KR20010033461A - Ｏｆｄｍ 신호의 파고율 저감 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 무선 통신 시스템 동작 방법은 둘 이상의 스테이션 사이에서 데이터 패킷들의 전송을 위한 직교 신호들을 이용한다. 송신기에서 데이터는 미분 위상 변조 기술, 예를 들면, DQPSK에 의해 복수의 직교 반송파들 상으로 인코드된다. 상기 반송파들은 역 이산 퓨리에 변환(210)에 의해 단일 신호로 결합되고 전송(218)되기 전에 소정의 진폭으로 클리핑되어(212) 전송된 신호의 파고율을 감소시킨다. 하나 이상의 상기 반송파들의 위상은 각각의 데이터 패킷 전에 무작위화되며, 따라서 상이한 파고율이 동일 패킷의 재전송 동안 발생한다. 이것은 클리핑에 의한 감소된 신호대 잡음비 때문에, 패킷 전송이 어려운 경우에도, 성공적으로 재전송되도록 보장한다.

Description

ＯＦＤＭ 신호의 파고율 저감{Reduction of the crest factor in OFDM signal}
MCM(MultiCarrier Modulation) 또는 DMT(Discrete MultiTone modulation)로도 알려져 있는 OFDM은 하나의 고 비트 레이트 반송파보다는 저 비트 레이트 반송파들을 병렬로 변조시킴으로서 고 비트 레이트로 데이터가 전송되는 기술이다. OFDM은 매우 효과적이며, 고성능 디지털 무선 링크들에 대해 효과적인 것으로 알려져 있다. 응용분야는 컴퓨터 시스템들 사이에서 고속의 단거리 무선 링크들을 위한 WATM(Wireless Asynchronous Transfer Mode), 고품질 오디오 신호들을 위한 DAB(Digital Audio Broadcasting), UMTS(Universal Mobile Telecommunication System)과 같은 미래의 이동 무선 시스템이 있다.
전송을 위한 무선 주파수(RF) 신호의 중요한 특성은 실효값(RMS; Root Mean Square)에 대한 AC 파형의 최대값의 비로서 정의된 파고율이다. OFDM 시스템에서, 각 반송파 상의 신호들이 동위상이 될 수 있으므로(반송파 개수와 각 캐리러 상의 신호의 진폭의 곱인 최대값을 발생시키므로) 파고율이 높을 수 있으나, 평균적으로는 상기 위상들이 무작위로 분포되어 있을 것이다(훨씬 더 낮은 평균값을 발생시킬 것이다).
예를 들면, 16 반송파 OFDM 시스템에서 최대 전력은 평균 송신 전력의 16배가 될 수 있다.
만약 신호들이 왜곡없이 전송되면, 양호한 선형성을 갖는 특정한 송신기가 요구된다. 일반적으로 그러한 송신기는 양호하지 못한 DC에서 RF로의 전력 변화 효율을 가지게 되어, 결국 과도한 양의 열이 발생할 수도 있고 송신기가 휴대용 장비에 결합되어 있는 경우에는 배터리 수명에 악영향을 미치게 된다. 따라서, 파고율을 저감시키기 위해 다양한 해결책이 검토되어 왔다.
한 가지 기술은 어떠한 위상 변조 상태들의 조합이 반송파들에 인가되지 않도록 하는 것이다. 그러나, 이것은 각 심벌이 더 적은 이용가능한 상태를 가지므로 소정량의 데이터에 대해 더 많은 심벌들이 전송될 필요가 있다는 문제점을 갖는다. 이 기술은 공지되어 있으며, 그 한 예로는 파고율을 4에서 1.9로 저감시키는 네개의 반송파 OFDM 시스템에 대한 3/4 레이트 구조를 들 수 있다. US-A-5,636,247호는 이러한 타입의 보다 세련된 기술을 개시하고 있다. 16 반송파 시스템에 적용되면, 13/16 레이트 구조를 이용하여 3dB의 파고율 감소가 얻어질 수 있다.
US-A-5,610,908에는 다른 방법이 개시되어 있는데, 이 방법에 의하면 다수의 인접한 반송파들이 변조되어(이 경우에는 QPSK 이용) 일반적으로 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)에 의해 시간 영역으로 변환된다. 그 다음에 신호들이 제한되어 상기 신호들 중 일부에 위상 및 진폭 조정이 행해지는 FFT(Fast Fourier Transform)에 의해 주파수 영역으로 다시 변환되고, 그 다음에 IFFT에 의해 시간 영역으로 다시 변환된다. 여기서부터 전송이 정상적으로 진행된다. 처음에 9.38dB의 파고율을 갖는 20개의 랜덤 신호의 시뮬레이션이 파고율이 3.4dB로 감소될 수 있다는 것을 예증한 2048 반송파 OFDM 시스템에 대한 일례가 있다.
전술한 기술들이 파고율을 감소시킬 수 있다 하더라도 이들은 파고율을 1(상수 엔벨로프 변조에 대응)로 감소시킬 수는 없다. 파고율을 감소시키기 위한 공지된 다른 기술로 클리핑(clipping)이 있는데, 여기서는 베이스밴드 신호가 상수 레벨에서 클리핑된 진폭이며, 따라서 신호 피크를 제거하여 파고율을 감소시킨다. 클리핑은 비선형 처리이기 때문에 이용시 약간의 주의를 요하기는 하지만, 수행하기에 간단한 기술이다.
128 반송파 OFDM 시스템에서의 클리핑의 효과는 논문 "Effects of Clipping and Filtering on the Performance of OFDM" by X Li and L J Cimini, Proceedings of the 47th IEEE Vehicular Technology Conference, May 1997, pp. 1634-1638에 개시되어 있다. 이 논문에 따르면, 클리핑 레벨을 평균 전력 레벨보다 약 1.5배로 설정하면 비트 에러 레이트를 크게 감소시키지 않고도 파고율을 상당히 감소할 수 있다.
종래 기술에서 제기되지는 않았지만, 클리핑을 이용하는 경우의 문제점은 어떤 OFDM 심벌들은 아무런 영향을 받지 않지만 다른 어떠한 OFDM 심벌들은 악영향을 받는다는 것이다. 만약, 다수의 악영향을 받는 심벌들이 패킷으로 전송되면 상기 수신기는 상기 패킷을 복조하여 재전송하는데 실패하기 쉽다. 송신기는 패킷을 반복하고 동일한 문제에 부딪힐 것이다. 따라서, 어떤 패킷들은 에러없이 수신될 확률이 아주 낮을 것이다.
본 발명은 데이터 패킷 전송을 위한 직교 신호 전송 기술을 이용한 무선 통신 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 시스템에 사용하기 위한 송신기, 상기 시스템의 동작 방법 및 상기 시스템에서 전송된 신호에 관한 것이다. 본원 명세서는 OFDM(Orthogonal Frequency Domain Multiplexing)을 이용한 시스템을 기술하고 있으며, 이러한 기술들은 직교 신호들을 전송하는 다른 시스템들, 예를 들면, CDMA(Code Division Multiple Access)에 동등하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 개략적인 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 송신기의 일부의 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 OFDM에서 연속적인 두 반송파의 위상 상태를 도시한 도면.
본 발명의 목적은 임의의 패킷들이 전송하기에 매우 어렵다는 상기 문제점을 경감하는 것이다.
본 발명의 제 1 특징에 따르면, 미분 위상 변조에 의해 데이터를 복수의 직교 반송파들 상으로 인코딩하는 단계와, 상기 위상 변조된 신호들을 결합하는 단계와, 상기 결합된 신호를 클리핑하여 파고율(crest factor)을 제한하하는 단계와, 상기 클리핑된 신호를 적어도 두 스테이션 사이의 데이터 패킷들로서 전송하는 단계를 포함하는 무선 통신 시스템 동작 방법에 있어서, 패킷 송신 전에 상기 반송파들 중 적어도 하나의 반송파의 초기 위상들을 무작위화(randomising)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템 동작 방법이 제공된다.
본 발명의 제 2 특징에 따르면, 데이터를 복수의 직교 반송파들 상으로 변조시키는 미분 위상 변조 수단과, 상기 위상 변조된 신호들을 결합하는 수단과, 상기 결합된 신호의 파고율을 제한하기 위한 클리핑 수단과, 상기 클리핑된 신호를 전송하기 위한 전송 수단을 포함하는 송신기에 있어서, 패킷 송신 전에 상기 반송파들 중 적어도 하나의 반송파의 초기 위상들을 무작위화(randomising)하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 송신기가 제공된다.
본 발명의 제 3 특징에 따르면, 본 발명에 따른 복수의 송신기를 포함하는 무선 통신 시스템이 제공된다.
본 발명의 제 4 특징에 따르면, 데이터 패킷들이 미분 위상 변조에 의해 인코드되는 복수의 직교 반송파들을 포함하고, 파고율을 제한하도록 클리핑되는 무선 신호에 있어서, 상기 반송파들 중 적어도 하나의 반송파의 초기 위상이 데이터 패킷의 시작에서 무작위화되는 것을 특징으로 하는 무선 신호가 제공된다.
본 발명은 OFDM 신호를 포함하는 반송파들의 초기 위상 상태들을 변화시킴으로서, 심벌의 반복이 상이한 파고율을 발생시킨다는 종래 기술에서는 찾아볼 수 없었던 인식에 근거한다.
도 1에 도시된 시스템은 트랜시버를 각각 포함하며, 이들간에 두 개의 무선 통신 링크를 갖는 두 개의 스테이션(102, 104)를 포함한다. 스테이션(102, 104)은 특정 애플리케이션 분야에 따라서 많은 상이한 타입으로 될 수 있다. 예를 들면, WATM 시스템에서 제 1 스테이션(102)은 개인용 컴퓨터이고 제 2 스테이션(104)은 프린터이다. 한편, UMTS 시스템에서는 제 1 스테이션(102)이 셀룰러 전화기이고 제 2 스테인션(104)은 셀룰러 기지국일 수 있다.
도 2에 도시된 송신기의 일부는 입력 비트스트림(202)의 인코딩 및 전송을 위한 변조에 관한 것이다. 모든 블록들의 동작 파라미터들은 제어기(도시되지 않음)에 의해 제어된다. 비트스트림(202)은 MAC(Medium Access Control)로부터 전송되는 데이터를 포함한다. 상기 데이터는 먼저 인코딩 블록(ENC)(204)으로 진행하며, 상기 인코딩 블록은 전송에 이용되는 변조 방식에 적합한 형태로 요구된 심벌들의 스트림, 예를 들면, DQPSK(Differential Quadrature Phase Shift Keying)가 사용되는 경우 2 비트 심벌을 발생한다.
인터리버(INT)(206)는 상기 입력 심벌들의 스트림을 취하여 병렬 출력 라인들 각각에 각 심벌을 출력한다. 각각의 출력 라인은 전송을 위한 OFDM 반송파에 대응하며, 따라서 반송파의 수와 동일한 수(도면에서는 8)의 인터리버(206)로부터의 출력 라인이 있다.
그 다음에 인터리버(206)로부터의 각각의 출력 데이터 라인 상의 심벌은 요구된 변조 방식, 예를 들면, DQPSK를 이용하여 변조기(MOD)(208)에 의해 변조된다. 변조된 데이터는 IDFT 블록(210)에 의해 역 이산 퓨리에 변환되며(또는 역 고속 퓨리에 변환되며), 상기 블록은 또한 출력 데이터를 직렬 스트림에 재결합시킨다.
상기 직렬 데이터 스트림은 임의의 진폭 피크들을 포함한 전송될 파형의 디지털 표현이며, 요구된 최대 레벨로 신호 진폭을 제한하는 클리핑 블록(CLP)(212)으로 진행한다. 데이터가 디지털-아날로그 변환기(DAC)(216)로 전송되기 전에, 심벌간 간섭의 문제를 감소시키기 위해 OFDM 심벌들간의 보호 대역(guard band)이 익스텐더(extender) 블록(EXT)(214)에 의해 부가된다. 그 다음에 출력 신호들은 무선 전송 수단(218)으로 진행하며, 상기 무선 전송 수단은 상기 출력 신호들을 필요한 주파수로 변형시켜 전송을 위해 증폭한다.
도 3은 변조기(208)로부터 출력 데이터 라인들 중 두 라인의 연속하는 위상 상태를 도시하고 있으며, 상기 변조기는 시간에 따라 상이하게 인코딩된 DQPSK를 이용한다. 각각의 위상 상태에 대하여 네 개의 가능한 값들이 있으며, 따라서 2 비트 심벌들을 인코딩할 수 있다. 각각의 출력 OFDM 심벌 내의 각 반송파 내의 제 1 위상 상태(302, 312)는 반송파 및 심벌에 대한 초기 위상 기준을 정의한다.
따라서, 제 1 반송파를 고려해 보면, 제 1 상태(302)에 대한 제 2 상태(304)의 위상은 첫번째 2 비트 심벌의 값을 인코드하고, 마찬가지로 제 2 상태(304)에 대한 제 3 상태(306)의 위상은 제 2 심벌의 값을 제공하고, 제 3 상태(306)에 대한 제 4 상태(308)의 위상은 제 3 심벌을 인코드한다. 제 2 반송파 상의 심벌들은 다양한 상태들(312, 314, 316, 318) 사이의 위상차들을 이용하여 동일한 방법으로 인코드된다.
종래 기술의 변조기에서, 각 반송파(302, 312)의 초기 위상 상태는 각 OFDM 심벌의 시작에서 소정의 값으로 설정된다. 이것은 주어진 OFDM 심벌이 항상 위상 상태들의 동일 조합으로 전송되는 효과를 갖는다. 그러나, 그러한 방식은 큰 문제점을 안고 있다. 만약 심벌이 클리핑에 의해 악영향을 받는다면, 이것은 클리핑이 신호대 잡음비를 크게 감소시킴을 의미하는데, 부정확하게 수신되기 쉽다. 만약 하나 이상의 악영향을 받은 심벌들이 패킷으로 수신기에 전송되면, 상기 수신기는 상기 패킷을 올바르게 복조하기 어렵다. 상기 에러의 결과 상기 수신기는 ARQ(Automatic Repeat reQuest) 메시지를 발생하고 상기 패킷은 반복될 것이다. 그러나, 동일한 OFDM 심벌들이 발생할 것이며, 클리핑으로 인해 동일하게 감소된 신호대 잡음비를 가질 것이다. 따라서 패킷은 다시 틀리게 수신되기 쉽다.
본 발명에 따른 방법은 각 OFDM 심벌의 시작에 반송파들의 초기 위상을 무작위화함으로서 상기 문제를 해결한다. 이것은 당업자에게 공지되어 있는 다양한 방법들로 행해질 수 있다. 일례로서 패킷 내의 반송파 상의 마지막으로 전송된 심벌의 상태를 다음 패킷 내의 수신 반송파 상의 제 1 심벌에 대한 기준 위상으로 이용하는 것을 들 수 있다.
초기 위상들을 무작위화함으로서 발생하는 효과는 패킷이 전송될 때 위상의 상이한 조합이 이용된다는 것이다. 따라서 각각의 문제의 OFDM 심벌이 상이한 파고율 및 개선된 신호대 잡음비를 가지기 쉽다(왜냐하면, 단지 몇 개의 위상 상태들의 조합만 수신을 어렵게 하는 충분히 양호하지 못한 신호대 잡음비를 가지도록 클리핑 레벨이 선택되기 때문이다). 따라서 재전송된 패킷은 보다 정확하게 수신될 수 있다. 모든 초기 반송파들을 무작위화할 필요는 없지만, 무작위화가 더 많이 이루어질 수록 전송이 성공적으로 될 가능성이 더 높다.
이상 DQPSK 변조와 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 넓은 범위의 다른 변조 방식들이 적용될 수 있음을 주지하라. 필요한 것은 선택된 변조 방식이, 각 반송파에 대한 위상 기준이 각 OFDM 심벌의 시작에서 반송파의 상태인 특성을 갖는다는 것이다.
또한 본 발명은 OFDM 이외의 다른 직교 변조 기술들, 예를 들면 CDMA에 적용될 수 있음을 주지하라.
이상의 설명을 통하여, 당업자들은 본 발명에 다른 변경이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 이러한 변경들은 무선 통신 시스템에서 이미 알려져 있는 다른 특징들 및 그 구성요소들을 포함할 수도 있으며, 전술한 특징들 대신 또는 전술한 특징들에 더하여 사용될 수도 있다.
본 발명은 WATM, DAB, MVDS, UMTS를 포함하는 직교 신호들의 전송을 요구하는 폭넓은 범위의 시스템들에 적용가능하다.

Claims (10)

  1. 미분 위상 변조에 의해 데이터를 복수의 직교 반송파들 상으로 인코딩하는 단계와, 상기 위상 변조된 신호들을 결합하는 단계와, 상기 결합된 신호를 클리핑하여 파고율(crest factor)을 제한하는 단계와, 상기 클리핑된 신호를 적어도 두 스테이션 사이의 데이터 패킷들로서 전송하는 단계를 포함하는 무선 통신 시스템 동작 방법에 있어서,
    패킷 송신 전에 상기 반송파들 중 적어도 하나의 반송파의 초기 위상들을 무작위화(randomising)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템 동작 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 반송파들 중 적어도 하나의 반송파의 초기 위상은 그 반송파상의 마지막으로 전송된 심벌의 상태와 관련되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템 동작 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 반송파들 중 적어도 하나의 반송파의 초기 위상은 동일한 패킷의 반복 전송시 상이한 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템 동작 방법.
  4. 데이터를 복수의 직교 반송파들 상으로 변조시키는 미분 위상 변조 수단과, 상기 위상 변조된 신호들을 결합하는 수단과, 상기 결합된 신호의 파고율을 제한하기 위한 클리핑 수단과, 상기 클리핑된 신호를 전송하기 위한 전송 수단을 포함하는 직교 신호 송신기에 있어서,
    패킷 송신 전에 상기 반송파들 중 적어도 하나의 반송파의 초기 위상들을 무작위화(randomising)하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 송신기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 반송파들 중 적어도 하나의 반송파의 초기 위상을 그 반송파상의 마지막으로 전송된 심벌의 상태를 참조하여 설정하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 송신기.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 반송파들 중 적어도 하나의 반송파의 초기 위상을 동일한 패킷의 반복 전송시 상이한 상태로 설정하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 송신기.
  7. 제 4항 내지 6항중 어느 한 항에 기재된 복수의 송신기를 포함하는 무선 통신 시스템.
  8. 데이터 패킷들이 미분 위상 변조에 의해 인코드되는 복수의 직교 반송파들을 포함하고, 파고율을 제한하도록 클리핑되는 무선 신호에 있어서,
    상기 반송파들 중 적어도 하나의 반송파의 초기 위상이 데이터 패킷의 시작에서 무작위화되는 것을 특징으로 하는 무선 신호.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 반송파들 중 적어도 하나의 반송파의 초기 위상은 그 반송파 상의 마지막으로 전송된 심벌의 상태와 관련되는 것을 특징으로 하는 무선 신호.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 반송파들 중 적어도 하나의 반송파의 초기 위상은 동일한 패킷의 반복 전송시 상이한 것을 특징으로 하는 무선 신호.
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