KR20050005993A - 직교 주파수 분할 다중 방식을 사용하는 이동 통신시스템에서 적응적 변조 및 코딩 방식 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전체 주파수 대역을 다수의 서브 주파수 대역들로 분할하고, 상기 서브 주파수 대역들에서 기준 신호들을 송신하고, 상기 기준 신호들이 송신되는 서브 주파수 대역들 이외의 서브 주파수 대역들에서 데이터 신호들을 송신하는 이동 통신 시스템에서, 송신기는 상기 데이터 신호들을 미리 설정되어 있는 변조 및 코딩 방식으로 변조 및 코딩하고, 상기 변조 및 코딩된 데이터 신호들에 상기 기준 신호들을 삽입한 후 역고속 푸리에 변환하여 수신기로 송신한다. 상기 수신기는 상기 송신기에서 송신한 신호를 고속 푸리에 변환하여 상기 기준 신호들과 데이터 신호들로 변환하고, 상기 고속 푸리에 변환된 기준 신호들 및 데이터 신호들을 상기 전체 주파수 대역이 분할된 다수의 서브 대역별로 분류하여 상기 서브 대역들 각각에 대해서 채널 품질 정보들을 결정한 후 상기 결정한 채널 품질 정보들을 상기 송신기로 피드백한다. 그러면, 상기 송신기는 상기 수신기로부터 피드백되는 채널 품질 정보들에 상응하게 상기 변조 및 코딩 방식을 제어한다.

Description

직교 주파수 분할 다중 방식을 사용하는 이동 통신 시스템에서 적응적 변조 및 코딩 방식 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING ADAPTIVE MODULATION AND CODING SCHEME IN A MOBILE COMMUNICATION SYSTEM USING ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING SCHEME}
본 발명은 직교 주파수 분할 다중 방식을 사용하는 이동 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 서브 대역별로 피드백되는 채널 품질 정보를 사용하여 적응적으로 변조 및 코딩 방식을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
1970년대 말 미국에서 셀룰라(cellular) 방식의 무선 이동 통신 시스템(Mobile Telecommunication System)이 개발된 이래 국내에서는 아날로그 방식의 1세대(1G: 1st Generation) 이동 통신 시스템이라고 할 수 있는 AMPS(Advanced Mobile Phone Service) 방식으로 음성 통신 서비스를 제공하기 시작하였다. 이후, 1990년대 중반 2세대(2G: 2nd Generation) 이동 통신 시스템으로서 코드 분할 다중 접속(CDMA: Code Division Multiple Access, 이하 "CDMA"라 칭하기로 한다) 방식의 시스템을 상용화하여 음성 및 저속 데이터 서비스를 제공하였다.
또한, 1990년대 말부터 향상된 무선 멀티미디어 서비스, 범 세계적 로밍(roaming), 고속 데이터 서비스 등을 목표로 시작된 3세대(3G: 3rd Generation) 이동 통신 시스템인 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000)은 현재 일부 상용화되어 서비스가 운영되고 있다. 특히, 상기 3세대 이동 통신 시스템은 이동 통신 시스템에서 서비스하는 데이터량이 급속하게 증가함에 따라 보다 고속의 데이터를 전송하기 위해 개발되었다. 즉, 상기 3세대 이동 통신 시스템은 패킷 서비스 통신 시스템(packet service communication system) 형태로 발전하고 왔으며, 패킷 서비스 통신 시스템은 버스트(burst)한 패킷 데이터(packet data)를 다수의 이동국들로 전송하는 시스템으로서, 대용량 데이터 전송에 적합하도록 설계되고 있다.
결국, 패킷 서비스 통신 시스템은 고속 패킷 서비스를 위해 발전해나가고 있다. 일 예로, 현재 3세대 비동기 방식 이동 통신 시스템의 표준 단체인 3GPP(3rd Generation Partnership Project)에서 표준화를 진행하고 있는 고속 순방향 패킷 접속(HSDPA: High Speed Downlink Packet Access, 이하 "HSDPA"라 칭하기로 한다) 방식은 고속 패킷 데이터 전송을 지원하기 위해서 적응적 변조 및 코딩(AMC: Adaptive Modulation and Coding, 이하 "AMC"라 칭하기로 한다) 방식과, 복합 재전송(HARQ: Hybrid Automatic Retransmission Request, 이하 "HARQ"라 칭하기로 한다) 방식 및 빠른 셀 선택(FCS: Fast Cell Select, 이하 "FCS"라 칭하기로 한다) 방식 등을 새롭게 도입하였다.
여기서는, 상기 고속 패킷 서비스를 위한 방식들중 특히 상기 AMC 방식에 대해서 설명하기로 한다.
상기 AMC 방식은 셀(cell), 즉 기지국과 이동국 사이의 채널 상태에 따라 서로 다른 채널 변조 방식과 코딩 방식을 결정해서, 상기 셀 전체의 사용 효율을 향상시키는 데이터 전송 방식을 말한다. 상기 AMC 방식은 복수개의 변조 방식들과 복수개의 코딩 방식들을 가지며, 상기 변조 방식들과 코딩 방식들을 조합하여 채널 신호를 변조 및 코딩한다. 통상적으로 상기 변조 방식들과 코딩 방식들의 조합들 각각을 변조 및 코딩 방식(MCS ; Modulation and Coding Scheme, 이하 "MCS"라 칭하기로 한다)이라고 하며, 상기 MCS들의 수에 따라 레벨(level) 1에서 레벨(level)N까지 복수개의 MCS들을 정의할 수 있다. 즉, 상기 AMC 방식은 상기 MCS의 레벨을 상기 이동국과 현재 무선 접속되어 있는 기지국 사이의 채널 상태에 따라 적응적으로 결정하여 상기 기지국 전체 시스템 효율을 향상시키는 방식이다. 또한, 상기 AMC 방식과, HARQ 방식 및 FCS 방식은 상기 HSDPA 방식에서 뿐만 아니라 고속 데이터 전송을 위한 모든 방식들에서 사용될 수 있음은 물론이다.
한편, 현재는 3세대 이동 통신 시스템에서 4세대(4G: 4th Generation) 이동 통신 시스템으로 발전해나가고 있는 상태이다. 상기 4세대 이동 통신 시스템은 이전 세대의 이동 통신 시스템들과 같이 단순한 무선 통신 서비스에 그치지 않고 유선 통신 네트워크와 무선 통신 네트워크와의 효율적 연동 및 통합 서비스를 목표로 하여 표준화되고 있다. 따라서 무선 통신 네트워크에서 유선 통신 네트워크의 용량(capacity)에 근접하는 대용량 데이터를 전송할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
그래서, 상기 4세대 이동 통신 시스템에서는 유·무선 채널에서 고속데이터 전송에 유용한 방식으로 직교 주파수 분할 다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 "OFDM"이라 칭하기로 한다) 방식을 활발하게 연구하고 있으며, 상기 OFDM 방식은 멀티-캐리어(Multi-Carrier)를 사용하여 데이터를 전송하는 방식으로서, 직렬로 입력되는 심벌(Symbol)열을 병렬 변환하여 이들 각각을 상호 직교성을 갖는 다수의 서브 캐리어(sub-carrier)들, 즉 다수의 서브 캐리어 채널(sub-carrier channel)들로 변조하여 전송하는 멀티캐리어 변조(MCM : Multi Carrier Modulation) 방식의 일종이다.
이와 같은 멀티캐리어 변조 방식을 적용하는 시스템은 1950년대 후반 군용 HF radio에 처음 적용되었으며, 다수의 직교하는 서브 캐리어를 중첩시키는 OFDM 방식은 1970년대부터 발전하기 시작하였으나, 멀티 캐리어들간의 직교 변조의 구현이 난이한 문제였었기 때문에 실제 시스템 적용에 한계가 있었다. 그러나 1971년 Weinstein 등이 상기 OFDM 방식을 사용하는 변복조는 DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용하여 효율적으로 처리가 가능함을 발표하면서 OFDM 방식에 대한 기술개발이 급속히 발전했다. 또한 보호구간(guard interval)을 사용과 cyclic prefix 보호구간 삽입 방식이 알려지면서 다중경로 및 지연 확산(delay spread)에 대한 시스템의 부정적 영향을 더욱 감소시키게 되었다. 그래서, 이런 OFDM 방식은 디지털 오디오 방송(Digital Audio Broadcasting: DAB)과 디지털 텔레비젼, 무선 근거리 통신망(WLAN: Wireless Local Area Network) 그리고 무선 비동기 전송 모드(WATM: Wireless Asynchronous Transfer Mode) 등의 디지털 전송 기술에 광범위하게 적용되어지고 있다. 즉, 하드웨어적인 복잡도(Complexity)로 인하여 널리 사용되지 못하다가 최근 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform， 이하 "FFT"라 칭하기로 한다)과 역 고속 푸리에 변환(IFFT: Inverse Fast Fourier Transform, 이하 "IFFT"라 칭하기로 한다)을 포함한 각종 디지털 신호 처리 기술이 발전함으로써 실현 가능해 졌다. 상기 OFDM 방식은 종래의 주파수 분할 다중(FDM: Frequency Division Multiplexing) 방식과 비슷하나 무엇보다도 다수개의 서브 캐리어들간의 직교성(Orthogonality)을 유지하여 전송함으로써 고속 데이터 전송시 최적의 전송 효율을 얻을 수 있는 특징을 가지며, 또한 주파수 사용 효율이 좋고다중 경로 페이딩(multi-path fading)에 강한 특성이 있어 고속 데이터 전송시 최적의 전송 효율을 얻을수 있다는 특징을 가진다. 또한, 주파수 스펙트럼을 중첩하여 사용하므로 주파수 사용이 효율적이고, 주파수 선택적 페이딩(frequency selective fading)에 강하고, 다중경로 페이딩에 강하고, 보호구간을 이용하여 심벌간 간섭(ISI: Inter Symbol Interference) 영향을 줄일 수 있으며, 하드웨어적으로 등화기 구조를 간단하게 설계하는 것이 가능하며, 임펄스(impulse)성 잡음에 강하다는 장점을 가지고 있어서 통신시스템 구조에 적극 활용되고 있는 추세에 있다.
그러면 여기서, 도 1을 참조하여 일반적인 OFDM 방식을 사용하는 통신 시스템(이하 "OFDM 통신 시스템"이라 칭하기로 한다) 구조를 설명하기로 한다.
상기 도 1은 일반적인 OFDM 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 도 1을 참조하면, 먼저 상기 OFDM 통신 시스템은 송신기, 즉 기지국 송신기(100)와 수신기, 단말기 수신기(150)로 구성된다.
첫 번째로, 상기 기지국 송신기(100)에 대해서 설명하기로 한다.
상기 기지국 송신기(100)는 CRC(Cyclick Redundancy Check) 삽입기(CRC inserter)(111)와, 인코더(encoder)(113)와, 적응적 변조 및 코딩 방식(AMCS: Adaptive Modulation and Coding Scheme, 이하 "AMCS"라 칭하기로 한다) 제어기(115)와, 심벌 매핑기(symbol mapper)(117)와, 직렬/병렬 변환기(serial to parallel converter)(119)와, 파일럿 심벌 삽입기(pilot symbol inserter)(121)와, 역고속 푸리에 변환(IFFT: Inverse Fast Fourier Transform, 이하 "IFFT"라 칭하기로 한다)기(123)와, 병렬/직렬 변환기(parallel to serial converter)(125)와, 보호 구간 삽입기(guard interval inserter)(127)와, 디지털/아날로그 변환기(digital to analog converter)(129)와, 무선 주파수(RF: Radio Frequency, 이하 "RF"라 칭하기로 한다) 처리기(processor)(131)로 구성된다.
먼저, 전송하고자 하는 사용자 데이터 비트(user data bits) 및 제어 데이터비트(control data bits)가 발생하면, 상기 사용자 데이터 비트 및 제어 데이터 비트는 상기 CRC 삽입기(111)로 입력된다. 여기서, 상기 사용자 데이터 비트 및 제어 데이터 비트를 "정보 데이터 비트(information data bits)"라고 칭하기로 하며, 상기 제어 데이터에는 상기 AMCS 제어기(115)에서 적용하는 변조 및 코딩 방식, 즉 MCS 레벨에 대한 정보가 포함되어 있다. 상기 CRC 삽입기(111)는 상기 정보 데이터 비트를 입력하여 CRC 비트를 삽입한 후 상기 인코더(113)으로 출력한다. 상기 인코더(113)는 상기 CRC 삽입기(111)에서 출력한 신호를 입력하여 상기 AMCS 제어기(115)의 제어에 따라 해당 코딩(coding) 방식으로 코딩한 후 상기 심벌 매핑기(117)로 출력한다. 여기서, 상기 인코더(113)는 상기 CRC 삽입기(111)에서 출력한 신호를 상기 AMCS 제어기(115)의 제어에 따라 해당 코딩 방식, 일 예로 소정 코딩 레이트(coding rate)를 가지는 터보 코딩(turbo coding) 방식 혹은 컨벌루셔널 코딩(convolutional coding) 방식 등으로 코딩한다. 여기서, 상기 AMCS 제어기(115)는 상기 코딩 레이트, 혹은 상기 코딩 방식 자체를 제어하거나 혹은 상기 코딩 레이트 및 코딩 방식 모두를 제어할 수도 있음은 물론이며, 이는 상기 OFDM 통신 시스템에서 시스템 상황에 맞게 결정된다. 그리고, 상기 AMCS제어기(115)는 단말기 송신기(도시하지 않음)로부터 피드백되는 채널 품질 정보(CQI: Channel Quality Information, 이하 "CQI"라 칭하기로 한다)를 가지고 상기 기지국과 단말기간 채널 상태를 판단하게 된다. 여기서, 상기 CQI는 일 예로 신호대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio, 이하 "SNR"이라 칭하기로 한다) 등이 될 수 있다.
상기 심벌 매핑기(117)는 상기 인코더(113)에서 출력한 코딩된 비트(coded bits)를 상기 AMCS 제어기(115)의 제어에 따라 해당 변조 방식으로 변조하여 변조 심벌로 생성하여 상기 직렬/병렬 변환기(119)로 출력한다. 여기서, 상기 변조 방식으로는 일 예로, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 방식 혹은 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 방식 등이 사용될 수 있다. 결국, 상기 AMCS 제어기(115)는 기지국과 단말기간 채널 상태가 비교적 양호할 경우에는 현재 설정되어 있는 변조 방식의 차수보다 더 높은 차수를 가지는 변조 방식으로 변조 방식을 변경하고, 현재 설정되어 있는 코딩 방식, 일 예로 코딩 레이트보다 더 높은 코딩 레이트를 가지는 코딩 방식으로 코딩 방식을 변경한다. 물론, 아무리 채널 상태가 양호하다고 하더라도 현재 설정되어 있는 변조 방식의 차수가 가장 높은 차수일 경우에는 상기 AMCS 제어기(115)는 현재 설정되어 있는 변조 방식을 유지하도록 제어하게 되고, 또한 현재 설정되어 있는 코딩 레이트가 가장 높은 코딩 레이트일 경우 현재 설정되어 있는 코딩 레이트를 유지하도록 제어하게 된다.
이와는 반대로, 상기 AMCS 제어기(115)는 기지국과 단말기간 채널 상태가 비교적 열악할 경우에는 현재 설정되어 있는 변조 방식의 차수보다 더 낮은 차수를가지는 변조 방식으로 변조 방식을 변경하고, 현재 설정되어 있는 코딩 방식, 일 예로 코딩 레이트보다 더 낮은 코딩 레이트를 가지는 코딩 방식으로 코딩 방식을 변경한다. 물론, 아무리 채널 상태가 열악하다고 하더라도 현재 설정되어 있는 변조 방식의 차수가 가장 낮은 차수일 경우에는 상기 AMCS 제어기(115)는 현재 설정되어 있는 변조 방식을 유지하도록 제어하게 되고, 또한 현재 설정되어 있는 코딩 레이트가 가장 낮은 코딩 레이트일 경우 현재 설정되어 있는 코딩 레이트를 유지하도록 제어하게 된다.
상기 직렬/병렬 변환기(119)는 상기 심벌 매핑기(117)에서 출력하는 직렬 변조 심벌들을 입력하여 병렬 변환한 후 상기 파일럿 심벌 삽입기(121)로 출력한다. 상기 파일럿 심벌 삽입기(121)는 상기 직렬/병렬 변환기(119)에서 출력한 병렬 변환된 변조된 심벌들에 파일럿 심벌들을 삽입한 후 상기 IFFT기(123)로 출력한다.
상기 IFFT기(123)는 상기 파일럿 심벌 삽입기(121)에서 출력한 신호를 입력하여 N-포인트(N-point) IFFT를 수행한 후 상기 병렬/직렬 변환기(125)로 출력한다. 상기 병렬/직렬 변환기(125)는 상기 IFFT기(123)에서 출력한 신호를 입력하여 직렬 변환한 후 상기 보호 구간 삽입기(127)로 출력한다. 상기 보호 구간 삽입기(127)는 상기 병렬/직렬 변환기(125)에서 출력한 신호를 입력하여 보호 구간 신호를 삽입한 후 상기 디지털/아날로그 변환기(129)로 출력한다. 여기서, 상기 보호 구간은 상기 OFDM 통신시스템에서 OFDM 심벌을 송신할 때 이전 OFDM 심벌 시간에 송신한 OFDM 심벌과 현재 OFDM 심벌 시간에 송신할 현재 OFDM 심벌간에 간섭(interference)을 간섭을 제거하기 위해서 삽입된다. 또한, 상기 보호 구간은일정 구간의 널(null) 데이터를 삽입하는 형태로 제안되었으나, 상기 보호 구간에 널 데이터를 전송하는 형태는 수신기에서 OFDM 심벌의 시작점을 잘못 추정하는 경우 서브 캐리어들간에 간섭이 발생하여 수신 OFDM 심벌의 오판정 확률이 높아지는 단점이 존재하여 시간 영역의 OFDM 심벌의 마지막 일정 비트들을 복사하여 유효 OFDM 심벌에 삽입하는 형태의 "Cyclic Prefix" 방식이나 혹은 시간 영역의 OFDM 심벌의 처음 일정 비트들을 복사하여 유효 OFDM 심벌에 삽입하는 "Cyclic Postfix" 방식으로 사용하고 있다.
상기 디지털/아날로그 변환기(129)는 상기 보호 구간 삽입기(127)에서 출력한 신호를 입력하여 아날로그 변환한 후 상기 RF 처리기(131)로 출력한다. 여기서, 상기 RF 처리기(131)는 필터(filter)와 전처리기(front end unit) 등의 구성들을 포함하며, 상기 디지털/아날로그 변환기(129)에서 출력한 신호를 실제 에어(air)상에서 전송 가능하도록 RF 처리한 후 송신 안테나(Tx antenna)를 통해 에어(air)상으로 전송한다.
상기에서는 기지국 송신기(100)에 대해서 설명하였으며, 두 번째로, 상기 단말기 수신기(150)에 대해서 설명하기로 한다.
상기 단말기 수신기(150)는 RF 처리기(151)와, 아날로그/디지털 변환기(analog/digital converter)(153)와, 보호 구간 제거기(guard interval remover)(155)와, 직렬/병렬 변환기(157)와, 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform， 이하 "FFT"라 칭하기로 한다)기(159)와, 등화기(equalizer)(161)와, 파일럿 심벌 추출기(pilot symbol extractor)(163)와, 채널 추정기(channelestimator)(165)와, 병렬/직렬 변환기(167)와, 심벌 디매핑기(symbol demapper)(169)와, 디코더(decoder)(171)와, AMCS 제어기(173)와, CRC 제거기(CRC remover)(175)로 구성된다.
먼저, 상기 기지국 송신기(100)에서 송신한 신호는 다중 경로 채널(multipath channel)을 겪고 잡음이 가산된 형태로 상기 단말기 수신기(150)의 수신 안테(Rx antenna)를 통해서 수신된다. 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호는 상기 RF 처리기(151)로 입력되고, 상기 RF 처리기(151)는 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 중간 주파수(IF: Intermediate Frequency) 대역으로 다운 컨버팅(down converting)한 후 상기 아날로그/디지털 변환기(153)로 출력한다. 상기 아날로그/디지털 변환기(153)는 상기 RF 처리기(151)에서 출력한 아날로그 신호를 디지털 변환한 후 상기 보호 구간 제거기(155)로 출력한다. 상기 보호 구간 제거기(155)는 상기 아날로그/디지털 변환기(153)에서 출력한 신호를 입력하여 보호 구간 신호를 제거한 후 상기 직렬/병렬 변환기(157)로 출력한다. 상기 직렬/병렬 변환기(157)는 상기 보호 구간 제거기(155)에서 출력한 직렬 신호를 입력하여 병렬 변환한 후 상기 FFT기(159)로 출력한다. 상기 FFT기(159)는 상기 직렬/병렬 변환기(157)에서 출력한 신호를 N-포인트 FFT를 수행한 후 상기 등화기(161) 및 상기 파일럿 심벌 추출기(163)로 출력한다. 상기 등화기(161)는 상기 FFT기(159)에서 출력한 신호를 입력하여 채널 등화(channel equalization)한 후 상기 병렬/직렬 변환기(167)로 출력한다. 상기 병렬/직렬 변환기(167)는 상기 등화기(161)에서 출력한 병렬 신호를 입력하여 직렬 변환한 후 상기 심벌 디매핑기(169)로 출력한다.
한편, 상기 FFT기(159)에서 출력한 신호는 상기 파일럿 심벌 추출기(163)로 입력되고, 상기 파일럿 심벌 추출기(163)는 상기 FFT기(159)에서 출력한 신호에서 파일럿 심벌들을 검출하고, 상기 검출한 파일럿 심벌들을 상기 채널 추정기(165)로 출력한다. 상기 채널 추정기(165)는 상기 파일럿 심벌 추출기(163)에서 출력한 파일럿 심벌들을 이용하여 채널 추정을 수행하고, 상기 채널 추정 결과를 상기 등화기(161)로 출력한다. 그리고, 상기 단말기 수신기(150)는 상기 채널 추정기(165)의 채널 추정 결과에 상응하는 CQI를 생성하고, 상기 생성된 CQI를 채널 품질 정보 송신기(도시하지 않음)를 통해 상기 기지국 송신기(100)로 송신한다.
상기 심벌 디매핑기(169)는 상기 병렬/직렬 변환기(167)에서 출력한 신호를 상기 AMCS 제어기(173)의 제어에 따라 해당하는 복조 방식으로 복조한 후 상기 디코더(171)로 출력한다. 상기 디코더(171)는 상기 심벌 디매핑기(169)에서 출력한 신호를 상기 AMCS 제어기(173)의 제어에 따라 해당하는 디코딩 방식으로 디코딩한 후 상기 CRC 제어기(175)로 출력한다. 여기서, 상기 AMCS 제어기(173)는 상기 기지국 송신기(100)에서 송신한 제어 데이터중에서 상기 기지국 송신기(100)가 적용한 변조 및 코딩 방식을 검출하여 상기 심벌 디매핑기(169)의 복조 방식 및 상기 디코더(171)의 디코딩 방식을 제어한다. 여기서, 상기 복조 방식 및 디코딩 방식은 상기 기지국 송신기(100)가 적용한 변조 방식 및 코딩 방식과 대응되는 복조 방식 및 디코딩 방식이다. 상기 CRC 제어기(175)는 상기 디코더(171)에서 출력한 신호를 입력하여 CRC 비트를 제거한 후 송신측에서 송신한 정보 데이터 비트로 출력한다.
상기에서 설명한 바와 같이 상기 AMC 방식을 적용하기 위해서는 수신기로부터의 CQI 피드백 절차가 반드시 필요로하게 된다.
그러면 여기서, 도 2를 참조하여 일반적인 OFDM 통신 시스템에서 CQI를 피드백하는 과정을 설명하기로 한다.
상기 도 2는 일반적인 OFDM 통신 시스템의 주파수 영역에서의 파일럿 신호들이 전송되는 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 OFDM 통신 시스템의 OFDM 심벌(symbol)은 다수의 서브 캐리어들, 즉 서브 채널(sub-channel)들로 구성되며, 상기 OFDM 심벌을 구성하는 서브 캐리어들 각각을 통해서는 데이터 혹은 파일럿 신호가 송신된다. 여기서, 상기 OFDM 심벌을 구성하는 서브 캐리어들의 개수는 시스템 상황에 따라 가변적으로 설정 가능함은 물론이다. 상기 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 OFDM 심벌을 구성하는 서브 캐리어들중 미리 설정한 설정 위치의 서브 캐리어들을 통해서는 파일럿 신호가 송신된다. 상기 도 2에서 검은색으로 도시되어 있는 서브 캐리어들이 파일럿 신호가 송신되는 서브 캐리어들이며, 파일럿 신호가 송신되는 서브 캐리어를 "파일럿 서브 캐리어"라고 칭하기로 하며, 데이터가 송신되는 서브 캐리어를 "데이터 서브 캐리어"라고 칭하기로 한다.
한편, 일반적인 OFDM 통신 시스템은 단말기들이 특정 위치에 고정적으로 존재하는 고정 무선 통신 시스템으로서, 상기 고정 무선 통신 시스템 형태의 OFDM 통신 시스템에서 단말기들은 기지국에서 수신되는 모든 서브 캐리어들에 대해서 각각 CQI를 결정하여 상기 기지국으로 피드백한다. 여기서, 상기 CQI로 SNR 등을 사용할 수 있으며, 여기서는 설명의 편의상 상기 CQI로 SNR을 사용한다고 가정하기로한다. 그러면, 상기 도 2를 참조하여 서브 캐리어들 각각에 대한 CQI를 기지국으로 피드백하는 과정을 설명하기로 한다.
상기 도 2를 참조하면, 도시되어 있는 바와 같이 미리 설정한 설정 위치의 파일럿 서브 캐리어들을 통해서만 파일럿 신호가 송신된다. 수신기는 송신기에서 송신하는 파일럿 서브 캐리어들의 위치를 미리 알고 있으며, 상기 파일럿 서브 캐리어들을 통해 송신되는 파일럿 신호 역시 알고 있다. 여기서, 상기 파일럿 신호는 미리 설정되어 있는 시퀀스(sequence)를 가지며, 송신기와 수신기간에 상기 파일럿 신호를 구성하는 시퀀스, 즉 파일럿 시퀀스가 규약되어 있다. 상기 수신기는 상기 파일럿 서브 캐리어를 통해 수신된 신호를 상기 서브 캐리어로 송신된 파일럿 신호로 나누어 상기 파일럿 서브 캐리어에서의 채널 이득을 구하고 이러한 방법으로 구하여진 각 파일럿 서브 캐리어들에서의 채널 이득을 보간(interpolation)하여 상기 파일럿 서브 캐리어들을 제외한 서브 캐리어들, 즉 데이터 서브 캐리어들의 채널 이득의 추정치를 구한다. 그리고, 상기 서브 캐리어들의 채널 이득의 추정값들 각각을 잡음 에너지(noise energy)로 나누어 상기 파일럿 서브 캐리어들의 SNR들을 구한다. 이렇게 구해진 모든 서브 캐리어들의 SNR들, 즉 CQI들은 송신기, 즉 기지국으로 피드백되고, 상기 기지국은 상기 수신기, 즉 단말기로부터 피드백된 서브 캐리어들의 CQI들을 가지고 해당 서브 캐리어들에 대한 변조 방식 및 코딩 방식을 제어한다. 이때, 상기 단말기로 서브 캐리어들이 일단 할당되면 상기 할당된 서브 캐리어들의 채널 상태는 불변한다고 가정하는데, 이는 일반적인 OFDM 통신 시스템이 고정 무선 통신 시스템이기 때문이다.
그러나, 현재 4세대 이동 통신 시스템에서는 상기 OFDM 방식을 이동 무선 통신 시스템에 적용하는 경우를 고려하고 있으며, 따라서 한번 할당된 서브 캐리어들의 채널 상태가 불변한다는 가정은 적합하지 않다. 즉, 단말기에 서브 캐리어들을 할당하면 지속적으로 채널 상태가 변하고, 따라서 단말기는 상기 서브 캐리어들 각각에 대해서 변화하는 CQI를 피드백시켜야만 AMC 방식을 정상적으로 사용할 수 있다. 그러나, 상기 모든 서브 캐리어들에 대해서 CQI를 빈번하게 피드백하는 동작은 시그널링 오버헤드(signalling overhead)를 가져오고, 상기 서브 캐리어들에 대한 CQI를 피드백하는 시그널링은 역방향 간섭(uplink interference)로 작용하게 된다는 문제점이 있다. 그래서, 상기 OFDM 방식을 이동 통신 시스템에서 사용함에 있어 상기 AMC 방식을 효율적으로 사용하기 위한 방안에 대한 필요성이 대두되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 OFDM 이동 통신 시스템에서 채널 상태에 따라 적응적으로 변조 방식 및 코딩 방식을 제어하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 OFDM 이동 통신 시스템에서 적응적 변조 및 코딩 방식을 위해 서브 대역별로 채널 품질 정보를 보고하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제1장치는; 전체 주파수 대역을 다수의 서브 주파수 대역들로 분할하고, 상기 서브 주파수 대역들에서 기준 신호들을 송신하고, 상기 기준 신호들이 송신되는 서브 주파수 대역들 이외의 서브 주파수 대역들에서 데이터 신호들을 송신하는 이동 통신 시스템에서 변조 및 코딩 방식을 제어하는 장치에 있어서, 상기 데이터 신호들이 입력되면 설정되어 있는 코딩 방식으로 인코딩하는 인코더와, 상기 인코딩된 데이터 신호들을 설정되어 있는 변조 방식으로 변조하는 변조기와, 상기 변조된 데이터 신호들에 상기 기준 신호들을 삽입한 후 역고속 푸리에 변환하여 송신하는 송신기와, 상기 송신한 역고속 푸리에 변환된 데이터 신호들과 상기 기준 신호들의 품질 정보들을 상기 전체 주파수 대역이 분할된 다수의 서브 대역들 단위로 피드백받고, 상기 피드백받은 채널 품질 정보들에 상응하게 상기 변조 및 코딩 방식을 제어하는 변조 및 코딩 방식 제어기를 포함함을 특징으로 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제2장치는; 전체 주파수 대역을 다수의 서브 주파수 대역들로 분할하고, 상기 서브 주파수 대역들에서 기준 신호들을 송신하고, 상기 기준 신호들이 송신되는 서브 주파수 대역들 이외의 서브 주파수 대역들에서 데이터 신호들을 송신하는 이동 통신 시스템에서 채널 품질 정보를 송신하는 장치에 있어서, 입력되는 수신 신호를 고속 푸리에 변환하여 상기 기준 신호들과 데이터 신호들로 변환하는 고속 푸리에 변환기와, 상기 기준 신호들 및 데이터 신호들을 상기 전체 주파수 대역이 분할된 다수의 서브 대역들로 분류하고, 상기 서브 대역들 각각에 대해서 채널 품질 정보들을 결정하는 채널 추정기와, 상기 결정된 채널 품질 정보들을 송신측으로 피드백하는 송신기를 포함함을 특징으로 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제1방법은; 전체 주파수 대역을다수의 서브 주파수 대역들로 분할하고, 상기 서브 주파수 대역들에서 기준 신호들을 송신하고, 상기 기준 신호들이 송신되는 서브 주파수 대역들 이외의 서브 주파수 대역들에서 데이터 신호들을 송신하는 이동 통신 시스템에서 변조 및 코딩 방식을 제어하는 방법에 있어서, 상기 데이터 신호들이 입력되면 미리 설정되어 있는 변조 및 코딩 방식으로 상기 데이터 신호들을 변조 및 코딩하고, 상기 변조 및 코딩된 데이터 신호들에 상기 기준 신호들을 삽입한 후 역고속 푸리에 변환하여 송신하는 과정과, 이후 상기 송신한 변조 및 코딩된 데이터 신호들과 기준 신호들의 채널 품질 정보들을 상기 전체 주파수 대역이 분할된 다수의 서브 대역들 단위로 피드백받는 과정과, 상기 피드백받은 채널 품질 정보들에 상응하게 상기 변조 및 코딩 방식을 제어하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제2방법은; 전체 주파수 대역을 다수의 서브 주파수 대역들로 분할하고, 상기 서브 주파수 대역들에서 기준 신호들을 송신하고, 상기 기준 신호들이 송신되는 서브 주파수 대역들 이외의 서브 주파수 대역들에서 데이터 신호들을 송신하는 이동 통신 시스템에서 채널 품질 정보를 송신하는 방법에 있어서, 수신 신호를 고속 푸리에 변환하여 상기 기준 신호들과 데이터 신호들로 변환하는 과정과, 상기 기준 신호들 및 데이터 신호들을 상기 전체 주파수 대역이 분할된 다수의 서브 대역별로 분류하고, 상기 서브 대역들 각각에 대해서 채널 품질 정보들을 결정하는 과정과, 상기 결정된 채널 품질 정보들을 송신측으로 피드백하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 OFDM 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면
도 2는 일반적인 OFDM 통신 시스템의 주파수 영역에서의 파일럿 신호들이 전송되는 위치를 개략적으로 도시한 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 이동 통신 시스템의 주파수 영역에서의 파일럿 신호들이 전송되는 위치를 개략적으로 도시한 도면
도 4는 본 발명의 실시예에서의 기능을 수행하기 위한 OFDM 이동 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 이동 통신 시스템에서 Ricean 채널 모델을 사용하여 프레임 에러 레이트가 0.004가 되는 SNR 평균값 Τ 및 진폭의 정규화 분산 α특성을 도시한 그래프
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 "OFDM"이라 칭하기로 한다) 방식을 사용하는 이동 통신 시스템(이하 "OFDM 이동 통신 시스템"이라 칭하기로 한다)에서 효율적인 적응적 변조 및 코딩(AMC: Adaptive Modulation and Coding, 이하 "AMC"라 칭하기로 한다) 방식을 제안한다. 특히, 본 발명은 OFDM 통신 시스템에서 사용하는 전체 주파수 대역(frequency band)을 다수개의 서브 대역(sub-band)들로 분할하고, 상기 다수개의 서브 대역들 별로 채널 품질 정보(CQI: Channel Quality Information, 이하 "CQI"라 칭하기로 한다)를 보고한다. 따라서, 본 발명은 상기 CQI 보고를 위한 시그널링 부하(signalling load)를 최소화시키면서도 상기 AMC 방식을 효율적으로 운용하도록 한다.
그러면 여기서, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 이동 통신 시스템에서 CQI를 피드백(feedback)하는 과정을 설명하기로 한다.
상기 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 이동 통신 시스템의 주파수 영역에서의 파일럿 신호들이 전송되는 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 OFDM 이동 통신 시스템의 전체 주파수 대역을 다수의 서브 대역(sub-band)들로 분할한다. 상기 서브 대역들 각각은 다수의 서브 캐리어(sub-carrier)들, 즉 서브 채널(sub-channel)들로 구성되며, 상기 서브 대역을 구성하는 서브 캐리어들 각각을 통해서는 데이터 혹은 파일럿 신호가 송신된다. 여기서, 상기 OFDM 이동 통신 시스템의 전체 주파수 대역을 구성하는 서브 캐리어들의 개수는 시스템 상황에 따라 가변적으로 설정 가능함은 물론이며, 상기 도 3에서는 설명의 편의상 45개의 서브 캐리어들이 전체 주파수 대역을 이루며, 15개의 서브 캐리어들이 점유하는 주파수 영역을 하나의 서브 대역으로 분할한다고 가정하기로 한다. 그래서, 상기 도 3에는 각각이 15개의 서브 캐리어들이 점유하는 제1서브 대역 내지 제3서브 대역의 3개의 서브 대역들이 존재한다.
또한, 상기 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 상기 서브 대역을 구성하는 서브 캐리어들중 미리 설정한 설정 위치의 서브 캐리어들을 통해서는 파일럿 신호가 송신된다. 상기 도 3에서 검은색으로 도시되어 있는 서브 캐리어들이 파일럿 신호가 송신되는 서브 캐리어들이며, 파일럿 신호가 송신되는 서브 캐리어를 "파일럿 서브 캐리어"라고 칭하기로 하며, 데이터가 송신되는 서브 캐리어를 "데이터 서브 캐리어"라고 칭하기로 한다. 상기 도 3에서는 하나의 서브 대역에 3개의 파일럿 서브 캐리어들이 존재하는 경우를 가정하기로 한다. 상기 종래 기술 부분에서 설명한 바와 같이 OFDM 이동 통신 시스템은 기존의 OFDM 방식을 사용하는 고정 무선 통신 시스템과는 달리 이동 통신 시스템의 특성상 채널 상태가 가변적이며, 따라서 채널 상태의 변화를 반영하여 효율적인 통신을 수행하기 위해서는 상기 채널 상태를 나타내는 CQI를 빈번하게 보고해야만 한다. 또한, 상기 CQI로 신호대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio, 이하 "SNR"이라 칭하기로 한다) 등을 사용할 수 있으며, 여기서는 설명의 편의상 상기 CQI로 SNR을 사용한다고 가정하기로 한다. 그러면, 상기 도 3을 참조하여 서브 캐리어들 각각에 대한 CQI를 기지국으로 피드백하는 과정을 설명하기로 한다.
상기 도 3을 참조하면, 도시되어 있는 바와 같이 서브 대역내 미리 설정한 설정 위치의 파일럿 서브 캐리어들을 통해서만 파일럿 신호가 송신된다. 상기 도 3에서는 설명의 편의상 임의의 서브 대역, 일 예로 제1서브 대역에서의 CQI 피드백 과정만을 설명하기로 하며, 상기 제1서브 대역을 제외한 나머지 서브 대역들의 CQI 피드백 과정 역시 상기 제1서브 대역의 CQI 피드백 과정과 동일한 형태를 가짐에 유의하여야 한다. 먼저, 수신기, 즉 단말기는 송신기, 즉 기지국에서 송신하는 파일럿 서브 캐리어들의 위치를 미리 알고 있으며, 상기 파일럿 서브 캐리어들을 통해 송신되는 파일럿 신호 역시 알고 있다. 여기서, 상기 파일럿 신호는 미리 설정되어 있는 시퀀스(sequence)를 가지며, 송신기와 수신기간에 상기 파일럿 신호를 구성하는 시퀀스, 즉 파일럿 시퀀스가 규약되어 있다. 상기 수신기는 상기 파일럿 서브 캐리어를 통해 수신된 신호를 상기 서브 캐리어로 송신된 파일럿 신호로 나누어 상기 파일럿 서브 캐리어에서의 채널 이득을 구하고 이러한 방법으로 구하여진 각 파일럿 서브 캐리어들에서의 채널 이득을 보간(interpolation)하여 상기 제1서브 대역에서 파일럿 서브 캐리어들을 제외한 서브 캐리어들, 즉 데이터 서브 캐리어들의 채널 이득의 추정치를 구한다. 그리고, 상기 서브 캐리어들의 채널 이득의추정값들 각각을 잡음 에너지(noise energy)로 나누어 상기 파일럿 서브 캐리어들의 SNR들을 구한다. 이렇게, 상기 제1서브 대역에서 파일럿 서브 캐리어들과 상기 데이터 서브 캐리어들 각각의 SNR을 검출한 후, 상기 검출한 파일럿 서브 캐리어들의 SNR들과 데이터 서브 캐리어들의 SNR들의 평균값을 계산한다.
한편, 상기 도 3에 도시한 바와 같이 주파수 선택적 페이딩 현상으로 인해서 상기 제1서브 대역내 서브 캐리어들의 진폭(ampliyude)은 랜덤(random)한 값을 가지게 된다. 상기 제1서브 대역의 평균 SNR만을 사용할 경우 상기 주파수 선택적 페이딩 현상에 따른 진폭의 변동을 전혀 고려할 수 없다. 그래서, 본 발명에서는 상기 제1서브 대역의 평균 SNR뿐만 아니라 상기 서브 캐리어들 각각의 진폭들의 변동까지 고려하며, 상기 진폭의 변동을 정규화 분산으로 제공한다. 그러면 여기서 상기 OFDM 이동 통신 시스템에서 효율적인 AMC 방식을 제공하기 위해서 상기 평균 SNR뿐만 아니라 상기 진폭의 정규화 분산을 함께 사용해야만 하는 이유를 설명하기로 한다.
먼저, 한 패킷(packet), 즉 한 서브 대역내의 SNR 평균과 진폭의 정규화 분산이 전체 OFDM 이동 통신 시스템 성능에 미치는 영향에 대해서 살펴보기로 한다. 여기서, 상기 SNR 평균과 진폭의 정규화 분산이 전체 OFDM 이동 통신 시스템 성능에 미치는 영향은 Ricean 채널 모델(channel model)을 사용하여 살펴보기로 하며, 상기 진폭의 확률 분포는 하기 수학식 1과 같이 표현된다.
상기 수학식 1에서, Τ는 전체 신호 전력을 나타내며, 상기 전체 신호 전력 Τ는 직진 신호(LOS: Line-of-Sight Signal, 이하 "LOS"라 칭하기로 한다) 전력과 비직진 신호(NLOS: Non Line-of-Sight Signal, 이하 "NLOS"라 칭하기로 한다) 전력의 합으로 나타난다. 상기 수학식 1에서 Τ(1-α)가 상기 LOS 전력을 나타내며, Τα가 상기 NLOS 전력을 나타내며, 상기 α는 진폭의 정규화 분산 혹은 상기 전체 신호 전력 Τ에 대한 NLOS 전력 Τα의 비로 정의된다. 본 발명에서는 상기 α가 상기 진폭의 정규화 분산으로 정의되는 경우를 가정하기로 한다. 상기 전체 신호 전력 Τ와 진폭의 정규화 분산 α는 한 서브 대역 구간에서 진폭 γ의 1차 통계값 E[γ]과 2차 통계값 E[γ2]의 항으로 표현될 수 있으며, 이를 수학식으로 표현하면 하기 수학식 2와 같다.
상기 수학식 2의 상기 전체 신호 전력 Τ가 결국 상기 한 서브 대역 내의 SNR 평균값을 나타낸다.
그러면 j번째 서브 대역의 전체 신호 전력 Τj와 진폭의 정규화 분산 αj는 하기 수학식 3과 같이 계산된다.
상기 수학식 3에서, Nj는 j번째 서브 대역을 구성하는 첫 번째 서브 캐리어의 서브 캐리어 인덱스(sub-carrier index)를 나타내며, nj는 j번째 서브 대역을 구성하는 서브캐리어의 수를 나타낸다. 여기서, 상기 j번째 서브 대역을 구성하는 서브 캐리어의 수 nj는이다. 또한, 상기 수학식 3에서 N0는 간섭(interference) 신호를 포함하는 잡음 신호 전력의 추정값을 나타내며, hi는 i번째 서브 캐리어의 복소 채널 이득(complex channel gain)의 추정값을 나타내며, Aj는 j번째 서브대역에서의 복소 채널 이득의 평균값을 나타낸다.
또한, 한 패킷 구간, 즉 한 서브 대역에서 주파수 선택적 페이딩이 존재한다고 가정하면 상기 서브 대역에서의 오류 확률, 즉 패킷 오류 확률 Pwe는 한 서브 대역내의 SNR 평균값 Τ와, 진폭의 정규화 분산 α와, 채널 코딩 레이트(channel coding rate) r 및 변조 방식 M의 함수를 가지며, 하기 수학식 4와 같다.
상기 수학식 4에 나타낸 바와 같이 상기 변조 방식 M 및 코딩 레이트 r을 할당할 때는 상기 OFDM 이동 통신 시스템의 타겟(target)으로 하는 타겟 패킷 오류 확률 Pwe, Target과, 상기 단말기로부터 피드백되는 SNR 평균값 Τ 및 진폭의 정규화 분산 α를 고려하여 할당한다. 즉, 상기 패킷 오류 확률 Pwe가 상기 타겟 패킷 오류 확률 Pwe, Target미만의 값을 가지면서 상기 가장 높은 변조 방식 M과 가장 높은 코딩 레이트 r를 가지는 변조 및 코딩 방식(MCS: Modulation and Coding Scheme, 이하 "MCS"라 칭하기로 한다) 레벨(level)을 선택하는 것이다. 물론, 상기 수학식 4에 채널 인코딩(channel encoding)이 적용되는 경우 상기 수학식 4는 현재 표현되어 있는 형태보다는 복잡한 형태를 가지지만 수치적 분석을 통해 SNR 평균값 Τ 및 진폭의 정규화 분산 α를 고려하여 할당 가능한 가장 높은 MCS 레벨을 할당한다.
그러면 여기서 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에서의 기능을 수행하기 위한 OFDM 이동 통신 시스템 구조를 설명하기로 한다.
상기 도 4는 본 발명의 실시예에서의 기능을 수행하기 위한 OFDM 이동 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 도 4를 참조하면, 먼저 상기 OFDM 이동 통신 시스템은 송신기, 즉 기지국 송신기(400)와 수신기, 단말기 수신기(450)로 구성된다.
첫 번째로, 상기 기지국 송신기(400)에 대해서 설명하기로 한다.
상기 기지국 송신기(400)는 CRC(Cyclick Redundancy Check) 삽입기(CRC inserter)(411)와, 인코더(coder)(413)와, 적응적 변조 및 코딩 방식(AMCS:Adaptive Modulation and Coding Scheme, 이하 "AMCS"라 칭하기로 한다) 제어기(415)와, 심벌 매핑기(symbol mapper)(417)와, 직렬/병렬 변환기(serial to parallel converter)(419)와, 파일럿 심벌 삽입기(pilot symbol inserter)(421)와, 역고속 푸리에 변환(IFFT: Inverse Fast Fourier Transform, 이하 "IFFT"라 칭하기로 한다)기(423)와, 병렬/직렬 변환기(parallel to serial converter)(425)와, 보호 구간 삽입기(guard interval inserter)(427)와, 디지털/아날로그 변환기(digital to analog converter)(429)와, 무선 주파수(RF: Radio Frequency, 이하 "RF"라 칭하기로 한다) 처리기(processor)(431)로 구성된다.
먼저, 전송하고자 하는 사용자 데이터 비트(user data bits) 및 제어 데이터비트(control data bits)가 발생하면, 상기 사용자 데이터 비트 및 제어 데이터 비트는 상기 CRC 삽입기(411)로 입력된다. 여기서, 상기 사용자 데이터 비트 및 제어 데이터 비트를 "정보 데이터 비트(information data bits)"라고 칭하기로 하며, 상기 제어 데이터에는 상기 AMCS 제어기(415)에서 적용하는 변조 및 코딩 방식, 즉 MCS 레벨에 대한 정보가 포함되어 있다. 상기 CRC 삽입기(411)는 상기 정보 데이터 비트를 입력하여 CRC 비트를 삽입한 후 상기 인코더(413)으로 출력한다. 상기 인코더(413)는 상기 CRC 삽입기(411)에서 출력한 신호를 입력하여 상기 AMCS 제어기(415)의 제어에 따라 해당 코딩(coding) 방식으로 코딩한 후 상기 심벌 매핑기(417)로 출력한다. 상기 인코더(413)는 상기 CRC 삽입기(411)에서 출력한 신호를 상기 AMCS 제어기(415)의 제어에 따라 해당 코딩 방식, 일 예로 소정 코딩 레이트(coding rate)를 가지는 터보 코딩(turbo coding) 방식 혹은 컨벌루셔널 코딩(convilutional coding) 방식 등으로 코딩한다. 여기서, 상기 AMCS 제어기(415)는 상기 코딩 레이트, 혹은 상기 코딩 방식 자체를 제어하거나 혹은 상기 코딩 레이트 및 코딩 방식 모두를 제어할 수도 있음은 물론이며, 이는 상기 OFDM 이동 통신 시스템에서 시스템 상황에 맞게 결정된다. 그리고, 상기 AMCS 제어기(415)는 단말기 송신기(도시하지 않음)로부터 피드백되는CQI를 가지고 상기 기지국과 단말기간 채널 상태를 판단하게 된다. 여기서, 상기 단말기 송신기는 상기에서 설명한 바와 같이 서브 대역별로 SNR 평균값 Τ 및 진폭의 정규화 분산 α를 CQI로 보고한다. 고정 무선 통신 시스템에서 사용되던 OFDM 방식의 경우 모든 서브 캐리어들 각각에 대해서 CQI들, 즉 SNR들을 보고함으로써 시그널링 부하가 컸으나, 본 발명에서는 서브 대역별로 SNR 평균값 Τ 및 진폭의 정규화 분산 α를 CQI로 보고함으로써 시그널링 부하를 최소화하게 된다.
상기 심벌 매핑기(417)는 상기 인코더(413)에서 출력한 코딩된 비트(coded bits)를 상기 AMCS 제어기(415)의 제어에 따라 해당 변조 방식으로 변조하여 변조 심벌로 생성하여 상기 직렬/병렬 변환기(419)로 출력한다. 여기서, 상기 변조 방식으로는 일 예로, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 방식 혹은 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 방식 등이 사용될 수 있다. 결국, 상기 AMCS 제어기(415)는 기지국과 단말기간 채널 상태가 비교적 양호할 경우에는 현재 설정되어 있는 변조 방식의 차수보다 더 높은 차수를 가지는 변조 방식으로 변조 방식을 변경하고, 현재 설정되어 있는 코딩 방식, 일 예로 코딩 레이트보다 더 높은 코딩 레이트를 가지는 코딩 방식으로 코딩 방식을 변경한다. 물론, 아무리 채널상태가 양호하다고 하더라도 현재 설정되어 있는 변조 방식의 차수가 가장 높은 차수일 경우에는 상기 AMCS 제어기(415)는 현재 설정되어 있는 변조 방식을 유지하도록 제어하게 되고, 또한 현재 설정되어 있는 코딩 레이트가 가장 높은 코딩 레이트일 경우 현재 설정되어 있는 코딩 레이트를 유지하도록 제어하게 된다. 여기서, 상기 AMCS 제어기(415)는 상기 수학식 4에서 설명한 바와 같이 상기 서브 대역당 패킷 오류 확률 Pwe가 상기 타겟 패킷 오류 확률 Pwe, Target미만의 값을 가지면서 상기 가장 높은 변조 방식 M과 가장 높은 코딩 레이트 r를 가지는 MCS 레벨을 선택하는 것이다.
이와는 반대로, 상기 AMCS 제어기(415)는 기지국과 단말기간 채널 상태가 비교적 열악할 경우에는 현재 설정되어 있는 변조 방식의 차수보다 더 낮은 차수를 가지는 변조 방식으로 변조 방식을 변경하고, 현재 설정되어 있는 코딩 방식, 일 예로 코딩 레이트보다 더 낮은 코딩 레이트를 가지는 코딩 방식으로 코딩 방식을 변경한다. 물론, 아무리 채널 상태가 열악하다고 하더라도 현재 설정되어 있는 변조 방식의 차수가 가장 낮은 차수일 경우에는 상기 AMCS 제어기(415)는 현재 설정되어 있는 변조 방식을 유지하도록 제어하게 되고, 또한 현재 설정되어 있는 코딩 레이트가 가장 낮은 코딩 레이트일 경우 현재 설정되어 있는 코딩 레이트를 유지하도록 제어하게 된다.
상기 직렬/병렬 변환기(419)는 상기 심벌 매핑기(417)에서 출력하는 직렬 변조 심벌들을 입력하여 병렬 변환한 후 상기 파일럿 심벌 삽입기(421)로 출력한다.상기 파일럿 심벌 삽입기(421)는 상기 직렬/병렬 변환기(419)에서 출력한 병렬 변환된 변조된 심벌들에 파일럿 심벌들을 삽입한 후 상기 IFFT기(423)로 출력한다.
상기 IFFT기(423)는 상기 파일럿 심벌 삽입기(421)에서 출력한 신호를 입력하여 N-포인트(N-point) IFFT를 수행한 후 상기 병렬/직렬 변환기(425)로 출력한다. 상기 병렬/직렬 변환기(425)는 상기 IFFT기(423)에서 출력한 신호를 입력하여 직렬 변환한 후 상기 보호 구간 삽입기(427)로 출력한다. 상기 보호 구간 삽입기(427)는 상기 병렬/직렬 변환기(425)에서 출력한 신호를 입력하여 보호 구간 신호를 삽입한 후 상기 디지털/아날로그 변환기(429)로 출력한다. 여기서, 상기 보호 구간은 상기 OFDM 통신시스템에서 OFDM 심벌을 송신할 때 이전 OFDM 심벌 시간에 송신한 OFDM 심벌과 현재 OFDM 심벌 시간에 송신할 현재 OFDM 심벌간에 간섭(interference)을 간섭을 제거하기 위해서 삽입된다. 또한, 상기 보호 구간은 일정 구간의 널(null) 데이터를 삽입하는 형태로 제안되었으나, 상기 보호 구간에 널 데이터를 전송하는 형태는 수신기에서 OFDM 심벌의 시작점을 잘못 추정하는 경우 서브 캐리어들간에 간섭이 발생하여 수신 OFDM 심벌의 오판정 확률이 높아지는 단점이 존재하여 시간 영역의 OFDM 심벌의 마지막 일정 비트들을 복사하여 유효 OFDM 심벌에 삽입하는 형태의 "Cyclic Prefix" 방식이나 혹은 시간 영역의 OFDM 심벌의 처음 일정 비트들을 복사하여 유효 OFDM 심벌에 삽입하는 "Cyclic Postfix" 방식으로 사용하고 있다.
상기 디지털/아날로그 변환기(429)는 상기 보호 구간 삽입기(427)에서 출력한 신호를 입력하여 아날로그 변환한 후 상기 RF 처리기(431)로 출력한다. 여기서,상기 RF 처리기(431)는 필터(filter)와 전처리기(front end unit) 등의 구성들을 포함하며, 상기 디지털/아날로그 변환기(429)에서 출력한 신호를 실제 에어(air)상에서 전송 가능하도록 RF 처리한 후 송신 안테나(Tx antenna)를 통해 에어(air)상으로 전송한다.
상기에서는 기지국 송신기(400)에 대해서 설명하였으며, 두 번째로, 상기 단말기 수신기(450)에 대해서 설명하기로 한다.
상기 단말기 수신기(450)는 RF 처리기(451)와, 아날로그/디지털 변환기(analog/digital converter)(453)와, 보호 구간 제거기(guard interval remover)(455)와, 직렬/병렬 변환기(457)와, 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform， 이하 "FFT"라 칭하기로 한다)기(459)와, 등화기(equalizer)(461)와, 파일럿 심벌 추출기(pilot symbol extractor)(463)와, 채널 추정기(channel estimator)(465)와, 병렬/직렬 변환기(467)와, 심벌 디매핑기(symbol demapper)(469)와, 디코더(decoder)(471)와, AMCS 제어기(473)와, CRC 제거기(CRC remover)(475)로 구성된다.
먼저, 상기 기지국 송신기(400)에서 송신한 신호는 다중 경로 채널(multipath channel)을 겪고 잡음이 가산된 형태로 상기 단말기 수신기(450)의 수신 안테(Rx antenna)를 통해서 수신된다. 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호는 상기 RF 처리기(451)로 입력되고, 상기 RF 처리기(451)는 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 중간 주파수(IF: Intermediate Frequency) 대역으로 다운 컨버팅(down converting)한 후 상기 아날로그/디지털 변환기(453)로 출력한다. 상기 아날로그/디지털 변환기(453)는 상기 RF 처리기(451)에서 출력한 아날로그 신호를 디지털 변환한 후 상기 보호 구간 제거기(455)로 출력한다. 상기 보호 구간 제거기(455)는 상기 아날로그/디지털 변환기(453)에서 출력한 신호를 입력하여 보호 구간 신호를 제거한 후 상기 직렬/병렬 변환기(457)로 출력한다. 상기 직렬/병렬 변환기(457)는 상기 보호 구간 제거기(455)에서 출력한 직렬 신호를 입력하여 병렬 변환한 후 상기 FFT기(459)로 출력한다. 상기 FFT기(459)는 상기 직렬/병렬 변환기(457)에서 출력한 신호를 N-포인트 FFT를 수행한 후 상기 등화기(461) 및 상기 파일럿 심벌 추출기(463)로 출력한다. 상기 등화기(461)는 상기 FFT기(459)에서 출력한 신호를 입력하여 채널 등화(channel equalization)한 후 상기 병렬/직렬 변환기(467)로 출력한다. 상기 병렬/직렬 변환기(467)는 상기 등화기(461)에서 출력한 병렬 신호를 입력하여 직렬 변환한 후 상기 심벌 디매핑기(469)로 출력한다.
한편, 상기 FFT기(459)에서 출력한 신호는 상기 파일럿 심벌 추출기(463)로 입력되고, 상기 파일럿 심벌 추출기(463)는 상기 FFT기(459)에서 출력한 신호에서 파일럿 심벌들을 검출하고, 상기 검출한 파일럿 심벌들을 상기 채널 추정기(465)로 출력한다. 상기 채널 추정기(465)는 상기 파일럿 심벌 추출기(163)에서 출력한 파일럿 심벌들을 이용하여 채널 추정을 수행하고, 상기 채널 추정 결과를 상기 등화기(461)로 출력한다. 그리고, 상기 단말기 수신기(450)는 상기 채널 추정기(465)의 채널 추정 결과에 상응하는 CQI를 생성하고, 상기 생성된 CQI를 채널 품질 정보 송신기(도시하지 않음)를 통해 상기 기지국 송신기(400)로 송신한다. 여기서, 상기 단말기 수신기(450)는 서브 대역별로 SNR 평균값 Τ 및 진폭의 정규화 분산 α를검출하고, 상기 서브 대역별로 검출한 상기 SNR 평균값 Τ 및 진폭의 정규화 분산 α를 CQI로 생성하여 상기 기지국 송신기(400)로 피드백하는 것이다.
상기 심벌 디매핑기(469)는 상기 병렬/직렬 변환기(467)에서 출력한 신호를 상기 AMCS 제어기(473)의 제어에 따라 해당하는 복조 방식으로 복조한 후 상기 디코더(471)로 출력한다. 상기 디코더(471)는 상기 심벌 디매핑기(469)에서 출력한 신호를 상기 AMCS 제어기(473)의 제어에 따라 해당하는 디코딩 방식으로 디코딩한 후 상기 CRC 제어기(475)로 출력한다. 여기서, 상기 AMCS 제어기(473)는 상기 기지국 송신기(400)에서 송신한 제어 데이터중에서 상기 기지국 송신기(400)가 적용한 변조 및 코딩 방식을 검출하여 상기 심벌 디매핑기(469)의 복조 방식 및 상기 디코더(471)의 디코딩 방식을 제어한다. 여기서, 상기 복조 방식 및 디코딩 방식은 상기 기지국 송신기(400)가 적용한 변조 방식 및 코딩 방식과 대응되는 복조 방식 및 디코딩 방식이다. 상기 CRC 제어기(475)는 상기 디코더(471)에서 출력한 신호를 입력하여 CRC 비트를 제거한 후 송신측에서 송신한 정보 데이터 비트로 출력한다.
다음으로, 상기 OFDM 이동 통신 시스템에서 사용하는 MCS 레벨들 각각에 대해서 프레임 에러 레이트(FER: Frame Error Rate)가 0.004가 되는 SNR 평균값 Τ 및 진폭의 정규화 분산 α특성을 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
상기 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 이동 통신 시스템에서 Ricean 채널 모델을 사용하여 프레임 에러 레이트가 0.004가 되는 SNR 평균값 Τ 및 진폭의 정규화 분산 α특성을 도시한 그래프이다.
상기 도 5에 도시되어 있는 세로축은 SNR 평균값 Τ를 나타내는 축이며, 가로축은 진폭의 정규화 분산 α을 나타내는 축이다. 상기 OFDM 이동 통신 시스템에서 타겟으로 하는 프레임 에러 레이트를 0.004라고 가정하기로 한다. 상기 도 5를 참조하여 상기 OFDM 이동 통신 시스템에서 각 MCS 레벨들이 프레임 에러 레이트가 0.004에 도달하기 위한 SNR 평균값 Τ 및 진폭의 정규화 분산 α특성을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 MCS 레벨에 따라 요구되는 SNR 평균값 Τ가 적게는 2[dB]에서 많게는 7[dB] 이상 차이가 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 AMC 방식을 적용함에 있어 SNR 평균값 Τ뿐만 아니라 진폭의 정규화 분산 α까지도 고려해서 선택해야함을 나타내는 것이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명은, OFDM 이동 통신 시스템에서 서브 대역별로 CQI 보고를 수행함으로써, 시그널링 오버헤드를 최소화하면서도 변조 및 코딩 방식을 채널 상태에 따라 적응적으로 제어할 수 있다는 이점을 가진다. 또한, 상기 OFDM 이동 통신 시스템에서 서브 대역별로 CQI 보고를 수행함으로써 CQI 보고를 위한 역방향 링크의 간섭 발생을 최소화할 수 있다는 이점을 가진다.

Claims (16)

  1. 전체 주파수 대역을 다수의 서브 주파수 대역들로 분할하고, 상기 서브 주파수 대역들에서 기준 신호들을 송신하고, 상기 기준 신호들이 송신되는 서브 주파수 대역들 이외의 서브 주파수 대역들에서 데이터 신호들을 송신하는 이동 통신 시스템에서 변조 및 코딩 방식을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 데이터 신호들이 입력되면 미리 설정되어 있는 변조 및 코딩 방식으로 상기 데이터 신호들을 변조 및 코딩하고, 상기 변조 및 코딩된 데이터 신호들에 상기 기준 신호들을 삽입한 후 역고속 푸리에 변환하여 송신하는 과정과,
    이후 상기 송신한 변조 및 코딩된 데이터 신호들과 기준 신호들의 채널 품질 정보들을 상기 전체 주파수 대역이 분할된 다수의 서브 대역들 단위로 피드백받는 과정과,
    상기 피드백받은 채널 품질 정보들에 상응하게 상기 변조 및 코딩 방식을 제어하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서브 대역은 미리 설정한 설정 개수의 서브 주파수 대역들로 구성됨을 특징으로 하는 상기 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 채널 품질 정보는 상기 서브 대역내 상기 기준 신호들 및 데이터 신호들의 평균 신호대 잡음비 값과, 상기 기준 신호들 및 데이터 신호들 진폭의 정규화 분산값을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 평균 신호대 잡음비 값은 상기 서브 대역내 상기 기준 신호들의 신호대 잡음비 값들과, 상기 기준 신호들의 신호대 잡음비값을 보간하여 생성된 상기 서브 대역내 상기 데이터 신호들의 신호대 잡음비값들의 평균값임을 특징으로 하는 상기 방법.
  5. 전체 주파수 대역을 다수의 서브 주파수 대역들로 분할하고, 상기 서브 주파수 대역들에서 기준 신호들을 송신하고, 상기 기준 신호들이 송신되는 서브 주파수 대역들 이외의 서브 주파수 대역들에서 데이터 신호들을 송신하는 이동 통신 시스템에서 채널 품질 정보를 송신하는 방법에 있어서,
    수신 신호를 고속 푸리에 변환하여 상기 기준 신호들과 데이터 신호들로 변환하는 과정과,
    상기 기준 신호들 및 데이터 신호들을 상기 전체 주파수 대역이 분할된 다수의 서브 대역별로 분류하고, 상기 서브 대역들 각각에 대해서 채널 품질 정보들을 결정하는 과정과,
    상기 결정된 채널 품질 정보들을 송신측으로 피드백하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 서브 대역은 미리 설정한 설정 개수의 서브 주파수 대역들로 구성됨을 특징으로 하는 상기 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 채널 품질 정보는 상기 서브 대역내 상기 기준 신호들 및 데이터 신호들의 평균 신호대 잡음비 값과, 상기 기준 신호들 및 데이터 신호들 진폭의 정규화 분산값을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 평균 신호대 잡음비 값은 상기 서브 대역내 상기 기준 신호들의 신호대잡음비 값들과, 상기 기준 신호들의 신호대 잡음비값을 보간하여 생성된 상기 서브 대역내 상기 데이터 신호들의 신호대 잡음비값들의 평균값임을 특징으로 하는 상기 방법.
  9. 전체 주파수 대역을 다수의 서브 주파수 대역들로 분할하고, 상기 서브 주파수 대역들에서 기준 신호들을 송신하고, 상기 기준 신호들이 송신되는 서브 주파수 대역들 이외의 서브 주파수 대역들에서 데이터 신호들을 송신하는 이동 통신 시스템에서 변조 및 코딩 방식을 제어하는 장치에 있어서,
    상기 데이터 신호들이 입력되면 설정되어 있는 코딩 방식으로 인코딩하는 인코더와,
    상기 인코딩된 데이터 신호들을 설정되어 있는 변조 방식으로 변조하는 변조기와,
    상기 변조된 데이터 신호들에 상기 기준 신호들을 삽입한 후 역고속 푸리에 변환하여 송신하는 송신기와,
    상기 송신한 역고속 푸리에 변환된 데이터 신호들과 상기 기준 신호들의 품질 정보들을 상기 전체 주파수 대역이 분할된 다수의 서브 대역들 단위로 피드백받고, 상기 피드백받은 채널 품질 정보들에 상응하게 상기 변조 및 코딩 방식을 제어하는 변조 및 코딩 방식 제어기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 서브 대역은 미리 설정한 설정 개수의 서브 주파수 대역들로 구성됨을 특징으로 하는 상기 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 채널 품질 정보는 상기 서브 대역내 상기 기준 신호들 및 데이터 신호들의 평균 신호대 잡음비 값과, 상기 기준 신호들 및 데이터 신호들 진폭의 정규화 분산값을 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 평균 신호대 잡음비 값은 상기 서브 대역내 상기 기준 신호들의 신호대 잡음비 값들과, 상기 기준 신호들의 신호대 잡음비값을 보간하여 생성된 상기 서브 대역내 상기 데이터 신호들의 신호대 잡음비값들의 평균값임을 특징으로 하는 상기 장치.
  13. 전체 주파수 대역을 다수의 서브 주파수 대역들로 분할하고, 상기 서브 주파수 대역들에서 기준 신호들을 송신하고, 상기 기준 신호들이 송신되는 서브 주파수 대역들 이외의 서브 주파수 대역들에서 데이터 신호들을 송신하는 이동 통신 시스템에서 채널 품질 정보를 송신하는 장치에 있어서,
    입력되는 수신 신호를 고속 푸리에 변환하여 상기 기준 신호들과 데이터 신호들로 변환하는 고속 푸리에 변환기와,
    상기 기준 신호들 및 데이터 신호들을 상기 전체 주파수 대역이 분할된 다수의 서브 대역들로 분류하고, 상기 서브 대역들 각각에 대해서 채널 품질 정보들을 결정하는 채널 추정기와,
    상기 결정된 채널 품질 정보들을 송신측으로 피드백하는 송신기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 서브 대역은 미리 설정한 설정 개수의 서브 주파수 대역들로 구성됨을 특징으로 하는 상기 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 채널 품질 정보는 상기 서브 대역내 상기 기준 신호들 및 데이터 신호들의 평균 신호대 잡음비 값과, 상기 기준 신호들 및 데이터 신호들 진폭의 정규화분산값을 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 평균 신호대 잡음비 값은 상기 서브 대역내 상기 기준 신호들의 신호대 잡음비 값들과, 상기 기준 신호들의 신호대 잡음비값을 보간하여 생성된 상기 서브 대역내 상기 데이터 신호들의 신호대 잡음비값들의 평균값임을 특징으로 하는 상기 장치.
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