KR20030072270A - 적응 주파수 다이버시티 직교 주파수 분할 다중화(afd-ofdm) 통신 시스템의 설계 방법 및 장치 구성 - Google Patents

Abstract

본 발명에서 제시하는 적응 주파수 다이버시티 직교 주파수 분할 다중화 (Adaptive Frequency Diversity Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 AFD-OFDM 이라함) 방식의 목적은, 기존의 주파수 다이버시티 직교 주파수 분할 다중화(Frequency Diversity Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 FD-OFDM 이라함) 통신 시스템이 열악한 통신 성능이 되는 강한 협대역 간섭 채널에서, 대역별 채널 상태 정보를 이용하여 간섭이 강한 대역에는 적은 정보량을, 간섭이 약한 대역에는 더 많은 정보량을 전송함으로써 요구 비트오율(BER : Bit Error Rate)을 만족하면서 효율적으로 많은 정보를 통신하기 위한 기술이다.

직렬로 입력되는 정보 데이터를 L 개의 분할 대역만큼 병렬 변환하여 각각의 데이터 열을 채널 상태 정보를 이용하여 알맞은 변조 레벨로 변조한다. 이후 변조된 L 개의 데이터 열은 각각 M 개의 병렬 데이터 열로 또다시 변환하며, 변환된 M개의 데이터 열에서 나오는 각 데이터는 길이가 M인 서로 다른 왈쉬 직교 코드와 곱하여 길이가 M인 하나의 데이터로 모두 합해진다. 이 데이터는 M 개의 열로 병렬 변환되어 출력되며 시스템 전체에 출력되는 데이터열은LxM개이다. 결국 사용하는 전체 대역을 L 개의 부분대역으로 분할하고 각각의 데이터를 분할 대역내의 모든 부반송파들이 전달하게 하여 각 분할 대역의 부반송파들은 하나의 부반송파마다 M 개의 데이터 성분을 모두 포함하게 된다. 이러한 구조는 채널의 상태정보를 이용하여 채널 특성을 기반으로 기존의 FD-OFDM을 복수개로 병렬 사용하는 방식으로서,결국 하나의 데이터가 여러 개의 부반송파에 의해 전송되므로 주파수 다이버시티 효과를 얻으면서도, 또한 L 개의 대역으로 분할하고 채널 상태 정보를 이용하여 분할대역 별로 전송 데이터의 변조 레벨을 적응적으로 조절할 수 있는 시스템이다. 이러한 주파수 다이버시티 효과와 채널 상태정보를 이용한 적응 변조는 시스템을 협대역 간섭에 강하게 견디면서도 많은 정보를 통신 할 수 있는 시스템이다.

본 발명은 기본적으로 종전의 FD-OFDM 시스템에 채널 상태에 대한 적응성을 부여한 시스템이다. 결국 대역의 분할과 각 분할대역의 적응 변조에 의해 얻어진 채널 상태에 대한 적응성에 의해 강한 협대역 간섭이 작용한다 해도 시스템 성능을 유지하며 통신이 가능하다. 본 발명을 이용하면 매우 열악한 통신 채널 환경에서도 고속, 고품질의 정보 전송이 가능하게 된다.

Description

적응 주파수 다이버시티 직교 주파수 분할 다중화 (AFD-OFDM) 통신 시스템의 설계방법 및 장치 구성{Apparatus and Design Method of Adaptive Frequency Diversity Orthogonal Frequency Division Multiplexing ( AFD -OFDM ) Communication System}

지금까지 직교 주파수 분할 다중화 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 OFDM 이라함) 통신 시스템을 대상으로 발표된 협대역 간섭에 의한 성능저하를 개선하기 위한 대표적 몇몇 방법들의 예를 들면,

1) 2002년 12월IEEE Trans. Communication,9권, 6호에 Junqiang Li, Latief. K. B. 와 Zhigang Cao가 발표한, 동일채널간섭(CCI : co-channelinterference)에 의한 성능저하를 막는 방법으로 전송 다이버시티(transmit diversity)를 이용하는 공간시간코딩(STC : Space Time Coding) 방식의 직교 주파수 분할 다중화 시스템,

2) 1999년 Munster M., Keller T.와 Hanzo L.가Vehicular Technology Conference, vol. 1에 발표한, 적응 변조 방식을 이용한 직교 주파수 분할 다중화 시스템,

3) 2001년 5월 Sathananathan K.와 Tellambura C.가ISCAS 2001, The 2001 IEEE International Symposium on Circuits and System, vol. 4, pp. 566-569에 발표한, 인접부반송파간 간섭 ( ICI : inter-subcarrier interference)에 대항하는 방법으로 직교 주파수 분할 다중화 시스템에 에러 정정 코드를 사용하는 방법,

4) 2002년 D. Gerakoulis와 P. Salmi가ICC 2002 IEEE International Conference on communications, vol. 1에 발표한, 협대역 간섭에 의한 성능저하를 줄이는 방법으로는 간섭억압 직교주파수분할 다중화 ( IS-OFDM : Interference Suppressing Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 IS-OFDM이라 함.)가 발표되었다.

이중에서 간섭억압 직교주파수분할 다중화(IS-OFDM) 방식은 본 발명에서 칭하는 주파수 다이버시티를 이용한 직교 주파수 분할 다중화(Frequency Diversity Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 FD-OFDM 이라함.)과 기본적으로 동일한 시스템이다. 이 간섭억압 직교주파수분할 다중화(IS-OFDM) 방식은, 입력되는 각 신호에 서로 다른 직교 코드를 곱한 후 모두 합하며 합해진 값들을 각 부반송파에 인가하여 전송하는 방식이다.

FD-OFDM은 입력되는 데이터를 N개의 병렬 데이터 열로 분할하고, 분할된 각 병렬 데이터 열에서 출력되는 각 데이터는 길이가 N인 왈쉬 직교 코드와 곱해진 후 길이가 N인 하나의 데이터 열로 합쳐진다. 이렇게 합쳐진 데이터 열은 또 다시 N개의 병렬데이터 열로 변환되어 인코딩 및 IFFT 변환을 거친 후 다시 병 ·직렬 변환되어 출력된다. 결국 각 부반송파는 왈쉬 직교코드에 의해 확산된 모든 병렬 데이터의 일부분들이 합쳐진 데이터를 전송하게 되며 하나의 데이터는 모든 부반송파에 나뉘어 전송되므로 주파수 다이버시티의 효과를 갖는다. 이렇게 얻어진 주파수 다이버시티 효과에 의해 FD-OFDM 시스템은 기본적으로 협대역 간섭에 대해 강하다. 그러나 어느 크기 이상의 강한 협대역 간섭이 작용하는 채널에서는 쉽게 통신성능이 열화되는 문제점이 있어서 통신 시스템은 요구 비트 오율(BER)을 만족시킬 수 없어 통신품질이 나빠진다.

본 발명은 앞에서 언급한 기존의 FD-OFDM 시스템에서, 1) 협대역 간섭이 점차 커짐에 따라 나타나는 주파수 다이버시티 효과의 열화 문제를 최소화하고, 2) 보다 효과적으로 데이터를 전송함으로써 전체 데이터의 전송량을 증가시키고, 3) 요구 BER(Bit Error Rate)을 만족하면서 효율적으로 많은 양의 정보를 통신하기 위한 적응 주파수 다이버시티 직교 주파수 분할 다중화 (Adaptive Frequency Diversity Orthogonal Frequency Dlvision Multiplexing, 이하 AFD-OFDM 이라함) 방식의 설계 방법 및 장치 구성에 관한 기술이다. 이 방법은 시스템의 사용대역을확장하지 않고 변조방식의 종류와 관계없이 적용 가능하다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 FD-OFDM에 각 부분 대역별로 채널 상태정보를 이용하여 전송데이터의 변조 레벨을 조절할 수 있는 적응 변조 방식을 사용한다. 채널 대역 특성에 따른 분할 대역 수만큼의 FD-OFDM을 병렬로 배치하는 것과 같은 구조를 사용한다. 협대역 간섭의 크기에 따라서, 작을 때는 대응되는 각 FD-OFDM에 높은 변조 레벨로 통신하게 하고, 크기가 클 때는 간섭에 의해 영향 받는 FD-OFDM의 변조레벨을 낮추므로써 적응 변조방식을 사용하여 시스템 전체의 요구 BER을 만족시킬 수 있다.

제 1 도는 AFD-OFDM 통신시스템의 송신기 블록 구성도.

제 2 도는 기존의 FD-OFDM 통신시스템의 송신기 불록 구성도.

제 3 도는 협대역의 크기 지수 F에 따른 FD-OFDM 시스템의 BER 성능곡선.

제 4 도는 채널상에서의 F=0.5 이며 대역폭이 서로 다른 협대역 간섭들의 예.

제 5 도는 제 4도에 나타난 각 경우의 협대역 간섭들에 대한 AFD-OFDM의 각 분할대역의 변조레벨.

제 6 도는 제 5도와 같은 조건에서 AFD-OFDM 시스템의 BER 성능곡선.

※ 제 1도의 주요 부분에 대한 부호의 설명

(1) 입력 데이터

(2) 채널 상태 정보

(3) 직 ·병렬 변환 및 신호 분배 블럭

(4) 변조 레벨 선택 및 변조 블럭

(5) 직 ·병렬 변환 블럭

(6) IFFT 변환 블럭

(7) 병 ·직렬 변환 블럭

(8) 출력 신호

※ 제 2도의 주요 부분에 대한 부호의 설명

(1) 입력 데이터

(3) 직 ·병렬 변환 및 신호 분배 블럭

(4) 변조 레벨 선택 및 변조 블럭

(6) IFFT 변환 블럭

(7) 병 ·직렬 변환 블럭

(8) 출력 신호

(9) 인코딩 블럭

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 설명하며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명에서 제시하는 적응 직교 주파수 분할 다중화(AFD-OFDM) 의 목적은 주파수 다이버시티를 이용한 직교 주파수 분할 다중화(FD-OFDM) 통신 시스템의 성능이 크게 저하되는 강한 협대역 간섭이 작용하는 채널 상황에서, 간섭이 강한 대역보다는 간섭이 약한 대역에 더 많은 데이터를 전송함으로써 요구 BER(Bit Error Rate)을 만족하면서 효율적으로 많은 양의 정보를 통신하기 위한 기술이다. 이 방법은 신호의 왜곡이 발생하지 않고 변조 방식의 종류와 관계없이 적용 가능하다. AFD-OFDM은 입력되는 데이터를 여러개의 병렬 데이터로 변환하고 그 각각의 데이터열을 채널 정보에 맞는 변조 레벨로 변조하며 이를 FD-OFDM과 같이 처리함으로써 시스템 전체가 채널상태에 알맞은 적응 변조 효과 및 FD-OFDM이 갖는 주파수 다이버시티의 효과를 모두 얻는다. 이렇게 얻어진 적응 변조 효과 및 주파수 다이버시티 효과는 시스템의 협대역 간섭에 의한 성능저하를 적응적으로 줄일 수 있다.

제 1도는 본 발명에서의 AFD-OFDM 시스템 송신기 블록 구성도를 나타낸 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위하여, 입력 데이터(1)는 직 ·병렬 변환 및 신호 분배 블록(3)으로 입력되어 채널 상태 정보(2)에 맞게 L개의 병렬 데이터열로 분할되며, 이렇게 분할된 각 병렬 데이터는 변조 레벨 선택 및 변조 블록(4)으로 입력되어 채널 정보(2)에 맞은 각각의 변조 레벨로 변조된다. 즉, 협대역 간섭이 크게 작용하는 부분대역과 대응되는 데이터열은 그 변조레벨을 낮추고 간섭이 적게 작용하는 부분대역과 대응되는 데이터열은 그 변조레벨을 높인다. 이렇게 각기 다르게 변조된 병렬 데이터열은 그 각각이 FD-OFDM과 같이 직 ·병렬 변환 블럭(5)에 의해 M개의 병렬 데이터열로 나뉘며 각각의 병렬 데이터는 길이가 M인 왈쉬코드에 의해 확장된다. 확장된 각각의 병렬 데이터 열은 또 다시 직 ·병렬 변환 블록(5)에 의해 M개의 병렬 데이터로 나뉘어진 후 제 1도에 나타나는 것과 같이 서로 겹쳐져 전체가 LxM개의 병렬 데이터 열을 이룬다. 이는 IFFT 변환 블록(6)으로 입력되어 변환되고, 변환된 후의 신호는 병 ·직렬 변환 블록(7)을 통하여 출력된다(8).

제 2도는 기존의 FD-OFDM 시스템의 송신기 블록 구성도를 나타낸다. 입력되는 데이터(1)는 변조 레벨 선택 및 변조 블록(4)에 의해 특정 변조 레벨의 신호로 변환되며, 이는 직 ·병렬 변환 및 신호 분배 블록(3)에 의해 N개의 병렬 데이터열로 나뉘어진다. 나뉘어진 각 병렬 데이터 열에서 출력되는 각 데이터는 길이가 N인 왈쉬 직교코드와 곱해진 후 길이가 N인 하나의 데이터 열로 합쳐진다. 이렇게 합쳐진 데이터 열은 직 ·병렬 변환 및 신호 분배 블록(3)에 의해 또 다시 N개의 병렬 데이터 열로 변환되어 인코딩(9) 및 IFFT 변환(6)을 거친 후 다시 병 ·직렬 변환(7)되어 출력된다.

제 3도는 채널상에 존재하는 협대역 간섭의 크기에 따른 FD-OFDM의 BER성능을 나타낸다. 일반적으로 협대역 간섭의 크기는 재밍 간섭대 신호 전력비(JSR : Jamming to signal power ratio, 이하 JSR이라 부르기로함) 또는 대역폭으로 나타내지만 사실상 이중 어느 한가지 만으론 시스템에 작용하는 협대역 간섭의 크기를 명확히 나타낼 수 없다. 따라서 본 발명에서는 JSR(Jamming to Signal power Ratio)과 대역폭을 모두 포함하여 협대역 간섭의 절대적인 크기를 나타내는 F 지수를 사용하며, 이 F 지수는 다음과 같은 식으로 표현된다.

[ 수학식 1 ]

F = JSR x Band /N

위의 식에서 JSR(Jamming to Signal power Ratio)은 협대역 간섭의 전력 대 신호의 전력의 비를 나타내며 Band는 협대역 간섭의 대역폭 내에 위치하여 그 영향을 받는 부반송파의 수를 나타낸다. 또한 N은 시스템에 사용되는 전체 부반송파의 수를 나타내며 FD-OFDM은 동일한 F 지수에 대해서 동일한 성능을 갖는다.

제 4도는 256개의 부반송파를 갖는 AFD-OFDM 시스템 채널에서 F = 0.5 의 크기를 갖는 협대역 간섭들의 몇가지 예이다. FD-OFDM과는 달리 AFD-OFDM은 각 부할대역별로 변조 레벨을 조절할 수 있고, 따라서 같은 F 지수의 크기를 갖는 협대역간섭에서도 협대역 간섭이 갖는 JSR 및 대역폭에 따라 성능이 달라지기 때문이다.

제 5도는 제 4도에서 나타낸 4가지 경우에 대한 AFD-OFDM의 각 부분대역의 변조 레벨을 나타낸다.

제 6도는 제 5도에 나타난 각 부분대역의 변조레벨과 같이 송신하였을 때의 AFD-OFDM의 시스템 BER 성능과 같은 경우에 변조레벨이 QPSK인 FD-OFDM의 성능을 나타낸다. 이 때 요구 BER은 10^-3, 부반송파의 수는 256개로 두 시스템이 동일하며 4 가지 경우(case 1, case 2, case 3, case 4)의 협대역 간섭에 대해서 두 시스템의 전송량을 비교해 보면 1회 전송량을 다음과 같이 정의할 때

[ 수학식 2 ]

1회 전송량 =Nx 심볼당 비트수 (N = 부반송파의 수)

다음과 같이 나타난다.

[ 수학식 3 ]

FD-OFDM

256 × 2 = 512비트 (통신 불가능)

AFD-OFDM

경우1(case 1) : (64×3) + (64×3) + 0 + (64×3) = 576 비트.

경우2(case 2) : (64×3) + (64×2) + 0 + (64×3) = 512 비트.

경우3(case 3) : (64×3) + (64×2) + 0 + (64×3) = 512 비트.

경우4(case 4): (64×3) + (64×3) + 0 + 0 = 384 비트.

두 시스템의 전송량 비교 결과 경우4의 경우를 제외하고 AFD-OFDM의 1회 전송량이 FD-OFDM의 1회 전송량보다 같거나 많은 것을 알 수 있다. 또한 경우4(case 4)에서 FD-OFDM은 요구 BER을 만족하지 못하는데 반해 AFD-OFDM은 요구 BER을 만족하므로 이 또한 성능이 향상되었음을 의미한다.

상기와 같이 본 발명은 적응 주파수 다이버시티 직교 주파수 분할 다중화 (AFD-OFDM) 시스템으로써 기존의 FD-OFDM의 통신 성능이 열악해지는 큰 협대역 간섭 채널에서 통신 시스템 BER을 유지하게 한는 것이다. 일정한 시스템 BER의 유지해야하는 열악한 채널 환경에서도 안정적인 고품질 통신을 가능케 한다. 이 방법은 기존의 방법과 동일한 대역내에서 이루어 질 수 있으며 부분적으로 시스템의 복잡해지는 단점이 있지만 큰 협대역 간섭채널에서 FD-OFDM 보다 우수한 전송 효율을 갖는다.

Claims (2)

1. 기존의 주파수 다이버시티 직교 주파수 분할 다중화(FD-OFDM) 통신 시스템에 대역별 전송 데이터의 변조레벨을 적응적으로 조절하여 채널 상태에 알맞은 적응 주파수 다이버시티 직교 주파수 분할 다중화(AFD-OFDM) 통신 시스템의 구성에 있어서,

   가) 순차적으로 입력되는 데이터를 채널환경에 대한 정보에 따라서 적절하게 병렬(L개) 데이터 열로 위치시키고, 각 병렬 데이터 열 마다 채널 정보에 따른 변조레벨을 설정함으로 인해 대역별로 데이터의 변조 레벨을 적응적으로 조절할 수 있도록 하는 방법과,

   나) 각각의 변조 레벨로 변조된 병렬 데이터 열을 또 다시 여러개(M)의 병렬 데이터 열로 변환하고 길이가 M인 직교코드(예, 왈쉬 코드)를 이용하여 각 병렬 데이터 열을 확산하고 합치는 과정과, 확산된 병렬 데이터열이 각각 다시 M 개의 병렬 데이터로 변환되어 하나의 IFFT변환을 통하여 출력되는 과정 및 장치.
2. 상기의 1항의 대역의 분할 과정과, 변조레벨의 조절 과정, 그리고 IFFT 변환과정에 있어서,

   가) 분할된 대역마다 소규모의 FD-OFDM을 이용하는 방법및 그 장치.

   나) 각 분할된 대역에 대응하는 소규모의 FD-OFDM의 변조레벨을 조절함에 있어서 채널 상태 정보를 이용하는 과정 및 장치.

   다) 소규모의 FD-OFDM의 IFFT 변환 과정은 개별적이 아닌 LxM 개의 입력단을 갖는 하나의 IFFT블럭을 이용하여 동시에 이루어지는 과정 및 장치.