KR20030084291A

KR20030084291A - 직교주파수분할다중화 통신시스템에서 부분전송시퀀스의부가정보 송수신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20030084291A
Application number: KR1020020022944A
Authority: KR
Inventors: 정기호; 유흥균; 윤성렬
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2003-11-01
Also published as: JP2005524278A; CN1300963C; EP1357718A3; KR100754721B1; US20030202460A1; RU2003137529A; AU2003223129B2; US20080049602A1; CN1522511A; EP1357718A2; WO2003092197A1; CA2452277A1; RU2268547C2; US7376074B2; AU2003223129A1

Abstract

본 발명은 직교주파수분할다중화(OFDM) 통신 시스템에서 다중 부반송파에 의한 높은 첨두전력 대 평균전력 비(PAPR)를 감소시켜 비선형 왜곡을 방지하는 방법에 관한 것으로서, 송신기는 부분전송시퀀스(PTS)를 사용하는 OFDM 시스템의 최적화된 회전인자에 대한 부가정보를 기준심볼의 위상에 실어 전송하고, 수신기는 상기 기준심볼의 위상을 검출하여 회전인자의 정보를 추출하고 이를 이용하여 정보 데이터를 복원한다. 이로써 본 발명은 부분전송시퀀스를 사용하는 OFDM 시스템에서 부가정보를 전송하고 수신할 수 있다.

Description

직교주파수분할다중화 통신시스템에서 부분전송시퀀스의 부가정보 송수신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMITTING AND RECEIVING SIDE INFORMATION OF PARTIAL TRANSMIT SEQUENCE IN ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: 이하 OFDM이라 함) 통신 시스템에 대한 것으로서, 특히 첨두전력 대 평균전력 비(Peak-to-Average Power Ratio: 이하 PAPR이라 함)를 감소시키기 위하여 부분전송시퀀스를 이용하는 경우 부가정보를 송신하고 수신하는 장치 및 방법에 대한 것이다.

직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 "OFDM"이라 칭함) 방식은 서브 채널의 스펙트럼이 상호 직교성을 유지하면서 서로 중첩되어 있어 스펙트럼 효율이 좋다. 상기 OFDM 방식은 변조가 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform, 이하 "IFFT"라 칭함)에 의해 구현되고, 복조가 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, 이하 "FFT"라 칭함)에 의해 구현된다.

상기 OFDM 방식을 사용하는 무선통신시스템의 송신기와 수신기의 동작을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

OFDM 방식의 송신기에서 입력 데이터는 스크램블러, 부호화기, 인터리버를 거쳐서 부 반송파로 변조된다. 이때, 상기 송신기는 다양한 가변 전송률을 제공하게 되는데, 상기 전송률에 따라서 각기 다른 부호율, 인터리빙 크기 및 변조방식을 갖게 된다. 통상적으로 상기 부호화기는 1/2, 3/4 등의 부호율을 사용하고, 연집 에러를 막기 위한 인터리버의 크기는 OFDM 심볼당 부호화된 비트 수(NCBPS)에 따라 결정된다. 상기 변조방식은 요구된 데이터 전송률에 따라 QPSK(Quarature Phase Shift Keying), 8PSK(8ary PSK), 16QAM(16ary Quadrature Amplitude Modulation), 64QAM(64ary QAM) 등을 사용한다. 상기한 구성들에 의해 소정 개수의 부 반송파로 변조된 신호는 소정 개수의 파일럿들과 더해지고, 이는 IFFT 블록을 통과하여 하나의 OFDM 신호를 형성한다. 상기 OFDM 신호는 다중 경로 채널 환경에서의 심볼간 간섭을 제거하기 위한 보호구간이 삽입된 뒤 심볼 파형 생성기를 통과하여 최종적으로 무선 주파수부에 의해 무선 채널로 전송된다.

이에 대응하여 수신기에서는 상기 송신기의 역 과정이 일어나며 동기화 과정이 첨가된다. 먼저, 정해진 훈련심볼을 이용하여 주파수 옵셋 및 심볼 옵셋을 추정하는 과정이 선행되어야 한다. 그 뒤에 보호구간을 제거한 데이터 심볼이 FFT 블록을 통과하여 소정 개수의 파일럿들이 더해진 소정 개수의 부 반송파로 복원된다. 경로 지연 현상을 극복하기 위해 등화기는 채널 상태를 추정하여 수신신호로부터 채널에 의한 신호 왜곡을 제거한다. 상기 등화기를 통과하여 채널응답이 보상된 데이터는 비트열로 변환되어 디인터리버를 통과한 다음, 에러 정정을 위한 복호화기와 디스크램블러를 거쳐서 최종 데이터로 복원된다.

이러한, OFDM 방식에서는 입력데이터를 단일 반송파로 고속전송을 하는 대신 다수의 반송파상에서 병렬로 저속전송을 행하게 된다. 즉, 상기 OFDM 방식은 변/복조부의 효율적인 디지털 구현이 가능하고, 주파수 선택적 페이딩이나 협대역 간섭에 대한 영향을 적게 받는 특징을 가진다. 상기한 특징으로 인해 현재 유럽 디지털 방송의 전송과 IEEE 802.11a, IEEE 802.16a, 및 IEEE 802.16b 등 대용량 이동통신시스템의 규격으로 채택되어 있는 고속의 데이터 전송에 효과적인 기술이라 할 수 있다.

상기 OFDM 방식을 사용하는 이동통신시스템은 다중 반송파들을 이용하여 데이터를 전송하므로 OFDM 신호의 진폭 크기는 상기 다중 반송파들의 진폭 크기의 합으로 표현될 수 있다. 그런데 상기 다중 반송파들 각각의 위상이 일치한다면, OFDM 신호는 매우 높은 첨두전력 대 평균전력(Peak to Average Power Ratio, 이하 "PAPR"이라 칭함)을 갖게 된다. 높은 PAPR을 가지는 OFDM 신호는 고출력 선형증폭기의 효율을 낮추고, 고출력 증폭기의 동작점을 비선형영역에 들어서게 하여 반송파들간의 상호변조왜곡과 스펙트럼 분산을 유발한다. 따라서 OFDM 시스템에서 PAPR을 감소시키기 위한 여러 가지 연구가 진행되고 있다.

OFDM 시스템에서 PAPR을 낮추기 위한 알려진 기술로는 PAPR을 감소시키는 방법으로 클리핑(Clipping), 블럭 부호화(Block Coding), 위상(Phase) 조정 방법이 있다.

상기 클리핑 방법은 신호의 크기가 정해진 값보다 크면 강제로 그 크기를 정해진 값으로 잘라내어 간단하게 PAPR을 감소시킨다. 그러나 비선형 연산으로 인해 대역 내(in-band) 왜곡이 발생하여 비트 에러율(Bit Error Rate: 이하 "BER"이라 함.)이 증가되고 대역 밖(out-band) 클리핑 잡음으로 인하여 인접 채널 간섭이 발생하게 된다.

상기 블럭부호화 방법은 전체 반송파 신호의 PAPR이 낮아지도록 여분의 반송파에 부호화기법을 부가하여 전송한다. 이 기술은 부호화로 인하여 에러를 정정할 수 있을 뿐 아니라 신호의 왜곡없이 PAPR을 감소시킬 수 있다. 그러나 부반송파가 큰 경우 스펙트럼 효율이 매우 나쁘고, 룩업 테이블(look-up table)이나 생성 매트릭스(generation matrix)의 크기가 커져 매우 복잡하고 계산량이 많다.

상기 위상 회전 방법에는 선택적 매핑(Selective Mapping: 이하 "SLM"이라 함)과 부분전송시퀀스(Partial Transmit Sequence: 이하 "PTS"라 함)가 있다. 상기 SLM은 동일한 M개의 데이터 블럭에 통계적으로 독립적인 N 길이의 서로 다른 위상 시퀀스들을 각각 곱하고 그 중 가장 낮은 PAPR을 가지는 결과를 선택하여 전송한다. 이러한 SLM은 M개의 IFFT 과정이 필요로 한 반면 PAPR을 상당히 낮출 수 있고 임의의 반송파 개수에 적용이 가능하다는 장점이 있다.

이에 비하여 상기 PTS는 입력 데이터를 M개의 하부블럭으로 나누어 각각 L-점 IFFT를 수행한 다음 각 하부블럭에 PAPR을 최소화하도록 하는 위상인자를 각각 곱한 후 합산하여 전송한다. 이러한 PTS는 상기 SLM보다 더 큰 PAPR 저감 효과를 가지면서 비선형 왜곡없이 PAPR을 줄이는 가장 효과적이고 유연한 방법이다.

도 1은 통상적인 OFDM 시스템에서 부분전송시퀀스(PTS) 송신기의 블럭 구성도를 나타낸 것이다. 도시한 바와 같이 PTS 송신기(100)는 맵퍼(Mapper)(110)와 직/병렬 변환부(120)와 하부블럭 분할부(130)와 복수개의 역고속푸리에 변환부들(IFFT)(140)(142)(144)(146)과 위상인자 결정부(150)와 복수개의 곱셈기들(160)(162)(164)(166)과 결합부(170)로 구성된다.

상기 도 1을 참조하면, 상기 송신기로부터 전송하고자 하는 정보는 소정 부호율에 의해 부호화하고, 상기 부호화에 의해 출력되는 부호화 비트들이 인터리빙된 후 상기 맵퍼(110)의 입력 데이터 X로 제공된다. 상기 부호화 방식으로는 다양한 방식들이 제안되고 있으나 에러 정정 부호인 터보 부호를 이용하여 부호화하는 방식이 대표적으로 사용된다. 이때, 상기 소정 부호율로는 1/2 및 3/4 등이 있다.

상기 맵퍼(110)는 상기 입력 데이터 X를 정해진 변조방식에 따라 대응하는 변조심볼에 매핑시켜 출력하며, 상기 직/병렬 변환부(120)는 상기 맵퍼(110)에서 순차적으로 출력되는 심볼들을 상기 역고속푸리에 변환부들(140 내지 146)의 입력 탭수(L-점, L-point)에 따라 L개의 병렬 회선들로 출력한다. 상기 하부블럭 분할부(130)는 상기 직/병렬 변환부(120)로부터 병렬로 출력되는 심볼들을 동일한 길이 N을 가지는 M개의 하부블럭들 X⁽¹⁾내지 X^(M)로 분할한다.(L=N×M) 다른 구성예에서 상기 직/병렬 변환부(120)는 제거되고, 상기 하부블럭 분할부(130)는 상기 직/병렬 변환부(120)의 기능을 포함하여 상기 맵퍼(110)에서 순차적으로 출력되는 L개의 심볼들을 입력받아 길이 N을 가지는 M개의 하부블럭들로 분할한다.

상기 하부블럭 분할부(130)에 의한 하부블럭 변환의 예를 도 2 내지 도 4에 나타내었다. 도 2는 인접 하부블럭 분할에 따라 분할된 하부블럭들을 나타낸 것이고, 도 3은 인터리브드 하부블럭 분할에 따라 분할된 하부블럭들을 나타낸 것이며, 도 4는 의사랜덤 하부블럭 분할에 따라 분할된 하부블럭들을 나타낸 것이다. 어느 경우에나 하부블럭들은 다른 하부블럭과 중첩되지 않도록 분할되어야 한다. 상기 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이 상기 하부블럭 분할부(130)에 의해 분할된 하부블럭들 각각은 정해진 위치의 L개의 심볼 이외에 나머지 심볼들이 모두 0으로 대치된 것이다.

상기 역고속푸리에 변환부들(140 내지 146)은 상기 분할된 하부블럭들을 각각 역고속푸리에 변환한 하부블럭들 x⁽¹⁾내지 x^(M)를 출력한다. 상기 위상인자 결정부(150)는 상기 역고속푸리에 변환된 하부블럭들 x⁽¹⁾내지 x^(M)를 입력으로 하여, 합산되었을시에 PAPR을 최소로 할 수 있도록 각 하부블럭들의 위상을 어긋나게 하는 위상인자들내지을 결정한다. 상기 위상인자들 각각은 해당하는 하부블럭에 대응한다. 상기 곱셈기들(160 내지 166)은 상기 역고속푸리에 변환한 하부블럭 x⁽¹⁾내지 x^(M)의 심볼들 각각에 해당하는 위상인자들내지을 각각 곱하여 출력하고 그 출력들은 상기 결합부(170)에 의해 합산되어 OFDM 신호가 된다.

이상에서 설명한 부분전송시퀀스는 서브채널 스펙트럼을 왜곡시키지 않으면서 효과적으로 PAPR을 저감할 수 있고 디지털 변조방식에 관계없이 적용 가능하지만, 수신기에서 정보 데이터를 복원하기 위해서 상기 회전인자에 대한 부가정보가 데이터와 함께 전송되어야 한다는 부담을 가지고 있다. 따라서 OFDM 시스템에서 부분전송시퀀스 방법을 실현하기 위해서 상기 부가정보를 효과적으로 전송하기 위한 방법을 필요로 하게 되었다.

따라서 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 직교주파수변조다중화(OFDM) 방식을 사용하는 무선통신시스템에서 신호의 왜곡없이 첨두전력 대 평균전력 비(PAPR)를 효과적으로 낮추기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 직교주파수변조다중화 방식을 사용하는 무선통신시스템에서 부분전송시퀀스(PTS)를 이용하여 신호의 왜곡없이 첨두전력 대 평균전력 비를 낮추기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 부분전송시퀀스 기법을 이용하여 첨두전력 대 평균전력 비를 감소시킴에 있어서 사용된 회전인자에 대한 부가정보를 전송하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 부분전송시퀀스 기법을 이용하여 첨두전력 대 평균전력 비를 감소시킴에 있어서 사용된 회전인자에 대한 부가정보를 수신하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 부분전송시퀀스 기법을 이용하여 첨두전력 대 평균전력 비를 감소시킴에 있어서 사용된 회전인자에 대한 부가정보를 수신하여 정보 데이터를 복원하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

도 1은 통상적인 OFDM 시스템에서 부분전송시퀀스(PTS) 송신기의 블럭 구성도.

도 2는 L = 12, M = 4인 경우, 데이터의 인접 하부블럭 분할의 예.

도 3은 L = 12, M = 4인 경우, 데이터의 인터리브드 하부블럭 분할의 예.

도 4는 L = 12, M = 4인 경우, 데이터의 의사랜덤 하부블럭 분할의 예.

도 5는 본 발명에 따라 부가정보를 전송하는 부분전송시퀀스(PTS) 송신기의 블럭 구성도.

도 6은 L = 16, M = 4인 경우, 데이터와 기준심볼의 인접 하부블럭 분할의 예.

도 7은 L = 16, M = 4인 경우, 데이터와 기준심볼의 인터리브드 하부블럭 분할의 예.

도 8은 L = 16, M = 4인 경우, 데이터와 기준심볼의 의사램덤 하부블럭 분할의 예.

도 9는 본 발명에 따라 부가정보를 수신하는 부분전송시퀀스(PTS) 수신기의 블럭 구성도.

도 10은 본 발명에 따른 PTS 시스템과 기존 PTS 시스템의 PAPR 저감 성능 비교.

도 11은 본 발명에 따른 PTS 시스템에서 하부블럭 분할에 따른 PAPR 저감 성능 비교.

도 12는 부가정보 에러에 따른 PTS 시스템의 비트 에러율 성능 비교.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 도면상에 표시된 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호로 나타내었으며, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

후술될 본 발명의 실시예에 대한 상세한 설명에서는 직교주파수분할다중화(OFDM) 방식의 무선통신시스템에서 원 신호를 유지하면서 첨두전력 대 평균전력 비(PARR)를 감소시키기 위한 장치 및 방법에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다. 즉, 본 발명은 PTS 방식이 적용된 OFDM 수신 시스템에서 정확한 데이터를 복원하기 위해서 회전인자(rotation factors)에 대한 부가정보를 전송하고 수신하는 장치 및 방법에 대한 것이다. 보다 상세히 설명하면, 상기 회전인자에 대한 부가정보는 데이터와 함께 전송되는 기준심볼(reference symbol)의 위상에 실려 전송된다.

한편 후술될 본 발명의 상세한 설명에서는 OFDM 변조, IFFT, FFT, 스펙트럼 효율, 비트 에러율 등과 같은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 위해 사용되고 있다. 이들 특정 상세들 없이 또한 이들의 변형에 의해서도 본 발명이 용이하게 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 OFDM 시스템에서 부분전송시퀀스(PTS) 송신기의 블럭 구성도를 나타낸 것이다. 상기 도 5에서 보는 바와 같이 PTS 송신기(200)는 맵퍼(210)와 직/병렬 변환부(220)와 하부블럭 분할부(230)와 복수개의 역고속푸리에 변환부들(IFFT)(240)(242)(244)(246)과 위상인자 결정부(250)와 복수개의 곱셈기들(260)(262)(264)(266)과 결합부(270)와, 추가적으로 기준심볼 삽입부(280)를 더 포함하여 구성된다.

상기 송신기로부터 전송하고자 하는 정보는 소정 부호율에 의해 부호화하고, 상기 부호화에 의해 출력되는 부호화 비트들이 인터리빙된 후 상기 맵퍼(210)의 입력 데이터 D로 제공된다. 상기 부호화 방식으로는 다양한 방식들이 제안되고 있으나 에러 정정 부호인 터보 부호를 이용하여 부호화하는 방식이 대표적으로 사용된다. 이때, 상기 소정 부호율로는 1/2 및 3/4 등이 있다.

상기 맵퍼(210)는 상기 입력 데이터 D를 정해진 변조방식에 따라 대응하는 변조심볼에 매핑시켜 출력하며, 상기 직/병렬 변환부(220)는 상기 맵퍼(110)에서 순차적으로 출력되는 심볼들을 병렬 변환하여 출력한다. 여기서 상기 직/병렬 변환부(220)의 출력은 상기 역고속푸리에 변환부들(240 내지 246)의 입력 탭수 L보다 적다. 이는 상기 직/병렬 변환부(220)의 출력에는 기준심볼들이 부가되어야 하기 때문이다. 기준심볼들은 매 하부블럭마다 1개씩 삽입되므로, 상기 직/병렬 변환부(220)의 출력인 병렬 회선들의 개수는 상기 입력 탭수 L보다 하부블럭의 개수 M만큼 적어야 한다.(즉 L-M)

그러면 상기 하부블럭 분할부(230)는 상기 직/병렬 변환부(220)로부터 병렬로 출력되는 심볼들을 동일한 길이 N을 가지는 M개의 하부블럭들 D⁽¹⁾내지 D^(M)로 분할한다. 이미 언급한 바와 같이 상기 하부블럭 분할부(230)에 의해 분할된 하부블럭들 각각은 정해진 위치의 N개의 심볼 이외에 나머지 심볼들이 모두 0으로 대치된 것이다. 다른 구성예에서 상기 직/병렬 변환부(220)는 제거되고, 상기 하부블럭 분할부(230)는 상기 직/병렬 변환부(220)의 기능을 포함하여 상기 맵퍼(210)에서 순차적으로 출력되는 L개의 심볼들을 입력받아 길이 N을 가지는 M개의 하부블럭들로 분할한다.

상기 기준심볼 삽입부(280)는 상기 하부블럭들 D⁽¹⁾내지 D^(M)각각마다 정해진 위치에 크기 1과 위상 0°을 가지는 기준심볼들을 삽입한 새로운 하부불럭들 X⁽¹⁾내지 X^(M)를 출력한다. 상기 새로운 하부블럭들 X⁽¹⁾내지 X^(M)각각은 상기 하부블럭들 D⁽¹⁾내지 D^(M)각각에 비하여 1개 더 많은 심볼들을 가지게 된다. 여기서 상기 하부블럭들 D⁽¹⁾내지 D^(M)에 삽입되는 상기 기준심볼들의 위상들은 모두 0°으로 설정된다. 이는 수신측에서 수신한 기준심볼들의 위상들로부터 하부블럭들의 위상인자를 알아낼 수 있도록 하기 위한 것이다.

다른 바람직한 실시예로서 상기 기준심볼들의 위상들은 0°과 180°로 교번되게 설정되거나 또는 0°, 90°, 180°, 270°로 순차적으로 설정될 수 있다. 또다른 바람직한 실시예로서 상기 기준심볼들의 위상들은 상보 시퀀스(complementary sequence)로 설정되거나 또는 왈시 시퀀스(Walsh Sequence)로 설정될 수 있다.

상기 하부블럭 분할부(230)에 의한 하부블럭 변환의 예에 따라 기준심볼들이 추가된 예를 도 6 내지 도 8에 나타내었다. 여기서 흰 원은 데이터 심볼을 나타내며 검은 원은 기준심볼을 나타낸다.

상기 도 6 내지 도 8은 입력 탭수가 16인 역고속푸리에 변환과 길이 3을 가지는 4개의 하부블럭들을 가정한 것이다.(L=16, N=3, M=4) 도 6은 인접 하부블럭 분할에 따라 분할된 하부블럭들을 나타내었고, 도 7은 인터리브드 하부블럭 분할에 따라 분할된 하부블럭들을 나타내었으며, 도 8은 의사랜덤 하부블럭 분할에 따라 분할된 하부블럭들을 나타내었다. 어느 경우에나 하부블럭들은 다른 하부블럭과 중첩되지 않도록 분할되어 있으며, 기준심볼들은 하부블럭 분할의 방식과 관계없이 동일한 위치에 삽입되었다. 이는 수신기에서 상기 기준심볼들이 삽입되는 위치를 미리 알고 있으며 상기 기준심볼들의 위상이 회전한 정도에 따라 각 하부블럭별 위상인자들을 결정하기 때문이다.

그러면 상기 역고속푸리에 변환부들(240 내지 246)은 상기 기준심볼들이 삽입된 하부블럭들을 역고속푸리에 변환한 하부블럭들 x⁽¹⁾내지 x^(M)를 출력한다. 상기 위상인자 결정부(250)는 상기 역고속푸리에 변환된 하부블럭들 x⁽¹⁾내지 x^(M)를 입력으로 하여, 합산되었을시에 PAPR을 최소로 할 수 있도록 각 하부블럭들의 위상을 어긋나게 하는 각 하부블럭의 위상인자들내지을 결정한다. 여기서 상기 위상인자들은 {±1} 또는 {±1, ±j}를 이용한다.

상기 곱셈기들(260 내지 266)은 상기 역고속푸리에 변환된 하부블럭 x⁽¹⁾내지 x^(M)에 상기 위상인자들내지을 각각 곱하여 출력하고 그 출력들은 상기 결합부(270)에 의해 합산되어 OFDM 신호가 된다.

이하 본 발명에 따른 동작을 수학식을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 하기의 <수학식 1>은 M개의 하부블럭들 D⁽¹⁾내지 D^(M)로 분할되는 입력 데이터 D와, 상기 하부블럭들에 각각 삽입되는 기준심볼들 R(R⁽¹⁾내지 R^(M))을 나타낸 것이다.

여기서 D는 데이터이고, R은 기준심볼이다. 상기 데이터 D는 도 6 내지 도 8에 나타낸 인접, 인터리브드 또는 의사잡음 하부블럭 분할 중 선택된 하나의 분할방법에 따라 동일한 크기를 가지는 복수의 하부 블럭들 D⁽¹⁾내지 D^(M)로 분할된다.

상기 데이터 D와 상기 기준심볼 R들로 구성되는 하부블럭은 하기의 <수학식 2>와 같이 표현할 수 있다.

위상인자 결정부(250)는 PAPR을 최소화하기 위하여 상기 분할된 M개의 하부블럭들에 곱하게 될 적절한 위상인자들을 결정한다. 여기서 상기 하부블럭들에 곱해지는 위상인자들을 b라고 하면, 역고속푸리에 변환부(240)의 입력는 하기의 <수학식 3>과 같이 표현된다.

여기서는 하부블럭들에 곱해지는 위상인자들(phase factors)이고, 이는 단순한 회전으로 가정한다. 상기 <수학식 3>으로 표현된 입력은 역고속푸리에 변환부(240)에 의해 시간영역으로 변환되어 하기의 <수학식 4>와 같게 된다.

여기서 상기 벡터는 부분전송시퀀스(partial transmit sequence)를 의미한다.

상기의 PAPR이 최소가 되도록 하는 위상인자 b는 하기의 <수학식 5>와 같이 선택된다.

여기서 상기 L은 역고속푸리에 변환부의 입력 탭수이자 부반송파들의 개수이고 상기 l은 상기 부반송파들을 식별하는 인덱스이다. 상기의 <수학식 5>는 하부블럭들과 위상인자들의 곱들 중 최대의 값을 가장 작게 하는 위상인자들의 조합을 선택한다. 상기 위상인자들(phase factors)의 조합을 회전인자(rotation factor)라 한다. 상기 회전인자에 의하여 최적화된 전송신호는 하기의 <수학식 6>과 같다.

도 9는 본 발명에 따른 OFDM 시스템에서 부분전송시퀀스(PTS) 수신기의 블럭구성도를 나타낸 것이다. 상기 도 9에서 보는 바와 같이 PTS 수신기(300)는 직/병렬 변환부(310)와 고속푸리에 변환부(FFT)(320)와 하부블럭 분할부(330)와 복수개의 기준심볼 검출부들(340)(342)(344)과 복수개의 역위상 회전부들(350)(352) (354)과 복수개의 기준심볼 제거부들(360)(362)(364)과 결합부(370)와 병/직렬 변환부(380)와 디맵퍼(390)로 구성된다.

복수개의 반송파들에 실려 수신된 무선주파수(Radio Frequency: RF) 신호들은 기저대역의 디지털 신호로 변환된 후 동기 및 잡음 제거를 위한 소정의 신호처리 절차를 거쳐 상기 직/병렬 변환부(310)에 수신 신호 y로 제공된다.

상기 직/병렬 변환부(310)는 상기 수신 신호 y를 심볼 단위로 병렬 변환하여 상기 고속푸리에 변환부(320)의 입력 탭수(L-점)에 따라 L개의 병렬 회선들로 출력한다. 상기 고속푸리에 변환부(320)는 상기 직/병렬 변환부(310)로부터 병렬로 출력되는 신호를 L-점 고속푸리에 변환한 심볼들을 출력한다. 그러면 상기 하부블럭 분할부(330)는 상기 고속푸리에 변환부(320)로부터 출력되는 L개의 심볼들을 동일한 길이를 가지는 M개의 하부블럭들로 분할하여 상기 분할돤 하부블럭들을 상기 기준심볼 검출부들(340 내지 344)로 전달한다.

상기 기준심볼 검출부들(340 내지 344) 각각은 상기 하부블럭 분할부(330)로부터 입력된 하부블럭에서 기준심볼을 검출한다. 상기 기준심볼은 송신기에 의해 크기 1과 위상 0°를 가지도록 삽입된 것이므로 상기 검출된 기준심볼의 위상은 해당하는 하부블럭을 구성하는 심볼들의 위상변화, 즉 위상인자가 된다.

상기 역위상 회전부들(350 내지 354)은 상기 하부블럭 분할부(330)로부터 입력된 하부블럭들을, 상기 기준심볼 검출부들(340 내지 344)에 의해 검출된 기준심볼들의 위상 변화량만큼 위상 역회전시킨다. 상기 기준심볼 제거부들(360 내지 364)은 상기 역위상 회전부들(350 내지 354)의 출력에서 하부블럭별로 기준심볼을 제거하며 상기 결합부(370)는 상기 기준심볼 제거부들(360 내지 364)의 출력들을 심볼 단위로 결합하여 출력한다. 상기 결합부(370)의 출력은 상기 병/직렬 변환부(380)에 의하여 직렬로 변환된 후 상기 디매퍼(390)에 의하여 해당하는 변조방식에 따라 데이터로 복원된다.

도 9의 송신기 구성을 참조하여, PTS 수신기에서 부가정보를 추출 및 데이터를 복원하는 과정은 상세히 설명하면 다음과 같다.

무선 채널에서 수신된 신호 y는 하기의 <수학식 7>과 같이 표현된다.

여기서 상기는 송신된 신호이고 상기는 잡음이다. 상기 수신된 신호 y를 고속푸리에 변환(FFT)하면 하기의 <수학식 8>과 같다.

여기서 상기 x^(m)는 송신된 신호을 구성하는 m번째 하부블럭이고 상기는 상기 m번째 하부블럭에 적용된 m번째 위상인자이며 상기 N은 고속푸리에 변환된 잡음이다. 상기에 나타낸 바와 같이 고속푸리에 변환된 x^(m)를 X^(m)로 나타내면 이는 기준심볼 R^(m)과 실제 데이터 D^(m)로 구분될 수 있다. 따라서 상기 수신된 신호는 데이터와 기준심볼과 잡음 N으로 구분된다. 송신기에서 삽입된 기준심볼은와 같은 특징을 가지므로 상기 기준심볼은 하기의 <수학식9>와 같이 나타낼 수 있다.

따라서로서 상기 수신된 신호에 포함된 기준심볼의 위상은 위상인자(rotation factor), 즉 부가정보를 나타낸다.

하기의 <수학식 10>은 데이터를 복원하기 위하여 상기 수신된 신호에 상기 수신된 기준심볼의 위상을 인버스(inverse)하여 곱한다. 여기서 *은 위상의 역회전을 나타낸다.

상기 <수학식 10>의 결과에서 두 번째 항의 기준심볼을 제외하면 수신신호는 하기의 <수학식 11>과 같다.

여기서 잡음을 무시한다고 하면 데이터는 정확히 복원된다.

이하 OFDM 시스템에서 PAPR을 감소시키기 위하여 PTS 방식을 사용하는 경우 상기 PTS에 대한 부가정보의 정확한 송수신이 시스템에 미치는 영향에 대하여 설명한다.

먼저 부가정보 에러가 발생할 경우 전체 시스템의 비트 에러 확률(Bit Error Rate: BER)은 하기의 <수학식 12>와 같다.

상기 P_b는 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 채널에서 QPSK 변조시의 비트 에러 확률을 나타내며 하기의 <수학식 13>과 같이 표현된다.

또한 상기 P_b|False는 부가정보가 잘못된 조건에서의 조건부 비트 에러 확률이며 하기의 <수학식 14>와 같이 표현된다.

여기서 상기 Q( )는 알려진 Q 함수이며, 상기는 수신된 신호의 분산으로서 상기 수신된 신호의 비트 에너지 E_b에 의하여으로 표현되고, 상기은 부가정보 에러가 발생된 경우 잡음의 분산으로서으로 표현된다.

도 10은 PTS 방식을 사용하지 않는 통상의 OFDM 시스템과, 통상의 PTS 방식을 사용하는 OFDM 시스템과, 본 발명에 따라 부가정보(Side Information: SI)를 전송하는 PTS 방식을 사용하는 OFDM 시스템에서 PAPR의 CCDF(Complementary Cumulative Distribution Function)를 비교한 것이다. 여기서 상기 CCDF는 첨두전력 대 평균전력(PAP)이 소정의 임계값(PAP₀)보다 클 확률을 의미한다. 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 OFDM 시스템은 종전의 PTS 방식의 OFDM과 동일한 PAPR 저감 성능을 보인다.

도 11은 인접, 인터리브드, 의사잡음 하부블럭 분할 방법을 사용하는 OFDM시스템에서 PAPR의 CCDF를 비교한 것이다. 도시된 바와 같이, PAPR 저감 성능에서 의사잡음 하부블럭 분할 방법이 가장 우수하고 인접 하부블럭 분할 방법이 가장 열악하다. 본 발명에서의 인터리브드 하부블럭분할 방법은 데이터만을 인터리브드 방법으로 분할하고 여기에 기준심볼을 삽입하는 형태이다. 즉, 데이터만을 인터리브드 하부블럭분할하는 것이다. 이에 따른 PAPR 저감 성능은 인접하부블럭 방법보다 우수하다.

도 12는 상기 <수학식 12>의 수치해석 결과와 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 12에서인 경우에는 에러 플로어(error floor)가 나타난다. 반면인 경우 부가정보 에러에 의한 성능 저하에는 크지 않다. 또한인 경우의 비트 에러율은 AWGN에서 QPSK의 에러 확률과 같다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.

상기와 같이 본 발명은 직교주파수분할다중화(OFDM) 무선통신시스템에서 다중 반송파 사용으로 인한 가장 큰 단점인 높은 PAPR을 효율적으로 줄이기 위한 PTS 방법에 적용되며, PTS 관련 부가정보를 전송함으로써 수신단에서 정보 데이터를 정확히 복원하는 효과를 갖는다. 본 발명에서 제안하고 있는 부가정보 송수신 장치 및 방법은 변조 방식의 종류에 관계없이 적용 가능하며, 간단한 구조로서 구현할 수 있을 뿐만 아니라 PAPR 저감 성능도 유지할 수 있다. 더욱이, 본 발명에서의 기준심볼을 이용한 부가정보 전송 방법은 실시간으로 전송 가능하여 초고속 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 무선통신 시스템에 이용할 수 있다.

Claims

첨두전력 대 평균전력 비(Peak to Average Power Ratio: PAPR)를 감소시키기 위하여 부분전송시퀀스(Partial Transmit Sequence: PTS) 방식을 사용하는 직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 시스템에서 상기 부분전송시퀀스에 관련된 부가정보를 송신하는 장치에 있어서,

입력 심볼 데이터를 복수개의 하부블럭들로 분할하는 하부블럭 분할부와,

상기 분할된 하부블럭들에 기준심볼을 각각 삽입하는 기준심볼 삽입부과,

상기 기준심볼이 삽입된 하부블럭들을 각각 역고속푸리에 변환하는 복수개의 역고속푸리에 변환부들과,

상기 역고속푸리에 변환부들의 출력들에 PAPR을 최소화하도록 결정된 위상인자들을 하부블럭별로 곱하는 상기 복수개의 곱셈기들과,

상기 복수개의 곱셈기들의 출력들을 결합하여 송신하는 결합부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 기준심볼은, 위상 0°을 가지는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 기준심볼은, 하부블럭별로 위상 0°와 180°를 교번되게 가지는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 기준심볼은, 하부블럭별로 위상 0°, 90°, 180°, 270°를 순차적으로 가지는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 기준심볼은, 하부블럭별로 상보 시퀀스 위상을 가지는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 기준심볼은, 하부블럭별로 왈시 시퀀스 위상을 가지는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 역고속푸리에 변환부들의 출력들을 입력으로 하고 상기 결합부의 출력의 PAPR을 최소화하는 위상인자들을 결정하여 상기 복수개의 곱셈기들로 제공하는 위상인자 결정부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
첨두전력 대 평균전력 비(PAPR)를 감소시키기 위하여 부분전송시퀀스(PTS) 방식을 사용하는 직교주파수분할다중화(OFDM) 시스템에서 상기 부분전송시퀀스에 관련된 부가정보를 수신하는 장치에 있어서,

수신된 신호를 고속푸리에 변환하는 고속푸리에 변환부와,

상기 고속푸리에 변환부의 출력을 복수개의 하부블럭들로 분할하는 하부블럭 분할부와,

상기 분할된 하부블럭들에서 송신기에 의해 삽입된 기준심볼들을 검출하는 복수개의 기준심볼 검출부들과,

상기 검출된 기준심볼들에 따라 상기 분할된 하부블럭들을 위상 회전시키는 복수개의 역위상 회전부들과,

상기 복수개의 역위상 회전부들의 출력들로부터 상기 기준심볼들을 제거하는 복수개의 기준심볼 제거부들과,

상기 복수개의 기준심볼 제거부들의 출력들을 결합하는 결합부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 복수개의 역위상 회전부들은,

상기 검출된 기준심볼들의 위상들에 따라 그 역위상만큼 상기 분할된 하부블럭들을 위상 회전시키는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
첨두전력 대 평균전력 비(PAPR)를 감소시키기 위하여 부분전송시퀀스(PTS) 방식을 사용하는 직교주파수분할다중화(OFDM) 시스템에서 상기 부분전송시퀀스에 관련된 부가정보를 송신하는 방법에 있어서,

입력 심볼 데이터를 복수개의 하부블럭들로 분할하는 과정과,

상기 분할된 하부블럭들에 기준심볼을 각각 삽입하는 과정과,

상기 기준심볼이 삽입된 하부블럭들을 각각 역고속푸리에 변환하는 복수개의 역고속푸리에 변환부들과,

상기 역고속푸리에 변환된 하부블럭들에 PAPR을 최소화하도록 결정된 위상인자들을 하부블럭별로 곱하는 과정과,

상기 위상인자들이 곱해진 하부블럭들을 결합하여 송신하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 역고속푸리에 변환된 하부블럭들을 입력으로 하여 PAPR을 최소화하는 위상인자들을 결정하는 과정을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
첨두전력 대 평균전력 비(PAPR)를 감소시키기 위하여 부분전송시퀀스(PTS) 방식을 사용하는 직교주파수분할다중화(OFDM) 시스템에서 상기 부분전송시퀀스에 관련된 부가정보를 수신하는 장치에 있어서,

수신된 신호를 고속푸리에 변환하는 과정과,

상기 고속푸리에 변환된 신호를 복수개의 하부블럭들로 분할하는 과정과,

상기 분할된 하부블럭들에서 송신기에 의해 삽입된 기준심볼들을 검출하는 과정과,

상기 검출된 기준심볼들에 따라 상기 분할된 하부블럭들을 위상 회전시키는 과정과,

상기 위상 회전된 하부블럭들로부터 상기 기준심볼들을 제거하는 과정과,

상기 기준심볼들이 제거된 하부블럭들을 결합하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 위상 회전시키는 과정은,

상기 검출된 기준심볼들의 역위상에 따라 상기 분할된 하부블럭들을 위상 회전시키는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
첨두전력 대 평균전력 비(PAPR)를 감소시키기 위하여 부분전송시퀀스(PTS) 방식을 사용하는 직교주파수분할다중화(OFDM) 시스템에서 상기 부분전송시퀀스에 관련된 부가정보를 송신하는 방법에 있어서,

입력 데이터를 복수개의 하부블럭들로 분할하고 상기 분할된 하부블럭들의 위상들을 각각 회전시켜 전송하는 과정과,

상기 분할된 하부블럭들에 기준심볼을 각각 삽입하는 과정과,

상기 기준심볼의 위상에 상기 하부블럭들의 위상 회전에 관련된 부가정보를 실어 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 부분전송시퀀스에 관련된 부가정보는,

상기 분할된 하부블럭들의 위상 회전 정보인 것을 특징으로 하는 상기 방법.