가 복잡한 연산과정을 통해 수행하던 것에 비하면 유사 또는 조금 더 뛰어난 효과를 가지면서 연산처리를 단순하게 수행할 수 있는 기술을 제안할 수 있게 된다.

Claims (8)

1. 다중 경로를 통해 페이딩이 발생된 상태의 전파를 수신하는 수신부와;
   상기 수신부에서 수신된 전파의 웨이브를 기반으로 웨이브폼을 생성하는 웨이브폼생성부와;
   상기 웨이브폼생성부에서 생성된 웨이브폼을 분석하여 채널의 추정과 보상을 수행하는 웨이브폼분석부;를 포함하여 구성된, VDES 장치에 있어서,
   상기 웨이브폼생성부를 통해 생성된 웨이브폼은,
   VDES 규격 G1139 ed.3의 채널 대역폭(Channel BandWidth, BW) 25kHz에서 16QAM, CTC 1/2, 2/3을 사용하는 싱글 캐리어 주파수 도메인 이퀄라이저 웨이브폼(SC-FDE)으로서,
   데이터 전송을 동기화하고 헤더정보 및 데이터 시작을 의미하는 Syncword와, 구간접두부(Cycle Prefix)를 의미하는 CP Symbol과, Pilot Symbol과, Link ID Symbol과, Data Symbol이, 기재 순서대로 구성되며, 상기 순서가 적어도 1회 이상 반복되고,
   상기 웨이브폼은,
   Data Symbol 중 마지막 소정의 정보를 CP Symbol로 적용함으로써,
   - 상기 CP Symbol에 기반하여 Data Symbol의 종료를 판단할 수 있고,
   - 상기 순서가 1회 이상 반복되는 경우, CP Symbol에 기반하여 반복의 시작을 판단하도록 하며,
   상기 CP Symbol을 기반으로, Pilot Symbol의 시작 또는 Data Symbol의 종료의 구분이 쉬워지므로, 채널의 추정과 보상의 정확도가 향상되되,
   채널의 추정은, Pilot Symbol의 길이를 그대로 FFT하여 추정되고,
   채널의 보상은, Pilot Symbol의 길이와 Data Symbol의 길이를 그대로 FFT하여 보상되며,
   상기 채널의 추정은,
   'H = Y / X'로 산출되는 것을 특징으로 하는, VDES 장치.
   (이때, X는 송신 pilot심볼이고, Y는 수신 pilot심볼이며, H는 채널추정결과 계수이다)
   
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