KR102196993B1 - Ofdm 변조 방식 시스템에서 papr 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치 및 방법 - Google Patents

Ofdm 변조 방식 시스템에서 papr 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치 및 방법이 제공된다. 클리핑부는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호에 대하여 클리핑을 수행하여 클리핑된 신호를 출력하고, 톤 추출부는 클리핑된 신호를 이용하여 클리핑 잡음 신호를 산출하고, 산출된 클리핑 잡음 신호 중 큰 값이 발생한 하나 이상의 톤의 인덱스를 추출하고, ATR부는 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 톤을 예약하는 TR(Tone Reservation) 기법을 적용하여 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)이 선택적으로 감소되도록 하고, ATI(Adaptive Tone Injection)부는 PAPR이 선택적으로 감소된 OFDM 신호에 해당하는 톤을 성상도 확장하여 PAPR이 감소되도록 한다.

Description

OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치 및 방법{Adaptive TR apparatus and method for reducing PAPR in OFDM system}
본 발명은 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 클리핑 기법, 톤 예약 기법 및 톤의 성상 확장을 이용하여 PAPR을 감소시켜 전송 효율을 높일 수 있는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 들어 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템은 무선랜, 휴대인터넷, 차세대 이동통신 등의 고속 멀티미디어 무선 네트워크와 더불어 디지털 라디오, TV 방송에 이르기까지 폭넓은 분야에서 독보적인 무선 전송 방식으로 각광받고 있다.
OFDM 시스템은 변조 신호들을 다수의 직교 부반송파를 이용하여 전송하는 방식으로서, 전체 전송 대역을 다수의 협대역 직교 부채널로 분할하여 데이터를 전송하게 된다. 이 때 인접 부반송파 간에 직교성을 유지함으로써 부채널들을 중첩하여 배치할 수 있으므로, 높은 대역폭 효율을 가지며 단일 반송파를 사용하는 시스템에 비해 주파수 선택적 페이딩에 강한 특성을 갖는다.
OFDM을 포함한 대부분의 무선통신 시스템은 송신단에서 충분한 송신 전력을 얻기 위하여 고출력 증폭기(High Power Amplifier; HPA)를 사용하게 되는데, 이러한 HPA로부터 최대 출력 전력을 얻기 위해서 일반적으로 포화 영역 근처에 동작점을 설정하여야 하며, 이로 인해 발생되는 비선형 왜곡은 시스템 성능을 크게 저하시키는 요인이 된다.
이러한 HPA의 비선형 특성은 전송 신호의 진폭 변화에 매우 민감하기 때문에, 다수의 부반송파로 변조된 신호를 결합하여 전송하는 OFDM 시스템의 경우 전송 신호 진폭이 매우 크게 변하게 되어 결국 전송 신호에 대한 최대전력 대 평균전력비, 즉, PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)이 단일 반송파 시스템에 비해 매우 큰 단점을 갖게 된다. 즉, 주파수 영역의 신호에 대해 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)를 수행하여 멀티 캐리어들을 통해 데이터를 전송하는데, OFDM 신호의 진폭의 크기는 멀티 캐리어들의 크기의 합으로 표현될 수 있다.
따라서, 멀티 캐리어들의 위상이 서로 일치하는 경우, 높은 최대치를 갖는 OFDM 신호가 생성되며, 이러한 신호는 매우 높은 PAPR을 나타낸다. 매우 큰 PAPR을 갖는 신호는 HPA의 효율을 저하시킬 뿐 아니라, HPA의 선형 동작 범위를 벗어난 비선형 영역에서 동작하게 되어 신호가 왜곡되고, 그에 따라 시스템의 성능을 저하시킬 수 있다.
국내 공개특허 제10-2016-0144897호(2016.12.19. 공개)
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 클리핑을 기반으로 톤 예약 방식과 톤 성상 확장 방식을 이용하여 PAPR을 저감시킬 수 있는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치 및 방법을 제시하는 데 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시 예에 따르면, OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치는, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호에 대하여 클리핑을 수행하여 클리핑된 신호를 출력하는 클리핑부; 상기 클리핑된 신호를 이용하여 클리핑 잡음 신호를 산출하고, 상기 산출된 클리핑 잡음 신호 중 큰 값이 발생한 하나 이상의 톤의 인덱스를 추출하는 톤 추출부; 상기 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 톤을 예약하는 TR(Tone Reservation) 기법을 적용하여 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)이 선택적으로 감소되도록 하는 ATR부; 및 상기 PAPR이 선택적으로 감소된 OFDM 신호에 해당하는 톤을 성상도 확장하여 PAPR이 감소되도록 하는 ATI(Adaptive Tone Injection)부;를 포함한다.
상기 톤 추출부는, 상기 OFDM 신호와 상기 클리핑된 신호의 차이로부터 클리핑 잡음 신호를 산출하는 클리핑 잡음 산출부; 상기 산출된 클리핑 잡음 신호에 FFT를 수행하는 FFT부; 및 상기 FFT가 수행된 클리핑 잡음 신호 중 큰 값이 발생한 톤의 인덱스를 예약된 톤의 개수만큼 추출하는 톤 추출 수행부;를 포함한다.
상기 ATR부는, 상기 추출된 톤 인덱스로 이루어진 예약된 톤 세트를 구성하고, 상기 OFDM 신호의 부반송파들 중 상기 예약된 톤 세트에 포함된 인덱스를 가지는 부반송파들을 확인하여 커널신호를 설정하는 초기 설정부; 상기 OFDM 신호의 PAPR을 산출하는 제1PAPR 산출부; 및 상기 산출된 PAPR과 PAPR 임계값을 비교하여 산출된 PAPR이 PAPR 임계값 미만이면, 상기 OFDM 신호를 출력하는 PAPR 비교부;를 포함한다.
상기 ATR부는, 상기 산출된 PAPR이 PAPR 임계값 이상이면, 상기 OFDM 신호에서 피크 위치를 확인하는 피크 위치 확인부; 상기 커널신호를 상기 확인된 피크 위치만큼 순환이동시키는 커널 순환이동부; 상기 순환이동된 커널신호를 이용하여 피크감소신호를 업데이트하는 피크 감소부; 및 상기 업데이트된 피크감소신호와 상기 OFDM 신호를 가산하여 상기 PAPR 산출부로 출력하는 가산기;를 더 포함한다.
상기 톤 추출부에서 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호를 이용하여 클리핑 잡음 신호의 방향 성분을 추출하는 방향 추출부;를 더 포함하고, 상기 ATI부는, 상기 추출되는 톤 인덱스와 방향 성분을 이용하여, 상기 추출된 톤 인덱스에 해당하는 톤을 확장하여 PAPR이 감소되도록 한다.
상기 방향 추출부는 다음의 식을 이용하여 상기 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호의 방향 성분을 추출한다.
Figure 112020064486813-pat00001
,
Figure 112020064486813-pat00002
여기서,
Figure 112020064486813-pat00003
와
Figure 112020064486813-pat00004
는 각각 상기 추출된 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호의 실수축과 허수축 방향 성분이고,
Figure 112020064486813-pat00005
는 추출된 톤 인덱스의 실수부(real) 또는 허수부(image)에 해당하는 클리핑 잡음 신호이다.
상기 ATI부는, 상기 추출되는 톤 인덱스와 방향 성분을 이용하여, 상기 ATR부로부터 입력되는 PAPR이 선택적으로 감소된 OFDM 신호를 확장된 성상도의 위치로 매핑하는 성상 확장부; 상기 확장된 성상도의 위치에 해당하는 OFDM 신호의 PAPR을 산출하는 제2PAPR 산출부; 및 상기 제2PAPR 산출부에서 산출되는 확장된 OFDM 신호의 PAPR과 상기 ATR부에서 산출되는 확장 전 OFDM 신호의 PAPR을 비교하여 더 낮은 PAPR에 해당하는 신호를 선택하는 선택부;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 방법은, (A) 송신장치가, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호에 대하여 클리핑을 수행하여 클리핑된 신호를 출력하는 단계; (B) 상기 송신장치가, 상기 (A) 단계에서 클리핑된 신호를 이용하여 클리핑 잡음 신호를 산출하고, 상기 산출된 클리핑 잡음 신호 중 큰 값이 발생한 하나 이상의 톤의 인덱스를 추출하는 단계; (C) 상기 송신장치가, 상기 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 톤을 예약하는 TR(Tone Reservation) 기법을 적용하여 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)이 선택적으로 감소되도록 하는 단계; 및 (D) 상기 송신장치가, 상기 (C) 단계에서 PAPR이 선택적으로 감소된 OFDM 신호에 해당하는 톤을 성상도 확장하여 PAPR이 감소되도록 하는 단계;를 포함한다.
상기 (B) 단계는, (B1) 상기 송신장치가, 상기 OFDM 신호와 상기 클리핑된 신호의 차이로부터 클리핑 잡음 신호를 산출하는 단계; (B2) 상기 송신장치가, 상기 (B1) 단계에서 산출된 클리핑 잡음 신호에 FFT를 수행하는 단계; 및 (B3) 상기 송신장치가, 상기 FFT가 수행된 클리핑 잡음 신호 중 큰 값이 발생한 톤의 인덱스를 예약된 톤의 개수만큼 추출하는 단계;를 포함한다.
상기 (C) 단계는, (C1) 상기 송신장치가, 상기 (B3) 단계에서 추출된 톤 인덱스로 이루어진 예약된 톤 세트를 구성하고, 상기 OFDM 신호의 부반송파들 중 상기 예약된 톤 세트에 포함된 인덱스를 가지는 부반송파들을 확인하여 커널신호와 초기 피크감소신호를 설정하는 단계; (C2) 상기 송신장치가, 상기 설정된 초기 피크감소신호와 상기 OFDM 신호를 가산하는 단계; (C3) 상기 송신장치가, 상기 (C2) 단계에 의해 초기 피크감소신호가 가산된 OFDM 신호의 PAPR을 산출하는 단계; 및 (C4) 상기 송신장치가, 상기 (C3) 단계에서 산출된 PAPR과 PAPR 임계값을 비교하여 산출된 PAPR이 PAPR 임계값 미만이면, 상기 (C2) 단계에 의해 초기 커널신호가 가산된 OFDM 신호를 출력하는 단계;를 포함한다.
상기 (C) 단계는, (C5) 상기 송신장치가, 상기 산출된 PAPR이 PAPR 임계값 이상이면, 상기 OFDM 신호에서 피크 위치를 확인하는 단계; (C6) 상기 송신장치가, 상기 커널신호를 상기 확인된 피크 위치만큼 순환이동시키는 단계; (C7) 상기 송신장치가, 상기 순환이동된 커널신호를 이용하여 피크감소신호를 업데이트하는 단계; 및 (C8) 상기 송신장치가, 상기 (C7) 단계에서 업데이트된 피크감소신호와 상기 OFDM 신호를 가산하여 상기 (C3) 단계로 출력하는 단계;를 더 포함한다.
(E) 상기 (B) 단계에서 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호를 이용하여 클리핑 잡음 신호의 방향 성분을 추출하는 단계;를 더 포함하고, 상기 (D) 단계는, 상기 (B) 단계와 (E) 단계에서 추출되는 톤 인덱스와 방향 성분을 이용하여, 상기 추출된 톤 인덱스에 해당하는 톤을 확장하여 PAPR이 감소되도록 한다.
상기 (E) 단계는 다음의 식을 이용하여 상기 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호의 방향 성분을 추출한다.
Figure 112020064486813-pat00006
,
Figure 112020064486813-pat00007
여기서,
Figure 112020064486813-pat00008
와
Figure 112020064486813-pat00009
는 각각 상기 추출된 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호의 실수축과 허수축 방향 성분이고,
Figure 112020064486813-pat00010
는 추출된 톤 인덱스의 실수부(real) 또는 허수부(image)에 해당하는 클리핑 잡음 신호이다.
상기 (D) 단계는, (D1) 상기 추출되는 톤 인덱스와 방향 성분을 이용하여, 상기 (C) 단계로부터 입력되는 PAPR이 선택적으로 감소된 OFDM 신호를 확장된 성상도의 위치로 매핑하는 단계; (D2) 상기 확장된 성상도의 위치에 해당하는 OFDM 신호의 PAPR을 산출하는 단계; 및 (D3) 상기 (D2) 단계에서 산출되는 확장된 OFDM 신호의 PAPR과 상기 (C) 단계에서 산출되는 확장 전 OFDM 신호의 PAPR을 비교하여 더 낮은 PAPR에 해당하는 신호를 선택하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, OFDM 전송 신호의 PAPR 감소를 위해 기존의 TR 기법에서 과도한 연산량이 요구되는 단점을 보완하기 위해 클리핑 잡음을 이용하여 연산량을 감소시킬 수 있다. 본 발명은 OFDM 신호에 대하여 임계 진폭값보다 큰 신호들을 정해진 진폭 크기로 할당하는 클리핑 과정, 클리핑된 신호에 대해 클리핑 잡음을 계산한 후 주파수 영역 클리핑 잡음의 심벌 중에서 가장 큰 전력이 할당된 톤을 추출하는 과정, 추출된 톤을 예약하여 PAPR을 감소하는 과정을 포함하며, 클리핑 잡음을 이용하여 예약된 톤 세트를 구성함으로써 TR 복잡도를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 클리핑 잡음을 이용하여 예약된 톤 세트의 각 톤을 적응적으로 PAPR 감소시킨 후, 각 톤을 성상도 확장 후 다시 PAPR을 산출하여 더 적은 PAPR이 산출된 신호를 전송할 신호로 선택함으로써, 과도한 연산을 수행하지 않고도 PAPR을 효율적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치를 도시한 블록도,
도 2는 도 1에 도시된 클리핑부를 도시한 블록도,
도 3은 도 1에 도시된 톤 추출부를 도시한 블록도,
도 4는 [수학식 8] 및 클리핑 잡음신호를 이용한 최적의 톤을 선택하는 동작을 설명하기 위한 예시도,
도 5는 도 1에 도시된 ATR부를 도시한 블록도,
도 6은 도 1에 도시된 ATI부를 도시한 블록도,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 방법을 개략적으로 도시한 흐름도,
도 9은 도 8의 S810단계를 도시한 흐름도,
도 10는 도 8의 S820단계를 도시한 흐름도,
도 11은 도 8의 S830단계를 도시한 흐름도, 그리고,
도 12는 도 8의 S850단계를 도시한 흐름도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서 제1 엘리먼트 (또는 구성요소)가 제2 엘리먼트(또는 구성요소) 상(ON)에서 동작 또는 실행된다고 언급될 때, 제1 엘리먼트(또는 구성요소)는 제2 엘리먼트(또는 구성요소)가 동작 또는 실행되는 환경에서 동작 또는 실행되거나 또는 제2 엘리먼트(또는 구성요소)와 직접 또는 간접적으로 상호 작용을 통해서 동작 또는 실행되는 것으로 이해되어야 할 것이다.
어떤 엘리먼트, 구성요소, 장치, 또는 시스템이 프로그램 또는 소프트웨어로 이루어진 구성요소를 포함한다고 언급되는 경우, 명시적인 언급이 없더라도, 그 엘리먼트, 구성요소, 장치, 또는 시스템은 그 프로그램 또는 소프트웨어가 실행 또는 동작하는데 필요한 하드웨어(예를 들면, 메모리, CPU 등)나 다른 프로그램 또는 소프트웨어(예를 들면 운영체제나 하드웨어를 구동하는데 필요한 드라이버 등)를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 어떤 엘리먼트(또는 구성요소)가 구현됨에 있어서 특별한 언급이 없다면, 그 엘리먼트(또는 구성요소)는 소프트웨어, 하드웨어, 또는 소프트웨어 및 하드웨어 어떤 형태로도 구현될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
아래의 특정 실시 예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다.
어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도 1 내지 도 3, 도 5, 도 6에 도시된 장치(100) 의 각각의 구성은 기능 및 논리적으로 분리될 수 있음을 나타내는 것이며, 반드시 각각의 구성이 별도의 물리적 장치로 구분되거나 별도의 코드로 작성됨을 의미하는 것은 아님을 본 발명의 기술분야의 평균적 전문가는 용이하게 추론할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치(100)를 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 적응적 톤 예약 및 확장 장치(100)는 OFDM 송신장치 또는 OFDM 송신장치의 모뎀단일 수 있다.
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템에서는 전체 전송 대역을 다수의 협대역 직교 부채널로 분할하여 데이터 변조된 심벌들을 다수의 직교 부반송파를 이용하여 전송한다. 이러한 OFDM 시스템의 송신단에서는 먼저 입력 데이터 비트들이 PSK(Phase Shift Keying) 또는 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 부호기에 의해 L비트 단위로 묶여 심벌 간격이 T s (sec)인 N개 변조 심벌
Figure 112020064486813-pat00011
로 변환된다.
여기서 M진 변조 방식을 고려할 경우 L=N log2 M이다. 이러한 N개 심벌들은 주파수 간격이
Figure 112020064486813-pat00012
인 N개 직교 부반송파에 의해 변조된 후, 직병렬 변환 및 IFFT동작을 통해 직렬 신호로 변환되어 HPA(10)의 입력이 될 수 있다. 따라서, N개 심벌 길이인 NT s (sec)동안 OFDM 신호는 크기 변환을 거쳐 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020064486813-pat00013
[수학식 1]에서, x(t)는 OFDM 신호, X k 는 QAM 변조 심벌이다. f k 는 X k 를 전송하기 위한 k번째 부반송파 주파수 성분으로서,
Figure 112020064486813-pat00014
이다.
한편, x(t)를 심벌 간격인 T s 단위로
Figure 112020064486813-pat00015
마다 표본화한 이산 시간 시스템에서 기저대역 전송 신호를 [수학식 2]와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112020064486813-pat00016
[수학식 2]는 N개 심벌 X k 에 대한 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform) 과정과 동일함을 알 수 있고, 따라서 이는 N-point IFFT를 이용하여 디지털 방식을 통해 효과적으로 구현될 수 있다. 또한, OFDM 시스템의 수신단에서는 송신단의 이러한 과정에 대한 역과정을 수행하게 되며, 특히 부반송파 복조는 N-point FFT로 수행될 수 있다.
한편, 심벌 X k 가 통계적으로 서로 독립일 경우 x(t)의 진폭은 N이 커질수록 (복소) 가우시안 분포를 만족하게 되어 매우 큰 값을 가질 수 있는 가능성이 존재하게 된다.
일반적으로 이러한 연속 시간 OFDM 전송 신호에 대해 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)은 한 OFDM 심벌에서 전송 신호의 최대 순시 전력(Maximum Instantaneous Power)과 평균 전력(Average Power)의 비율로서 [수학식 3]과 같이 정의된다.
Figure 112020064486813-pat00017
대부분의 PAPR 감소 기법들은 일반적으로 위의 [수학식 3]에서 분자에 해당하는 값, 즉 최대 순시 전력을 감소시키는 방식으로 적용된다.
도 1을 참조하면, OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치(100)는 클리핑부(110), 톤 추출부(120), ATR(Adaptive Tone Reservation)부(130), 방향 추출부(140) 및 ATI(Adaptive Tone Injection)부(150)를 포함할 수 있다.
클리핑부(110)는 OFDM 신호
Figure 112020064486813-pat00018
에 대하여 클리핑을 수행하여 클리핑된 신호를 출력할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 클리핑부(110)를 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 클리핑부(110)는 직병렬 변환부(112), IFFT부(114), 이산시간 변환부(116) 및 클리핑 수행부(118)를 포함할 수 있다.
직병렬 변환부(112)는 OFDM 심벌을 병렬신호로 변환하여 IFFT부(114)로 전달할 수 있다.
IFFT부(114)는 병렬신호의 QAM 심벌을 IFFT를 수행하여 직렬신호의 x(t)를 출력할 수 있다.
이산시간 변환부(116)는 IFFT부(114)에 의해 x(t)를 이산시간 시스템의 형태로 변환한다. 즉, 이산시간 변환부(116)는 x(t)를 심벌 간격인 T s 단위로
Figure 112020064486813-pat00019
마다 표본화한 이산 시간 시스템에서 기저대역 전송 신호를 [수학식 2]와 같이 표현할 수 있다. 이산시간 변환된 신호도 OFDM 변조된 기저대역 신호이기 때문에 동일하게 OFDM 변조된 기저대역 신호 또는 OFDM 신호 또는 OFDM 심벌로 부르도록 한다.
클리핑 수행부(118)는 OFDM 변조된 신호에 클리핑을 수행하여 피크가 조정된 시간 영역의 신호(이하, '클리핑된 신호'라 한다)를 출력할 수 있다. 클리핑 수행부(118)는 [수학식 2] 및 [수학식 3]에 의해 이산 시간 시스템으로 변환된 OFDM 신호
Figure 112020064486813-pat00020
에 대해 [수학식 4]와 같이 클리핑을 수행할 수 있다.
Figure 112020064486813-pat00021
[수학식 4]에서
Figure 112020064486813-pat00022
이고,
Figure 112020064486813-pat00023
은 피크가 조정된 시간 영역의 신호인 클리핑된 신호이다.
Figure 112020064486813-pat00024
의 크기는 최대 진폭 A max 를 초과하지 않으며 위상 성분은 보존될 수 있다.
최대 진폭 A max 는 [수학식 5]에서와 같이 시스템에서 요구하는 γ(CR: Clipping Ratio)에 의해 결정된다.
Figure 112020064486813-pat00025
[수학식 5]에서
Figure 112020064486813-pat00026
는 OFDM 신호
Figure 112020064486813-pat00027
의 평균 전력을 의미한다.
다시 도 1을 참조하면, 톤 추출부(120)는
Figure 112020064486813-pat00028
을 이용하여 PAPR을 감소시킬 톤을 추출할 수 있다. 톤 추출부(120)는
Figure 112020064486813-pat00029
으로부터 클리핑 잡음을 산출하고, 산출된 클리핑 잡음의 주파수 영역 심벌 중에서 큰 전력 변동이 발생한 톤의 인덱스를 예약된 개수만큼 추출할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 톤 추출부(120)를 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 톤 추출부(120)는 클리핑 잡음 산출부(122), FFT부(124) 및 톤 추출 수행부(126)를 포함할 수 있다.
클리핑 잡음 산출부(122)는 [수학식 6]과 같이 OFDM 변조된 기저대역 신호
Figure 112020064486813-pat00030
와 클리핑된 신호
Figure 112020064486813-pat00031
의 차이로부터 클리핑 잡음 신호
Figure 112020064486813-pat00032
를 산출할 수 있다.
Figure 112020064486813-pat00033
FFT부(124)는 클리핑 잡음 산출부(122)에서 산출된
Figure 112020064486813-pat00034
의 샘플 개수만큼 선택적으로 FFT를 수행하여 주파수 영역의 클리핑 잡음 신호
Figure 112020064486813-pat00035
를 출력할 수 있다.
FFT부(124)는 [수학식 7]을 이용하여 선택적 FFT, 즉 클리핑 잡음 신호
Figure 112020064486813-pat00036
에 대해서만 FFT를 수행할 수 있다.
Figure 112020064486813-pat00037
[수학식 7]을 참조하면,
Figure 112020064486813-pat00038
는 클리핑 잡음 신호의 총 샘플 수를 나타내며,
Figure 112020064486813-pat00039
는 샘플이 발생한 위치를 의미한다.
톤 추출 수행부(126)는 [수학식 8]과 같이 주파수 영역의 클리핑 잡음 신호 중 가장 큰 값이 발생한 톤의 인덱스를 추출하는 것으로 본 발명에서는 인덱스를 예약된 톤의 개수만큼 추출하고, 클리핑 잡음 신호를 이용하여 톤이 매핑될 방향을 결정할 수 있다. 여기서 클리핑 잡음 신호의 가장 큰 값이 발생한 톤은 실제 클리핑 이후 가장 큰 전력 변동이 발생한 톤과 동일하게 해석될 수도 있다.
Figure 112020064486813-pat00040
[수학식 8]에서, k는 클리핑 잡음 신호의 인덱스, k * 는 전력 변동이 가장 큰 톤의 인덱스(즉, 위치),
Figure 112020064486813-pat00041
는 주파수 축에서 클리핑 잡음 신호이다.
[수학식 8]은 클리핑 잡음 신호 중 가장 큰 값을 가지는 톤의 위치를 구할 때 사용하는 식이다. 본 발명의 실시 예에서는 [수학식 8]을 예약된 개수만큼 순차적으로 수행하여 예약된 개수만큼의 톤 인덱스를 추출할 수 있다.
톤 추출 수행부(126)는 [수학식 8]을 이용하여 클리핑 잡음 신호 중 가장 큰 값(예를 들어, 전력)을 가지는 톤의 위치를 실수부와 허수부에 대해 구할 수 있다.
도 4는 [수학식 8] 및 클리핑 잡음신호를 이용한 최적의 톤을 선택하는 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4를 참조하면, 하나의 OFDM 심벌의 부반송파가 7개인 경우, 주파수 성분인 부반송파의 인덱스(k)는 0, 1, 2, …, 6이고, '(A) Power of original signal'은 OFDM 신호의 전력, '(B) Power of clipped signal'은 클리핑된 신호의 전력이다. 'Power of clipping noise signal'은 (A)-(B)의 값이다.
톤 추출 수행부(126)는 (A)와 (B)의 차이가 가장 큰 인덱스를 확인한다. 도 4의 경우, k=3일 때 전력차=0.9로서 가장 크므로, 톤 추출 수행부(126)는 k*=3을 톤으로서 추출한다.
도 4에서와 같이 추출된 톤 위치 k*는 클리핑부(110)에서의 클리핑 이후 급격한 전력 변동이 발생한 위치이므로, 이는 시간 영역에서 피크 신호를 구성하는 기여도가 가장 큰 톤 위치를 의미한다고 볼 수 있다. 따라서, 피크 신호의 전력을 낮추기 위해서는 톤을 예약된 개수만큼 [수학식 8]을 순차적으로 수행하여 예약된 개수만큼의 톤 인덱스를 추출할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, ATR부(130)는 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 톤을 예약하는 TR(Tone Reservation) 기법을 적용하여 PAPR이 선택적으로 감소되도록 할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 ATR부(130)를 도시한 블록도이다.
도 5를 참조하면, ATR부(130)는 초기 설정부(131), 제1가산기(132), 제1PAPR 산출부(133), PAPR 비교부(134), 피크 위치 확인부(135), 커널 순환 이동부(136) 및 피크 감소부(137)를 포함할 수 있다.
초기 설정부(131)는 톤 추출부(120)에서 추출된 톤 인덱스로 이루어진 예약된 톤 세트를 구성하고, OFDM 심벌의 부반송파들 중 예약된 톤 세트에 포함된 인덱스를 가지는 부반송파들을 확인하여 커널신호를 설정할 수 있다. 예약된 톤의 개수가 a개이면 초기 설정부(131)는 a개의 톤 인덱스들로 이루어진 톤 세트를 구성한다.
초기 설정부(131)는 [수학식 9]를 이용하여 커널신호( p )를 설정할 수 있다.
Figure 112020064486813-pat00042
[수학식 9]에서 l은 부반송파(또는 톤)의 인덱스, P 는 PAPR 저감을 위해 사용 예약할 톤의 커널신호 값, R 은 예약된 톤 세트이다. 예약된 톤 세트
Figure 112020064486813-pat00043
로 k * 원소의 합집합으로 구성된다.
예를 들어, P=001010001…으로 128개의 값을 가질 경우, R={k * , k * , k * }={3, 5, 9}이며, 이러한 경우, l=1이면 '1'은 R에 포함되어 있지 않으므로 P1=0이고, l=3이면 '3'은 R에 포함되어 있으므로 P3=1이다. 이러한 방식으로 P l 이 정해지면, 초기 설정부(131)는 IFFT(P)를 이용하여 시간축에서의 p 를 구할 수 있다.
또한, 초기 설정부(131)는 OFDM 신호의 초기 입력 값(
Figure 112020064486813-pat00044
)과 초기 피크감소 신호
Figure 112020064486813-pat00045
의 값을 다음과 같이 설정한다.
Figure 112020064486813-pat00046
,
Figure 112020064486813-pat00047
,
Figure 112020064486813-pat00048
제1가산기(132)는 초기 설정부(131)에서 설정된 초기 피크감소 신호와 OFDM 신호를 가산하여 가산 결과를 제1PAPR 산출부(133)로 전달한다.
제1PAPR 산출부(133)는 제1가산기(132)에 의해 초기 피크감소 신호가 가산된 OFDM 신호의 PAPR을 [수학식 3]을 이용하여 산출한다. 이하에서는 제1PAPR 산출부(133)에서 산출되는 PAPR을 '제1PAPR'이라 한다.
PAPR 비교부(134)는 산출된 제1PAPR과 기설정된 PAPR 임계값을 비교하여 산출된 제1PAPR이 PAPR 임계값보다 작으면, 제1가산기(132)에 의해 초기 피크감소 신호가 가산된 OFDM 신호(
Figure 112020064486813-pat00049
, i=0)와 제1PAPR을 ATI부(150)로 출력할 수 있다.
반면, PAPR 비교부(134)의 비교 결과, 산출된 제1PAPR이 PAPR 임계값 이상이면, 피크 위치 확인부(135)는 OFDM 신호에서 피크 위치(
Figure 112020064486813-pat00050
)를 확인한다. PAPR 비교부(134)는 [수학식 10]을 이용하여 OFDM 심벌 샘플들 중 최대 피크가 발생한 인덱스를 확인할 수 있다.
Figure 112020064486813-pat00051
[수학식 10]에서
Figure 112020064486813-pat00052
는 OFDM 신호 이산 샘플들 중 피크가 발생한 위치에 해당하는 시간축 인덱스,
Figure 112020064486813-pat00053
는 OFDM 신호, i는 반복 회수를 나타낸다.
커널 순환 이동부(136)는 PAPR 비교부(134)에서 확인된 피크의 인덱스를 참조하여 p 를 확인된 피크 위치만큼 순환이동시킨다(shifting and scaling the kernel αtp[((n-mt))N]).
피크 감소부(137)는 순환이동된 p 와 이전 피크감소 신호 c(i-1)를 이용하여 현재 피크감소 신호 c(i)를 업데이트할 수 있다. [수학식 11]은 피크감소 신호를 업데이트하기 위한 식이다.
Figure 112020064486813-pat00054
Figure 112020064486813-pat00055
[수학식 11]에서
Figure 112020064486813-pat00056
는 현재 피크감소 신호,
Figure 112020064486813-pat00057
는 커널신호( p )가 시간축으로
Figure 112020064486813-pat00058
만큼 순환이동된 결과를 의미한다. αi는 커널신호에 적용될 스케일 값으로 피크 감소부(137)는 [수학식 12]에 의해 αi를 산출한다.
제1가산기(132)는 업데이트된 피크감소신호와 OFDM 신호를 가산하여 예약된 톤 세트에 해당하는 부반송파의 전력이 낮아지도록 한다. 그리고, 제1가산기(132)는 업데이트된 피크감소신호와 OFDM 신호를 가산한 가산 결과를 제1PAPR 산출부(133)로 출력한다.
제1PAPR 산출부(133)는 가산 결과로부터 제1PAPR을 재산출하고, PAPR 비교부(134)는 재산출된 제1PAPR과 임계값을 비교하여 재산출된 제1PAPR이 임계값보다 작으면 가산 결과,
Figure 112020064486813-pat00059
Figure 112020064486813-pat00060
와 재산출된 제1PAPR을 ATI부(150)로 출력한다.
Figure 112020064486813-pat00061
는 모든
Figure 112020064486813-pat00062
를 벡터로 표현한 값이다.
다시 도 1을 참조하면, 방향 추출부(140)는 톤 추출부(120)에서 추출되는 톤 인덱스(k * )에 해당하는 클리핑 잡음 신호(
Figure 112020064486813-pat00063
)를 이용하여 클리핑 잡음의 방향 성분을 추출할 수 있다. 클리핑 잡음 신호는 최대 전력 크기를 이용하여 피크 신호 구성에 영향을 가장 많이 미치는 톤을 추출할 수 있을 뿐만 아니라, 그 신호 자체가 벡터인 점을 고려하여 확장된 성상도 상의 매핑 위치를 결정하는데 기여할 수 있다.
방향 추출부(140)는 [수학식 13] 및 [수학식 14]를 이용하여 추출된 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호의 방향 성분을 추출할 수 있다.
Figure 112020064486813-pat00064
Figure 112020064486813-pat00065
[수학식 13] 및 [수학식 14]에서
Figure 112020064486813-pat00066
와
Figure 112020064486813-pat00067
는 각각 추출된 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호의 실수축과 허수축 방향 성분이고,
Figure 112020064486813-pat00068
는 추출된 톤 인덱스(k * )의 실수부(real) 또는 허수부(image)에 해당하는 클리핑 잡음 신호이다.
한편, 도 1의 ATI부(150)는 ATR부(130)에서 제1PAPR이 선택적으로 감소된 OFDM 신호에 해당하는 톤을 성상도 확장하여 제1PAPR이 선택적으로 또는 적응적으로 감소되도록 할 수 있다. ATI부(150)는 추출되는 톤 인덱스(k * )와 방향 성분(
Figure 112020064486813-pat00069
,
Figure 112020064486813-pat00070
)을 이용하여, 추출된 톤 인덱스에 해당하는 톤을 확장하여 PAPR이 감소되도록 할 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 ATI부(150)를 도시한 블록도이다.
도 6을 참조하면, ATI부(150)는 성상 확장부(152), 확장신호 산출부(154), 제2PAPR 산출부(156) 및 선택부(158)를 포함할 수 있다.
성상 확장부(152)는 톤 추출부(120)에서 추출되는 톤 인덱스(k * )와 방향 추출부(140)에서 추출되는 방향 성분(
Figure 112020064486813-pat00071
,
Figure 112020064486813-pat00072
)을 이용하여, ATR부(130)의 PAPR 비교부(134)로부터 입력되는 제1PAPR이 선택적으로 감소된 OFDM 신호(
Figure 112020064486813-pat00073
)를 확장된 성상도의 위치로 매핑할 수 있다. '제1PAPR이 선택적으로 감소된 OFDM 신호'는 커널신호가 가산된 신호로서, PAPR 비교부(134)에서 출력되는 신호이다.
자세히 설명하면, 성상 확장부(152)의 실수축 확장부(152a)는 입력되는 톤 인덱스(
Figure 112020064486813-pat00074
)를 이용하여 PAPR 비교부(134)로부터 입력되는 OFDM 신호(
Figure 112020064486813-pat00075
)를 성상도에 위치시킨 후 사전에 설정된 크기(또는 거리, D)만큼 실수축 방향 성분(
Figure 112020064486813-pat00076
)으로 이동시켜 확장된 성상도 위치로 매핑시킨다.
또한, 허수축 확장부(152b)는 입력되는 톤 인덱스(
Figure 112020064486813-pat00077
)를 이용하여 PAPR 비교부(134)로부터 입력되는 OFDM 신호(
Figure 112020064486813-pat00078
)를 성상도에 위치시킨 후 사전에 설정된 크기(D)만큼 허수축 방향 성분(
Figure 112020064486813-pat00079
)으로 이동시켜 확장된 성상도 위치로 매핑시킨다.
제2가산기(152c)는 실수축 확장부(152a)와 허수축 확장부(152b)에서 매핑된 결과를 가산한다. 이로써, PAPR 비교부(134)로부터 입력되는 OFDM 신호(
Figure 112020064486813-pat00080
)의 성상도 확장 및 매핑이 완료된다.
도 7은 QPSK(직교 위상 편이 변조)에서의 성상도 확장을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7을 참조하면, x1, x2, x3는 ATR부(130)로 입력되는 OFDM 신호로서, 신호(x1)는 ATR부(130)의 적응적 톤 예약에 의해 제1PAPR이 감소될 수 있으며, 따라서, QPSK에서의 성상도에서, 제1PAPR이 감소된 신호(x2)의 위치는 신호(x1)와는 달라질 수 있다. 제1PAPR이 감소된 신호(x2)는 PAPR 비교부(134)로부터 입력되는 신호(
Figure 112020064486813-pat00081
)이다. 신호(x3)는 성상 확장부(152)에 의해, PAPR 비교부(134)로부터 입력되는 신호(
Figure 112020064486813-pat00082
)가 실수와 허수 방향(
Figure 112020064486813-pat00083
와
Figure 112020064486813-pat00084
)으로 크기 D 만큼 확장된 신호로서, 후술할
Figure 112020064486813-pat00085
이다.
확장신호 산출부(154)는 제2가산기(152c)에서 출력되는 확장된 성상도의 위치에 해당하는 OFDM 신호(이하, '확장된 OFDM 신호'라 한다)를 [수학식 15]를 이용하여 산출한다.
Figure 112020064486813-pat00086
[수학식 15]에서, D는 성상 확장을 위해 사전에 설정된 확장 크기,
Figure 112020064486813-pat00087
는 방향 성분으로 D만큼 확장 매핑된 OFDM 신호, N은 변조 심벌들의 개수이다.
제2PAPR 산출부(156)는 확장된 OFDM 신호(
Figure 112020064486813-pat00088
)의 PAPR(이하, '제2PAPR'이라 한다)을 산출한다. 제2PAPR 산출부(156)는 [수학식 3]을 이용하여 제2PAPR을 산출할 수 있다.
선택부(158)는 제2PAPR 산출부(156)에서 산출되는 확장된 OFDM 신호의 제2PAPR과 ATR부(130)에서 산출된 확장 전 OFDM 신호의 PAPR(즉, 제1PAPR)을 비교하여 더 낮은 PAPR에 해당하는 신호를 최종적으로 수신기로 전송할 신호로 선택한다. 이로써, 선택부(158)는 PAPR이 더 감소된 OFDM 신호를 수신기로 전송할 수 있다.
HPA(10)는 송신기(미도시)의 모뎀단에서 만들어진 OFDM 신호를 최종으로 송신하기 전에 출력을 증폭시킨다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 방법을 개략적으로 도시한 흐름도, 도 9는 도 8의 S810단계를 도시한 흐름도, 도 10은 도 8의 S820단계를 도시한 흐름도, 도 11은 도 8의 S830단계를 도시한 흐름도, 도 12는 도 8의 S850단계를 도시한 흐름도이다.
도 8 내지 도 12의 적응적 TR 동작 및 적응적 TI 동작은 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한 적응적 톤 예약 및 확장 장치(100)에 의해 수행될 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다. 또한, 적응적 톤 예약 및 확장 장치(100)는 OFDM 송신장치일 수 있으므로 이하에서는 송신장치가 동작을 수행하는 것으로 설명한다.
도 8을 참조하면, 송신장치는 주파수 영역에서 OFDM 신호에 대하여 클리핑을 수행하여 클리핑된 신호를 출력한다(S810).
송신장치(100)는 S810단계에서 클리핑된 신호를 이용하여 클리핑 잡음 신호를 산출하고, 산출된 클리핑 잡음 신호 중 큰 값을 갖거나 또는 큰 전력 변동이 발생한 톤의 인덱스를 하나 이상 추출할 수 있다(S820).
송신장치(100)는 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 톤을 예약하는 TR 기법을 적용하여 PAPR이 감소되도록 처리한다(S830). S830단계에서, 송신장치(100)는 예약된 톤 세트에 기초하여 커널신호를 설정하고, 설정된 커널신호에 기초해 TR 기법을 적용하여 선택적으로 제1PAPR을 감소시킬 수 있다.
송신장치(100)는 S820단계에서 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호와 [수학식 13], [수학식 14]를 이용하여 클리핑 잡음 신호의 방향 성분을 추출할 수 있다(S840).
송신장치(100)는 S830단계에서 제1PAPR이 선택적으로 감소된 OFMD 신호에 해당하는 톤을 성상도 확장하여 PAPR이 더 감소되도록 할 수 있다(S850). S850단계는, S820단계와 S840단계에서 추출되는 톤 인덱스와 방향 성분을 이용하여, 추출된 톤 인덱스에 해당하는 톤을 확장하여 PAPR이 선택적/적응적으로 감소되도록 할 수 있다.
도 9를 참조하여 S810단계를 설명하면, 송신장치(100)는 OFDM 신호를 직병렬 변환한 후(S812) IFFT 변환 및 이산시간으로 변환하여 IFFT 신호를 출력한다(S814).
송신장치(100)는 S814단계에서 출력되는 IFFT 신호에 클리핑을 수행하여 피크가 조정된 신호(이하, '클리핑된 신호'라 한다)를 생성한다(S816).
도 10을 참조하여 S820단계를 설명하면, 송신장치(100)는 OFDM 신호와 S816단계에서 생성된 클리핑된 신호의 차이로부터 클리핑 잡음 신호를 산출한다(S822).
송신장치(100)는 S822단계에서 산출된 클리핑 잡음 신호의 샘플 개수만큼 선택적으로 FFT를 수행한다(S824).
송신장치(100)는 S824단계에서 FFT가 수행된 클리핑 잡음 신호 중 가장 큰 값을 갖거나 또는 큰 전력 변동이 발생한 톤의 인덱스를 예약된 톤의 개수만큼 큰 값의 순서대로 또는 변동이 큰 순서대로 추출하여 톤 세트를 생성할 수 있다(S826). 톤 세트는 S831단계에서 생성될 수도 있다.
도 11을 참조하여 S830단계를 설명하면, 송신장치(100)는 S826단계에서 추출된 톤 인덱스들로 이루어진 예약된 톤 세트를 구성하고, OFDM 심벌의 부반송파들 중 예약된 톤 세트에 포함된 인덱스를 가지는 부반송파들을 확인하여 커널신호를 설정할 수 있다(S831). S831단계에서, 송신장치(100)는 [수학식 9]를 이용하여 예약된 톤 세트에 포함된 톤 인덱스에 따라 커널신호를 설정한다.
송신장치(100)는 S831단계에서 설정된 초기 피크감소신호와 OFDM 신호를 가산한다(S832).
송신장치(100)는 초기 피크감소신호가 가산된 OFDM 신호의 PAPR(이하, '제1PAPR'이라 한다)을 산출한다(S833).
송신장치(100)는 산출된 제1PAPR과 기설정된 PAPR 임계값을 비교하여 산출된 제1PAPR이 더 작으면(S834-Yes), S832단계에서 초기 피크감소신호가 가산된 OFDM 신호와 제1PAPR을 S858단계로 출력한다(S835).
반면, 송신장치(100)는 산출된 제1PAPR과 기설정된 PAPR 임계값을 비교하여 산출된 제1PAPR이 기설정된 PAPR 임계값 이상이면(S834-No), OFDM 신호에서 피크 위치를 확인한다(S836).
송신장치(100)는 커널신호를 S836단계에서 확인된 피크 위치만큼 순환이동시키고(S837), 순환이동된 커널신호와 이전 피크감소신호를 이용하여 이전 피크감소신호를 업데이트한다(S838).
송신장치(100)는 업데이트된 피크감소신호와 입력되는 OFDM 신호를 가산하고(S832), 업데이트된 피크감소신호가 가산된 OFDM 신호의 PAPR을 산출하여 PARP 임계값과 다시 비교한다(S833~S834). 비교 결과에 따라 송신장치(100)는 업데이트된 피크감소신호가 가산된 OFDM 신호와 제1PAPR을 S858단계로 출력하거나(S835), 다시 피크 위치를 확인하여 TR 기법을 적용한다(S836~S838).
도 12를 참조하여 S850단계를 설명하면, 송신장치(100)는 S826단계에서 추출되는 톤 인덱스와 S840단계에서 추출되는 방향 성분을 이용하여, S835단계로부터 입력되는 제1PAPR이 선택적으로 감소된 OFDM 신호를 확장된 성상도의 위치로 매핑할 수 있다.
송신장치(100)는 확장된 성상도의 위치에 해당하는 OFDM 신호를 [수학식 15]를 이용하여 산출하고, 산출된 OFDM 신호의 제2PAPR을 [수학식 3]을 이용하여 산출한다(S854, S856).
송신장치(100)는 S856단계에서 산출되는 확장된 OFDM 신호의 제2PAPR과 S833단계에서 산출되는 확장 전 OFDM 신호의 제1PAPR을 비교하여 더 낮은 PAPR에 해당하는 신호를 최종 신호로서 선택한다(S858). 선택된 최종 신호는 HPA(10)에 의해 수신기로 전송되도록 출력이 증폭될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 방법은 이를 구현하기 위한 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현됨으로써, 컴퓨터를 통해 판독될 수 있는 기록매체에 포함되어 제공될 수도 있음은 통상의 기술자가 쉽게 이해할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 형태로 구현되어, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있으며, 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에는 하드 디스크와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리, USB 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
따라서, 본 발명은 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 방법을 구현하기 위하여 상기 OFDM 시스템을 제어하는 컴퓨터 상에서 수행되는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램을 함께 제공한다.
한편, 이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 적응적 톤 예약 및 확장 장치 110: 클리핑부
112: 직병렬 변환부 114: IFFT부
116: 이산시간 변환부 118: 클리핑 수행부
120: 톤 추출부 122: 클리핑 잡음 산출부
124: FFT부 126: 톤 추출 수행부
130: ATR부 131: 초기 설정부
132: 제1가산기 133: PAPR 산출부
134: PAPR 비교부 135: 피크 위치 확인부
136: 커널 순환 이동부 137: 피크 감소부
140: 방향 추출부 150: ATI부

Claims (14)

  1. OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호에 대하여 클리핑을 수행하여 클리핑된 신호를 출력하는 클리핑부;
    상기 클리핑된 신호를 이용하여 클리핑 잡음 신호를 산출하고, 상기 산출된 클리핑 잡음 신호 중 큰 값이 발생한 하나 이상의 톤의 인덱스를 추출하는 톤 추출부;
    상기 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 톤을 예약하는 TR(Tone Reservation) 기법을 적용하여 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)이 선택적으로 감소되도록 하는 ATR(Adaptive Tone Reservation)부; 및
    상기 PAPR이 선택적으로 감소된 OFDM 신호에 해당하는 톤을 성상도 확장하여 PAPR이 감소되도록 하는 ATI(Adaptive Tone Injection)부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 톤 추출부는,
    상기 OFDM 신호와 상기 클리핑된 신호의 차이로부터 클리핑 잡음 신호를 산출하는 클리핑 잡음 산출부;
    상기 산출된 클리핑 잡음 신호에 FFT를 수행하는 FFT부; 및
    상기 FFT가 수행된 클리핑 잡음 신호 중 큰 값이 발생한 톤의 인덱스를 예약된 톤의 개수만큼 추출하는 톤 추출 수행부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 ATR부는,
    상기 추출된 톤 인덱스로 이루어진 예약된 톤 세트를 구성하고, 상기 OFDM 신호의 부반송파들 중 상기 예약된 톤 세트에 포함된 인덱스를 가지는 부반송파들을 확인하여 커널신호를 설정하는 초기 설정부;
    상기 OFDM 신호의 PAPR을 산출하는 제1PAPR 산출부; 및
    상기 산출된 PAPR과 PAPR 임계값을 비교하여 산출된 PAPR이 PAPR 임계값 미만이면, 상기 OFDM 신호를 출력하는 PAPR 비교부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 ATR부는,
    상기 산출된 PAPR이 PAPR 임계값 이상이면, 상기 OFDM 신호에서 피크 위치를 확인하는 피크 위치 확인부;
    상기 커널신호를 상기 확인된 피크 위치만큼 순환이동시키는 커널 순환이동부;
    상기 순환이동된 커널신호를 이용하여 피크감소신호를 업데이트하는 피크 감소부; 및
    상기 업데이트된 피크감소신호와 상기 OFDM 신호를 가산하여 상기 제1PAPR 산출부로 출력하는 가산기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 톤 추출부에서 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호를 이용하여 클리핑 잡음 신호의 방향 성분을 추출하는 방향 추출부;를 더 포함하고,
    상기 ATI부는,
    상기 추출되는 톤 인덱스와 방향 성분을 이용하여, 상기 추출된 톤 인덱스에 해당하는 톤을 확장하여 PAPR이 감소되도록 하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 방향 추출부는 다음의 식을 이용하여 상기 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호의 방향 성분을 추출하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치:
    Figure 112020064486813-pat00089

    Figure 112020064486813-pat00090

    여기서,
    Figure 112020064486813-pat00091
    와
    Figure 112020064486813-pat00092
    는 각각 상기 추출된 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호의 실수축과 허수축 방향 성분이고,
    Figure 112020064486813-pat00093
    는 추출된 톤 인덱스의 실수부(real) 또는 허수부(image)에 해당하는 클리핑 잡음 신호임.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 ATI부는,
    상기 추출되는 톤 인덱스와 방향 성분을 이용하여, 상기 ATR부로부터 입력되는 PAPR이 선택적으로 감소된 OFDM 신호를 확장된 성상도의 위치로 매핑하는 성상 확장부;
    상기 확장된 성상도의 위치에 해당하는 OFDM 신호의 PAPR을 산출하는 제2PAPR 산출부; 및
    상기 제2PAPR 산출부에서 산출되는 확장된 OFDM 신호의 PAPR과 상기 ATR부에서 산출되는 확장 전 OFDM 신호의 PAPR을 비교하여 더 낮은 PAPR에 해당하는 신호를 선택하는 선택부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 장치.
  8. OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 톤 예약 및 확장 방법에 있어서,
    (A) 송신장치가, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호에 대하여 클리핑을 수행하여 클리핑된 신호를 출력하는 단계;
    (B) 상기 송신장치가, 상기 (A) 단계에서 클리핑된 신호를 이용하여 클리핑 잡음 신호를 산출하고, 상기 산출된 클리핑 잡음 신호 중 큰 값이 발생한 하나 이상의 톤의 인덱스를 추출하는 단계;
    (C) 상기 송신장치가, 상기 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 톤을 예약하는 TR(Tone Reservation) 기법을 적용하여 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)이 선택적으로 감소되도록 하는 단계; 및
    (D) 상기 송신장치가, 상기 (C) 단계에서 PAPR이 선택적으로 감소된 OFDM 신호에 해당하는 톤을 성상도 확장하여 PAPR이 감소되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (B) 단계는,
    (B1) 상기 송신장치가, 상기 OFDM 신호와 상기 클리핑된 신호의 차이로부터 클리핑 잡음 신호를 산출하는 단계;
    (B2) 상기 송신장치가, 상기 (B1) 단계에서 산출된 클리핑 잡음 신호에 FFT를 수행하는 단계; 및
    (B3) 상기 송신장치가, 상기 FFT가 수행된 클리핑 잡음 신호 중 큰 값이 발생한 톤의 인덱스를 예약된 톤의 개수만큼 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (C) 단계는,
    (C1) 상기 송신장치가, 상기 (B3) 단계에서 추출된 톤 인덱스로 이루어진 예약된 톤 세트를 구성하고, 상기 OFDM 신호의 부반송파들 중 상기 예약된 톤 세트에 포함된 인덱스를 가지는 부반송파들을 확인하여 커널신호와 초기 피크감소신호를 설정하는 단계;
    (C2) 상기 송신장치가, 상기 설정된 초기 피크감소신호와 상기 OFDM 신호를 가산하는 단계;
    (C3) 상기 송신장치가, 상기 (C2) 단계에 의해 초기 피크감소신호가 가산된 OFDM 신호의 PAPR을 산출하는 단계; 및
    (C4) 상기 송신장치가, 상기 (C3) 단계에서 산출된 PAPR과 PAPR 임계값을 비교하여 산출된 PAPR이 PAPR 임계값 미만이면, 상기 (C2) 단계에 의해 초기 피크감소신호가 가산된 OFDM 신호를 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (C) 단계는,
    (C5) 상기 송신장치가, 상기 산출된 PAPR이 PAPR 임계값 이상이면, 상기 OFDM 신호에서 피크 위치를 확인하는 단계;
    (C6) 상기 송신장치가, 상기 커널신호를 상기 확인된 피크 위치만큼 순환이동시키는 단계;
    (C7) 상기 송신장치가, 상기 순환이동된 커널신호를 이용하여 피크감소신호를 업데이트하는 단계; 및
    (C8) 상기 송신장치가, 상기 (C7) 단계에서 업데이트된 피크감소신호와 상기 OFDM 신호를 가산하여 PAPR을 재산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    (E) 상기 (B) 단계에서 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호를 이용하여 클리핑 잡음 신호의 방향 성분을 추출하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 (D) 단계는,
    상기 (B) 단계와 (E) 단계에서 추출되는 톤 인덱스와 방향 성분을 이용하여, 상기 추출된 톤 인덱스에 해당하는 톤을 확장하여 PAPR이 감소되도록 하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 (E) 단계는 다음의 식을 이용하여 상기 추출되는 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호의 방향 성분을 추출하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 방법:
    Figure 112020064486813-pat00094

    Figure 112020064486813-pat00095

    여기서,
    Figure 112020064486813-pat00096
    와
    Figure 112020064486813-pat00097
    는 각각 상기 추출된 톤 인덱스에 해당하는 클리핑 잡음 신호의 실수축과 허수축 방향 성분이고,
    Figure 112020064486813-pat00098
    는 추출된 톤 인덱스의 실수부(real) 또는 허수부(image)에 해당하는 클리핑 잡음 신호임.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 (D) 단계는,
    (D1) 상기 추출되는 톤 인덱스와 방향 성분을 이용하여, 상기 (C) 단계로부터 입력되는 PAPR이 선택적으로 감소된 OFDM 신호를 확장된 성상도의 위치로 매핑하는 단계;
    (D2) 상기 확장된 성상도의 위치에 해당하는 OFDM 신호의 PAPR을 산출하는 단계; 및
    (D3) 상기 (D2) 단계에서 산출되는 확장된 OFDM 신호의 PAPR과 상기 (C) 단계에서 산출되는 확장 전 OFDM 신호의 PAPR을 비교하여 더 낮은 PAPR에 해당하는 신호를 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDM 변조 방식 시스템에서 PAPR 감소를 위한 적응적 톤 예약 및 확장 방법.
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