KR20050027564A - 멀티캐스트 직교 주파수 분할 다중 통신 시스템에서멀티캐스트 데이터 송수신 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전체 주파수 대역을 다수의 서브 캐리어 대역들로 분할하여 사용하고, 계층 구조를 가지는 멀티캐스트 데이터를 송신하는 직교 주파수 분할 다중 통신 시스템에서 멀티캐스트 데이터 송신 방법에 있어서, 현재 서비스하고 있는 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들을 사용하여 상기 이동국들 각각에 상기 서브 캐리어들을 할당하는 과정과, 상기 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들과 상기 서브 캐리어들의 할당 정보를 사용하여 상기 서브 캐리어들 각각을 통해 송신할 비트들의 개수를 할당하는 과정과, 이후 송신할 멀티캐스트 데이터가 발생하면 상기 할당된 서브 캐리어들 각각에 할당된 비트들의 개수에 상응하게 상기 멀티캐스트 데이터를 변조하여 상기 이동국들로 송신하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

Description

멀티캐스트 직교 주파수 분할 다중 통신 시스템에서 멀티캐스트 데이터 송수신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOF FOR TRANSMITTING/RECEIVING MULTICAST DATA IN A MULTICAST ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLE COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 멀티캐스트(multicast) 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiple, 이하 'OFDM'이라 칭하기로 한다) 방식을 사용하는 통신 시스템(이하 '멀티캐스트 OFDM 통신 시스템'이라 칭하기로 한다)에 관한 것으로서, 특히 멀티캐스트 데이터를 송수신하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 멀티캐스트 방식은 한번의 송신으로 다수의 수신기들에게 동일한 데이터를 송신하는 방식을 의미하며, 상기 멀티캐스트 방식은 네트워크 자원의 낭비를 제거하여 네트워크 자원의 효율성을 극대화시킬 수 있다는 점에서 초고속 멀티미디어(multimedia) 데이터 송신에 사용되고 있다. 한편, 상기 멀티캐스트 방식으로 데이터를 송신할 경우, 수신기들 각각에 미리 설정한 설정 단위 시간동안 네트워크를 통해 전달받을 수 있는 데이터의 양(데이터 레이트(data rate)이 상이한 경우가 발생한다. 이때, 송신기가 동일한 데이터 레이트로 데이터를 송신하는 경우 상기 수신기들 모두가 상기 동일한 데이터 레이트로 데이터를 수신하기 위해서는 최저 데이터 레이트로 데이터를 송신해야만한다. 만약, 상기 최저 데이터 레이트를 초과하는 데이터 레이트로 데이터를 송신할 경우 상기 최저 데이터 레이트를 초과하는 데이터 레이트를 지원하지 못하는 수신기는 상기 송신기가 송신한 데이터를 정상적으로 수신하지 못하게 된다.

이런 문제점을 해결하기 위해서, 통상적인 멀티캐스트 통신 시스템에서는 멀티캐스트 데이터를 다수의 스트림(stream)들로 분할하고, 비교적 낮은 데이터 레이트를 가지는 수신기에는 상기 다수의 스트림들중 일부의 스트림들만을 송신하고, 비교적 높은 데이터 레이트를 가지는 수신기에는 상기 다수의 스트림들 모두를 송신하는 방식을 사용하고 있다. 상기와 같은 방식이 유효하기 위해서는 상기 멀티캐스트 데이터가 영상이나 음성과 같이 전체 멀티캐스트 데이터 중 일부(기본 데이터)는 가장 기본적인 정보를 포함하여 그 자체만으로도 낮은 품질의 원래의 멀티캐스트 데이터를 제공할 수 있어야만 하고, 상기 일부의 데이터를 제외한 나머지 데이터(부가 데이터)는 상기 기본 데이터보다 더 상세한 정보를 포함하여 상기 기본 데이터에 더해져서 높은 품질의 원래의 멀티캐스트 데이터를 제공할 수 있어야만 한다. 상기와 같이 기본 데이터와 부가 데이터를 사용하는 데이터 구조를 '스케일 능력이 있다(scalable)'고 표현하는데, 이러한 스케일 능력(scalability)을 이용한 대표적인 코딩(coding) 방식이 MPEG4(Motion Pictures Experts Group 4, 이하 'MPEG4'라 칭하기로 한다) 방식이다.

상기에서 설명한 바와 같이 상기 최저 데이터 레이트를 초과하는 데이터 레이트로 데이터를 송신할 경우 상기 최저 데이터 레이트를 초과하는 데이터 레이트를 지원하지 못하는 수신기는 상기 송신기가 송신한 데이터를 정상적으로 수신하지 못하게 되는 문제점을 해결하기 위한 또 다른 방식으로는 UQPSK(Unbalanced Quadrature Phase Shift Keying) 방식과 적응적 변조 방식 등이 있다.

첫 번째로, 상기 UQPSK 방식에 대해서 설명하기로 한다.

상기 UQPSK 방식은 가장 기본적인 정보, 즉 기본 데이터는 서로 거리가 먼 성상도(constellation)상의 점에 할당하고, 더욱 상세한 정보, 즉 부가 데이터는 서로 거리가 가까운 성상도상의 점에 할당하는 방식이다. 상기 UQPSK 방식을 적용할 경우, 수신기의 수신 감도가 나쁜 경우 상기 수신기는 수신 감도가 나쁜 경우라고 할 지라도 서로 거리가 먼 성상도상의 점은 구별 가능하기 때문에 기본 데이터는 수신할 수 있다. 그러나, 상기 UQPSK 방식은 수신기별 채널 품질에 적응적으로 대처할 수 없다는 단점을 가진다.

두 번째로, 적응적 변조 방식에 대해서 설명하기로 한다.

상기 적응적 변조 방식은 수신기들간의 채널 품질의 분포에 따라 서로 다른 변조 방식들, 일 예로 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 방식과, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 방식과, 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 방식과 같은 서로 다른 변조 방식들을 적용하여 상이한 개수를 가지는 프레임(frame)들을 송신하는 방식이다. 즉, 상기 적응적 변조 방식은 상기 수신기의 수신 감도가 나쁠 경우에는 상기 BPSK 방식과 같은 저차 변조 방식을 적용하여 기본적인 정보만을 송신하고, 상기 수신기의 수신 감도가 좋을 경우에는 상기 16QAM 방식과 같은 고차 변조 방식을 적용하여 상세 정보를 송신하도록 하는 것이다. 그러나, 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 경우 서브 캐리어(sub-carrier)별로 채널 품질이 상이하지만 상기 적응적 변조 방식을 적용할 경우 상기 서브 캐리어별 채널 품질의 차이를 무시하고 상기 서브 캐리어들 모두에 동일한 변조 방식을 적용하기 때문에 자원의 효율성을 저하시키게 된다는 문제점을 가진다.

한편, 상기에서 설명한 바와 같이 상기 최저 데이터 레이트를 초과하는 데이터 레이트로 데이터를 송신할 경우 상기 최저 데이터 레이트를 초과하는 데이터 레이트를 지원하지 못하는 수신기는 상기 송신기가 송신한 데이터를 정상적으로 수신하지 못하게 되는 문제점을 해결하기 위한 또 다른 방식으로는 N개의 멀티캐스용 매체 접속 제어(MAC: Meidum Access Control, 이하 'MAC'이라 칭하기로 한다) 주소(address)를 사용하여 각 MAC 주소별로 서로 다르게 링크(link) 적응, 즉 송신 신호 처리 과정을 적용하는 것이다. 그러면 여기서 도 1을 참조하여 일반적인 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 다중 멀티캐스트 MAC 주소의 사용 방식에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 1은 일반적인 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 다중 멀티캐스트 MAC 주소의 사용 방식을 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, MAC 주소가 다수개, 즉 N개 존재한다. 그리고, 상기 스케일 능력이 있는 멀티캐스트 데이터를 N개의 계층들로 분류한다. 여기서, 상기 N개의 계층들 각각의 크기는 상이할 수 있으며, 첫 번째 계층(1^st rate)은 가장 낮은 데이터 레이트(lowest data rate)의 데이터에 해당하며, 이런 식으로 마지막 계층(n^st rate)은 가장 높은 데이터 레이트(highest rate)의 데이터에 해당한다. 상기 N개의 계층들 각각은 서로 다른 프로세스(process), 즉 송신 신호 처리 과정을 거치며, 즉 첫 번째 계층(1^st rate)은 첫 번째 프로세스(process₁)를 거치며, 이런 식으로 마지막 계층(n^st rate)은 마지막 프로세스(process_n)을 거치게 된다. 상기 N개의 계층들 각각이 거치게 되는 프로세스는 하기에서 도 2를 참조하여 설명할 것이므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이렇게 프로세스를 거친 N개의 계층들 각각은 헤더(header)와 결합되어 프레임을 생성한다. 상기 헤더 구조는 하기에서 도 3을 참조하여 상세하게 설명할 것이므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

상기 도 1에서는 일반적인 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 다중 멀티캐스트 MAC 주소의 사용 방식에 대해서 설명하였으며, 다음으로 도 2를 참조하여 일반적인 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 송신 신호 처리 과정을 설명하기로 한다.

상기 도 2는 일반적인 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 송신 신호 처리 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 송신 신호가 입력되면 순방향 에러 정정(FEC: Forward Error Correction, 이하 'FEC'라 칭하기로 한다) 코딩이 수행된다. 여기서, 상기 FEC 코딩은 FEC에 강한 코드, 일 예로 컨벌루셔널 코드(convolutional code), 터보 코드(turbo code) 등과 같은 코드를 사용하여 코딩하는 것을 의미한다. 상기 FEC 코딩된 신호는 버스트 에러(burst error) 방지를 위해 인터리빙(interleaving)된 후 매핑(mapping)된다. 여기서, 상기 매핑 과정은 상기에서 설명한 바와 같은 변조 방식, 일 예로 BPSK 방식과, QPSK 방식과, 16QAM 방식과 같은 변조 방식을 사용하여 심벌 매핑(symbol mapping)하는 것을 나타낸다.

상기 도 2에서는 일반적인 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 송신 신호 처리 과정을 설명하였으며, 다음으로 도 3을 참조하여 일반적인 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 헤더 구조를 설명하기로 한다.

상기 도 3은 일반적인 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 헤더 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, 상기 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 프레임은 헤더 영역과 데이터 영역으로 구성되며, 상기 헤더 영역은 주소(address) 영역과, 길이(length) 영역과, 기타(etc) 영역으로 구성된다. 상기 주소 영역은 멀티캐스트 MAC 주소를 차나내며, 상기 길이 영역은 상기 헤더 영역의 길이를 나타내며, 상기 기타 영역은 나머지 다른 기타 내용들을 나타낸다.

상기 멀티캐스트 MAC 주소별로 서로 다른 링크 적응을 적용하는 방식을 사용하기 위해서는 억세스 포인트(AP: Access Point, 이하 'AP'라 칭하기로 한다)가 상기 AP 자신이 서비스를 제공하고 있는 모든 수신기들의 링크 상황을 알고 있어야만 한다. 여기서, 상기 억세스 포인트는 기지국(BS: Base Station)과 동일한 기능을 하는 객체이다.

상기 도 1에서 설명한 바와 같이 각 프로세스를 거친 신호들의 데이터 레이트들을 이라 정의하기로 한다. 그리고, 상기 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템에서 송신하고자 하는 전체 버스트, 즉 전체 멀티캐스트 데이터의 개수가 M개이고, 상기 n개의 계층들 각각에 할당된 버스트의 개수들을 이라고 가정하기로 한다. 또한, 수신기들의 합이 A이고, N개의 프로세스들을 거친 송신 신호들을 신뢰성 있게 검파할 수 있는 수신기들의 개수를 이라고 정의하기로한다.

상기와 같은 조건들하에서 상기 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 전체 전송량을 최대화하고, 모든 수신기들에게 최저 데이터 레이트를 가지는 계층을 제공할 수 있는 방법은 하기 수학식 1과 같은 제약 조건이 존재하는 최적화 문제를 해결하면 구할 수 있다.

상기 수학식 1에서, L은 최저 데이터 레이트를 가지는 계층의 데이터 레이트를 버스트 크기로 나눈 값을 나타낸다. 상기 수학식 1에서, 에 L보다 크거나 작은 정수 ()를 할당한 뒤 상기 들에 곱해진 계수가 가장 큰 값에 나머지 M- 을 할당하면 된다. 결국, 주어진 수신기 분포와 각 프로세스를 통해 처리된 데이터 레이트로부터 최적의 버스트 분포를 결정하는 것이 가능하게 되는 것이다. 여기에서 A는 전체 수신기 개수를 의미한다.

상기 수학식 1과 같이 주어진 수신기 분포와 각 프로세스를 통해 처리된 데이터 레이트로부터 최적의 버스트 분포를 결정하는 방식은 수신기별 신호대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio, 이하 'SNR'이라 칭하기로 한다)의 분포에 따라서 변조 방식을 결정하게 된다. 이때, 상기 OFDM 통신 시스템과 같이 다수개의 서브 캐리어들을 사용하는 경우 상기 다수개의 서브 캐리어들 모두에 동일한 변조 방식을 사용해야만 한다.

그러나, 일반적으로 무선 채널에 의해 발생되는 다중 경로 페이딩(multi-path fading)의 영향으로 인해서 상기 다수의 서브 캐리어들 각각은 서로 다른 채널 품질을 가지게 된다. 따라서, 상기 서브 캐리어들 각각에 그 채널 품질에 적응적으로 서로 다른 변조 방식을 적용하는 것이 전체 데이터 전송률을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 이런 문제점을 해결하기 위해서 다수의 수신기들의 존재하는 경우, 상기 OFDM 통신 시스템의 서브 캐리어들을 수신기들별로 상이하게 할당하고 상기 할당된 서브 캐리어들에 대해서 변조 방식을 결정하는 방식, 즉 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 'OFDMA'이라 칭하기로 한다) 방식이 존재한다. 그러나, 상기 OFDMA 방식의 경우에는 멀티캐스트 방식을 전혀 고려하지 않기 때문에 수신기별로 서로 다른 데이터가 전송되는 경우에만 사용할 수 있다는 문제점을 가진다.

따라서, 본 발명의 목적은 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템에서 계층 구조를 가지는 멀티캐스트 데이터를 송수신하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템에서 전체 전송량을 최대화하는 멀티캐스트 데이터 송수신 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 송신 방법은; 전체 주파수 대역을 다수의 서브 캐리어 대역들로 분할하여 사용하고, 계층 구조를 가지는 멀티캐스트 데이터를 송신하는 직교 주파수 분할 다중 통신 시스템에서 멀티캐스트 데이터 송신 방법에 있어서, 현재 서비스하고 있는 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들을 사용하여 상기 이동국들 각각에 상기 서브 캐리어들을 할당하는 과정과, 상기 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들과 상기 서브 캐리어들의 할당 정보를 사용하여 상기 서브 캐리어들 각각을 통해 송신할 비트들의 개수를 할당하는 과정과, 이후 송신할 멀티캐스트 데이터가 발생하면 상기 할당된 서브 캐리어들 각각에 할당된 비트들의 개수에 상응하게 상기 멀티캐스트 데이터를 변조하여 상기 이동국들로 송신하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 송신 장치는; 전체 주파수 대역을 다수의 서브 캐리어 대역들로 분할하여 사용하고, 계층 구조를 가지는 멀티캐스트 데이터를 송신하는 직교 주파수 분할 다중 통신 시스템에서 멀티캐스트 데이터 송신 장치에 있어서, 현재 서비스하고 있는 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들을 사용하여 상기 이동국들 각각에 상기 서브 캐리어들을 할당하는 서브 캐리어 할당기와, 상기 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들과 상기 서브 캐리어들의 할당 정보를 사용하여 상기 서브 캐리어들 각각을 통해 송신할 비트들의 개수를 할당하는 비트 할당기와, 이후 송신할 멀티캐스트 데이터가 발생하면 상기 할당된 서브 캐리어들 각각에 할당된 비트들의 개수에 상응하게 상기 멀티캐스트 데이터를 변조하여 상기 이동국들로 송신기를 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 수신 방법은; 전체 주파수 대역을 다수의 서브 캐리어 대역들로 분할하여 사용하고, 계층 구조를 가지는 멀티캐스트 데이터를 송신하는 직교 주파수 분할 다중 통신 시스템에서 멀티캐스트 데이터 수신 방법에 있어서, 수신 신호를 고속 푸리에 변환하는 과정과, 상기 고속 푸리에 변환된 신호에서 서브 캐리어 할당 정보 및 비트 할당 정보를 검출하는 과정과, 이후 상기 검출한 서브 캐리어 할당 정보에 상응하는 서브 캐리어를 통해서 수신되는 신호를 상기 비트 할당 정보에 상응하는 복조 방식으로 복조하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 수신 장치는; 전체 주파수 대역을 다수의 서브 캐리어 대역들로 분할하여 사용하고, 계층 구조를 가지는 멀티캐스트 데이터를 송신하는 직교 주파수 분할 다중 통신 시스템에서 멀티캐스트 데이터 수신 장치에 있어서, 수신 신호를 고속 푸리에 변환하는 고속 푸리에 변환기와, 상기 고속 푸리에 변환된 신호에서 서브 캐리어 할당 정보 및 비트 할당 정보를 검출하는 제어 신호 처리기와, 이후 상기 검출한 서브 캐리어 할당 정보에 상응하는 서브 캐리어를 통해서 수신되는 신호를 상기 비트 할당 정보에 상응하는 복조 방식으로 복조하는 서브 캐리어 선택 및 적응적 복조기를 포함함을 특징으로 한다.

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 멀티캐스트(multicast) 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiple, 이하 'OFDM'이라 칭하기로 한다) 방식을 사용하는 통신 시스템(이하 '멀티캐스트 OFDM 통신 시스템'이라 칭하기로 한다)에서 시스템 전체 전송률을 최대화시키기 위해서 서브 캐리어(sub-carrier)별, 사용자, 즉 수신기별 채널 상태에 적응적으로 멀티캐스트 데이터를 송수신하는 방안을 제안한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 송신기 내부 구조를 도시한 블록도이다.

상기 도 4를 참조하면, 먼저 상기 송신기, 일 예로 억세스 포인트(AP: Access Point, 이하 'AP'라 칭하기로 한다)는 상기 AP가 서비스를 제공하고 있는 다수의, 즉 K개의 수신기들, 즉 이동국(MS: Mobile Station, 이하 'MS'라 칭하기로 한다)들의 채널 품질 정보(CQI: Channel Quality Information, 이하 'CQI'라 칭하기로 한다)를 가지고 있다. 여기서, 상기 AP는 기지국(BS: Base Station)과 동일한 역할을 수행하며, 설명의 편의상 상기 MS와 사용자(user) 용어를 혼용하여 사용하기로 한다. 상기 CQI는 각 사용자들 미리 설정된 설정 주기로 피드백(feedback)하며, 상기 CQI로는 신호대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio, 이하 'SNR'이라 칭하기로 한다) 등이 될 수 있다.

상기 K명의 사용자들 각각의 CQI들은 서브 캐리어 할당기(sub-carrier allocator)(402)와 비트 할당기(bit allocator)(403)로 전달된다. 상기 서브 캐리어 할당기(402)는 상기 K명의 사용자들 각각의 CQI들을 참조하여 상기 서브 캐리어들 각각에 동일한 송신 전력(transmit power)을 제공한다는 가정하에 상기 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 서브 캐리어들을 상기 K명의 사용자들 각각에 할당한다. 상기 서브 캐리어 할당기(402)의 서브 캐리어 할당 방식은 하기에서 도 6을 참조하여 설명할 것이므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 상기에서 설명한 바와 같이 상기 서브 캐리어 할당기(402)에서 서브 캐리어를 할당함에 있어 가장 중요한 요소로 작용하는 것은 상기 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 모든 서브 캐리어들 각각에 동일한 송신 전력을 제공한다는 점이다. 그러나, 상기 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 모든 서브 캐리어들 각각에 동일한 송신 전력을 제공한다는 가정은 상기 서브 캐리어 할당시에만 적용됨에 유의하여야만 한다.

한편, 상기 비트 할당기(403)는 상기 K명의 사용자들 각각의 CQI들과 상기 서브 캐리어 할당기(402)의 서브 캐리어 할당 정보를 참조하여 비트를 할당한다. 상기 비트 할당기(403)의 비트 할당 방식은 하기에서 도 8을 참조하여 설명할 것이므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 상기 서브 캐리어 할당기(402)의 서브 캐리어 할당 정보와 상기 비트 할당기(403)의 비트 할당 정보는 제어 신호 발생기(control signal generator)(405)와 적응적 변조기(adaptive modulator)(407)로 출력된다. 상기 제어 신호 발생기(405)는 상기 기 서브 캐리어 할당기(402)의 서브 캐리어 할당 정보와 상기 비트 할당기(403)의 비트 할당 정보를 제어 신호로 생성하여 선택기(selector)(409)로 출력한다.

한편, 상기 적응적 변조기(407)는 상기 비트 할당기(403)의 비트 할당 정보를 참조하여 입력되는 계층 데이터를 적응적 변조시킨다. 여기서, 상기 계층 데이터는 상기 종래 기술 부분의 도 1에서 설명한 바와 같이 계층 구조를 가지는 데이터이며, 다수의 계층들중 임의의 계층에 해당하는 데이터를 수신할 경우 수신기는 상기 수신된 계층 데이터만으로 원래의 데이터를 복조해낼수 있는 데이터이다. 즉, 상기 멀티캐스트 데이터는 영상이나 음성과 같이 전체 멀티캐스트 데이터 중 일부(기본 데이터)는 가장 기본적인 정보를 포함하여 그 자체만으로도 낮은 품질의 원래의 멀티캐스트 데이터를 제공할 수 있어야만 하고, 상기 일부의 데이터를 제외한 나머지 데이터(부가 데이터)는 상기 기본 데이터보다 더 상세한 정보를 포함하여 상기 기본 데이터에 더해져서 높은 품질의 원래의 멀티캐스트 데이터를 제공할 수 있는 데이터이다. 일 예로, 상기 멀티캐스트 데이터가 초당 30개의 프레임들을 송신하는 비디오 스트림(video stream)이라고 가정할 때, 수신기가 초당 30개의 프레임들을 모두 수신하지 못하고 임의의 10개의 프레임들만을 수신해도 비교적 낮은 품질을 가지기는 하지만 인지 가능한 비디오 스트림을 생성할 수 있다.

또한, 상기 비트 할당 정보는 상기 적응적 변조기(407)가 상기 적응적 변조를 위한 변조 방식을 결정할 수 있도록 하는 정보를 나타낸다. 일 예로, 상기 비트 할당 정보가 1이면 상기 적응적 변조기(407)가 적용하는 변조 방식이 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 방식으로 설정되어야 함을 나타내며, 상기 비트 할당 정보가 2이면 상기 적응적 변조기(407)가 적용하는 변조 방식이 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 방식으로 설정되어야 함을 나타내며, 상기 비트 할당 정보가 4이면 상기 적응적 변조기(407)가 적용하는 변조 방식이 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 방식으로 설정되어야 함을 나타낸다. 본 발명에서는 상기 적응적 변조기(407)가 적용하는 변조 방식이 BPSK 방식과, QPSK 방식과, 16QAM 방식으로 설정하였으나, 상기 변조 방식과 상이한 변조 방식을 사용할 수도 있음은 물론이다.

상기 선택기(409)는 제어 신호 발생 구간일 경우에는 상기 제어 신호 발생기(405)에서 출력한 신호를 선택하여 역고속 푸리에 변환(IFFT: Inverse Fast Fourier Transform, 이하 'IFFT'라 칭하기로 한다)기(411)로 출력하고, 상기 제어 신호 발생 구간이 아닐 경우, 즉 멀티캐스트 데이터 발생 구간일 경우에는 상기 적응적 변조기(407)에서 출력한 신호를 선택하여 상기 IFFT기(411)로 출력한다. 상기 IFFT기(411)는 상기 선택기(409)에서 출력한 신호를 입력하여 N-포인트(N-point) IFFT를 수행한 후 병렬/직렬 변환기(parallel to serial converter)(413)로 출력한다.

또한, 상기 병렬/직렬 변환기(413)로는 상기 IFFT기(411)에서 출력되는 신호 뿐만 아니라 Cyclic Prefix가 입력된다. 상기 Cyclic Prefix는 보호 구간(guard interval) 동안 송신되는 신호로서, 상기 보호 구간은 상기 멀티캐스트 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 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 설정되어 사용되고 있다. 상기 병렬/직렬 변환기(413)는 상기 IFFT기(411)에서 출력한 신호와 상기 Cyclic Prefix를 직렬 변환한 한 후 무선 주파수 처리하여(도시하지 않음) 안테나를 통해 송신한다. 여기서, 상기 무선 주파수 처리 과정을 설명하면 다음과 같다.

상기 도 4에 도시하지는 않았지만 상기 병렬/직렬 변환기(413)에서 출력한 신호는 디지털/아날로그 변환기(digital to analog converter)로 입력되고, 상기 디지털/아날로그 변환기는 상기 병렬/직렬 변환기(413)에서 출력한 신호를 입력하여 아날로그 변환한 후 무선 주파수(RF: Radio Frequency, 이하 'RF'라 칭하기로 한다) 처리기(processor)로 출력한다. 여기서, 상기 RF 처리기는 필터(filter)와 전처리기(front end unit) 등을 포함하여 상기 디지털/아날로그 변환기에서 출력한 신호를 실제 에어(air)상에서 전송가능하도록 RF 처리한 후 안테나(antenna)를 통해 전송하는 것이다.

한편, 본 발명에서는 상기 적응적 변조기(407)의 적응적 변조에 따라서 시스템 전체 전송률이 결정된다. 따라서, 상기 서브 캐리어 할당기(402)의 서브 캐리어 할당 방식 및 비트 할당기(403)의 비트 할당 방식이 중요한 요소로 작용하게 된다. 즉, 계층 데이터를 송신하는 것은 다수의 수신기들에게 동일한 데이터를 송신하는 것이므로 서브 캐리어들 각각에 적용하느 변조 방식은 상기 다수의 수신기들 각각으로부터 피드백받은 CQI를 참조로한 서브 캐리어 할당과 비트 할당 결과에 따라 결정되는 것이다. 또한, 상기 K명의 사용자들 모두에게 성공적으로 멀티캐스트 데이터를 송신하기 위해서는 상기 K명의 사용자들중 가장 채널 품질이 열악한 사용자가 상기 멀티캐스트 데이터를 수신할 수 있도록 변조 방식을 결정해야만 한다. 그러므로, K명의 사용자들중 중 일부 사용자들만이 수신할 수 있도록 변조 방식을 적용할 경우에는, 즉 K명의 사용자들중 중 일부 사용자들만이 수신할 수 있도록 고차 변조 방식을 적용할 경우에는 결과적으로 모든 사용자들의 수신 정보 데이터향을 증가시키는 것이 가능하게 된다. K명의 사용자 들 중 일부 사용자들만이 수신할 수 있도록 변조 방식을 결정하는 이유는 모든 사용자들을 고려할 경우 채널이 매우 나쁜 사용자를 기준으로 전력을 할당해 주어야 하므로 같은 데이터를 전송하는데 큰 전력을 쓸 수 있다. 그러므로 똑같은 전력에 최대의 데이터량을 얻기 위해서는 채널이 너무 나쁜 사용자의 서브 캐리어에는 무시하는 식의 서브 캐리어 할당을 해야 한다는 것이다. 따라서, 상기 서브 채널 할당기(402) 및 비트 할당기(403)는 상기와 같은 사실들을 고려하여 최적으로 서브 채널 및 비트를 할당해야만 한다.

상기 도 4에서는 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 송신기 내부 구조를 설명하였으며, 다음으로 도 5를 참조하여 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 수신기 내부 구조를 설명하기로 한다.

상기 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 수신기 내부 구조를 도시한 블록도이다.

상기 도 5를 참조하면, 먼저 AP에서 송신한 신호는 다중 경로 채널(multipath channel)을 겪고 잡음이 가산된 형태로 수신기, 즉 사용자의 수신 안테나(Rx antenna)를 통해서 수신된다. 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호는 RF 처리기(도시하지 않음)로 입력되고, 상기 RF 처리기는 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 중간 주파수(IF: Intermediate Frequency) 대역으로 다운 컨버팅(down converting)한 후 아날로그/디지털 변환기(analog to digital convertor)(도시하지 않음)로 출력한다. 상기 아날로그/디지털 변환기는 상기 RF 처리기에서 출력한 아날로그 신호를 디지털 변환한 후 보호 구간 제거기(도시하지 않음)로 출력한다. 상기 보호 구간 제거기는 상기 아날로그/디지털 변환기에서 출력한 신호를 입력하여 보호 구간 신호를 제거한 후 상기 직렬/병렬 변환기(501)로 출력한다. 상기 직렬/병렬 변환기(501)는 상기 보호 구간 제거기에서 출력한 직렬 신호를 입력하여 병렬 변환한 후 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform， 이하 'FFT'라 칭하기로 한다)기(503)로 출력한다.

상기 FFT기(503)는 상기 직렬/병렬 변환기(501)에서 출력한 신호를 N-포인트 FFT를 수행한 후 분배기(505)로 출력한다. 상기 분배기(505)는 제어 신호 수신 구간일 경우에는 상기 FFT기(503)에서 출력한 신호를 제어 신호 처리기(507)로 출력하고, 상기 제어 신호 수신 구간이 아닐 경우, 즉 멀티캐스트 데이터 수신 구간일 경우에는 상기 FFT기(503)에서 출력한 신호를 서브 캐리어 선택 및 적응적 복조기(509)로 출력한다. 상기 제어 신호 처리기(507)는 상기 FFT기(503)에서 출력한 신호를 입력하여 제어 정보, 즉 서브 캐리어 할당 정보 및 비트 할당 정보를 추출하여 상기 서브 캐리어 선택 및 적응적 복조기(509)로 출력한다. 상기 서브 캐리어 선택 및 적응적 복조기(509)는 상기 제어 신호 처리기(507)에서 출력한 서브 캐리어 할당 정보 및 비트 할당 정보에 상응하게 상기 FFT기(503)에서 출력한 신호를 복조한 후 계층 데이터로 출력한다.

상기 서브 캐리어 선택 및 적응적 복조기(509)의 구체적인 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, AP에서 송신한 신호, 즉 모든 서브 캐리어들을 통해서 송신되는 신호들은 임의의 사용자, 즉 k번째 사용자를 타겟으로 하여 송신된 것이 아니기 때문에 상기 제어 신호 처리기(507)에서 출력한 서브 캐리어 할당 정보 및 비트 할당 정보를 참조하여 상기 k번째 사용자가 수신해야만 하는 서브 캐리어를 결정하고, 상기 비트 할당 정보에 상응하는 복조 방식으로 복조하여 k번째 사용자의 멀티캐스트 데이터를 복호한다. 이와는 달리, 상기 서브 캐리어 선택 및 적응적 복조기(509)는 제어 신호 처리기(507)에서 출력하는 비트 할당 정보만을 사용하여 k번째 사용자의 멀티캐스트 데이터를 복호할 수 있다. 즉, 상기 서브 캐리어 선택 및 적응적 복조기(509)는 상기 k번째 사용자가 추정한 서브 캐리어의 SNR과 상기 서브 캐리어에 할당된 변조 방식을 수신하기 위해 필요한 SNR을 비교하여, 상기 추정한 서브 캐리어의 SNR값이 상기 필요한 SNR을 초과할 경우 해당 서브 캐리어를 수신하도록 결정할 수 있다. 여기서, 상기 서브 캐리어에 할당된 변조 방식을 수신하기 위해 필요한 SNR은 보통 복조가 가능하기 위해서는 특정한 변조 방식을 사용하였을 경우 원하는 데이터의 품질을 보장하기 위해 필요한 SNR 값이 존재하는데, 이 SNR을 의미한다.

상기와 같이 SNR을 참조하여 멀티캐스트 데이터를 복조하는 경우 상기 서브 캐리어 할당 정보 및 비트 할당 정보를 사용하여 멀티캐스트 데이터를 복조하는 경우에 비해서 AP가 사용자로 알려주어야만 하는 제어 정보의 양을 줄일 수 있다.

그러면, 여기서 본 발명에서 제안하는 서브 캐리어 할당 방식과 비트 할당 방식에 대해서 설명하기로 한다.

먼저, 하기와 같은 변수들을 정의하기로 한다.

k: 사용자 인덱스(index)(1~K)

n: 서브 캐리어 인덱스 (1~N)

: k번째 사용자의 n번째 서브 캐리어에서 채널 이득(channel gain)

: n번째 서브 캐리어를 통해 송신되는 비트들 수

: k번째 사용자가 n번째 서브 캐리어를 할당받았는지 여부(이진수)

: k번째 사용자의 데이터 레이트

f(c): 특정 서브 캐리어에 c 비트전송하기 위해 필요한 수신 전력, 디스크릿 변수 (0~f(M))

: n번째 서브 캐리어를 통해 m 비트를 송신하기 위해 필요한 송신 전력

: 전체 송신 전력(Total Transmit Power)

상기와 같이 변수들을 정의하였을 경우 상기 K명의 사용자들이 수신하는 정보량의 총합을 최대화하기 위한 문제는 하기 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.

상기 수학식 2에서, f(c)는 상기에서 설명한 바와 같이 c 비트 서브 채널에 사용하기 위해 필요한 수신 전력을 나타내며, 상기 c 비트 서브 채널에 QAM 방식을 적용할 경우 하기 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.

상기 수학식 3에서 Q 함수는 하기 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

결과적으로, 상기 수학식 2에 나타낸 바와 같은 상기 K명의 사용자들이 수신하는 정보량의 총합을 최대화하기 위한 문제는 하기 수학식 5와 같이 변수 를 정의하고, 상기 수학식 2의 제약 조건의 max 함수를 하기 수학식 6과 같이 정의하면 정수 프로그래밍(IP: Integer Programming, 이하 'IP'라 칭하기로 한다) 형태로 변환이 가능하다.

.....

상기 수학식 5 및 수학식 6과 같은 정의를 사용하여 얻어진 IP 형태의 상기 K명의 사용자들이 수신하는 정보량의 총합을 최대화하기 위한 문제는 하기 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.

하지만, 상기 IP 형태는 NP(Non-Polynomial)-Hard 문제이기 때문에 효율적인 계산 방법이 존재하지 않는다. 즉, 상기 IP 형태에 대해서는 실시간으로 구현하는 것이 불가능하다.

따라서, 본 발명에서는 서브 캐리어들 각각에 할당되는 송신 전력이 으로 동일하다고 가정함으로써 상기 수학식 7과 같은 IP 형태의 상기 K명의 사용자들이 수신하는 정보량의 총합을 최대화하기 위한 문제를 서브 캐리어 할당과 비트 할당을 분리한 간단한 방식을 사용하여 해결한다.

첫 번째로, 서브 캐리어들 각각에 할당되는 송신 전력이 동일하다고 가정하였기 때문에 상기 수학식 7은 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.

그러면 여기서 도 6을 참조하여 상기 도 4의 서브 캐리어 할당기(402)의 서브 캐리어 할당 동작에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 6은 도 4의 서브 캐리어 할당기(402)의 내부 구조를 도시한 블록도이다.

상기 도 6을 참조하면, 상기 서브 캐리어 할당기(402)는 임시 수용 가능 사용자 수 계산기(601)와, 임시 전송 가능 비트량 계산기(603)와, 임시 전체 데이터량 계산기(605)와, 최저 수용 가능 사용자 결정기(607)와, 서브 캐리어 할당기(609)로 구성된다. 먼저 상기 도 4에서 설명한 바와 같이 K명의 사용자들 각각으로부터 피드백받은 CQI들이 상기 서브 캐리어 할당기(402)의 임시 수용 가능 사용자 수 계산기(601)로 제공된다. 상기 임시 수용 가능 사용자 수 계산기(601)는 상기 K명의 사용자들 각각으로부터 피드백받은 CQI들을 참조하여 임시 수용 가능 사용자 수를 계산한다. 여기서, 상기 임시 수용 가능 사용자 수라 함은 k번째 사용자가 서브 캐리어를 사용한다고 가정하였을 때 k번째 사용자 보다 n번째 서브 캐리어에 대해 채널 상태가 좋은 사용자의 개수를 의미하는 것으로 전체 데이터량을 계산하기 위해 필요한 값이다. 또한, 상기 임시 수용 가능 사용자 수를 계산하는 이유는 상기 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템에서 최대 전송량을 결정하기 위해 필요한 임시 전체 데이터량을 계산하기 위해서이다. 또한, 상기 임시 수용 가능 사용자 수를 라 표현하기로 한다.

또한, 임시 전송 가능 비트량 계산기(603)는 모든 사용자들이 모든 서브 캐리어들을 사용한다고 가정하면, k번째 사용자가 n번째 서브 캐리어를 사용할 때 송신할 수 있는 데이터량을 계산할 수 있으며, 상기 k번째 사용자가 n번째 서브 캐리어를 사용할 때 송신할 수 있는 데이터량을 라 표현하기로 한다. 상기 k번째 사용자가 n번째 서브 캐리어를 사용할 때 송신할 수 있는 데이터량 , 즉 임시 전송 가능 비트량 는 하기 수학식 9와 같이 표현할 수 있다.

상기 수학식 9에서, 은 f 함수의 역함수(inverse function)이다.

또한, 임시 전체 데이터량 계산기(605)는 n번째 서브 캐리어에 대해서 k번째 사용자가 상기 n번째 서브 캐리어를 사용할 경우 상기 n번째 서브 캐리어를 사용하는 사용자들 중 가장 낮은 SNR을 가진다고 가정하면, 상기 n번째 서브 캐리어를 통해 사용자들이 수신한 데이터량, 즉 임시 전체 데이터량을 계산할 수 있으며, 상기 임시 전체 데이터량 은 하기 수학식 10과 같이 표현할 수 있다.

상기 수학식 10에서, 은 채널 이득이 보다 큰 사용자들의 개수, 즉 임시 수용 가능 사용자 수를 나타낸다.

이렇게, 임시 전체 데이터량 을 계산한 후, 최저 수용 가능 사용자 결정기(607)는 상기 n번째 서브 캐리어에 대해서 임시 전체 데이터량 이 최대값을 가지는 사용자, 즉 최저 수용 가능 사용자를 결정한다. 여기서, 상기 n번째 서브 캐리어에 대해서 임시 전체 데이터량 이 최대값을 가지는 사용자를 결정하는 이유는 상기 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 시스템 전체 전송량을 최대화시키기 위해서는 상기 임시 전체 데이터량 을 최대화시켜야만 하기 때문이다. 상기 최저 수용 가능 사용자 결정 과정은 하기 수학식 11과 같은 수학식을 통해 이루어진다.

, (n=1,2,...,N)

상기 최저 수용 가능 사용자를 결정한 후 하기 수학식 12와 같이 서브 캐리어를 할당한다.

상기 수학식 12를 통해서 와 을 획득할 수 있고, 이는 비트 할당시 사용된다.

그러면 여기서 도 7을 참조하여 상기 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 서브 캐리어 할당 과정의 일 예를 설명하기로 한다.

상기 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 서브 캐리어 할당 과정의 일 예를 도시한 도면이다.

상기 도 7을 참조하면, 먼저 상기 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 서브 캐리어들의 개수가 2개이고(n = 1, 2), AP가 서비스하고 있는 사용자들의 개수가 4개라고(k = 1, 2, 3, 4) 가정하기로 한다. 상기 도 6에서 설명한 바와 같이 상기 4개의 사용자들 각각의 CQI 정보들이 상기 AP로 피드백되고, 그러면 상기 AP의 서브 채널 할당기(402)는 상기 4개의 사용자들 각각의 CQI 정보들을 사용하여 임시 수용 가능 사용자 수와, 임시 전송 가능 비트량을 계산하고, 상기 임시 수용 가능 사용자 수와, 임시 전송 가능 비트량을 사용하여 임시 전체 데이터량을 계산한다. 그리고 나서, 최저 수용 가능 사용자를 결정한 후 서브 캐리어를 할당한다.

상기 도 7에서는 상기 2개의 서브 캐리어들, 즉 1번 서브 캐리어와 2번 서브 캐리어 각각에 대한 서브 캐리어 할당 과정을 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 우선 1번 서브 캐리어(711)에 대한 CQI ()와 상기 수학식 9를 이용해서 를 구한다(703단계). 상기 도 7에서는 를 10이라고 가정하기로 한다. 동시에 또한 구한다(701단계). 다음으로 와 를 바탕으로 를 구한다 (705단계). 여기에서 k=2일 때 가장 큰 값을 얻기 때문에 최저 수용 가능 사용자는 2번째 사용자가 된다(707단계). 이런 정보들을 사용하여 서브 캐리어 할당을 하게 되는 것이다(709단계). 2번 서브 캐리어(713)에 대해서도 역시 상기 1번 서브 캐리어(711)와 동일한 방식으로 서브 캐리어를 할당하게 되는 것이다.

다음으로 도 8을 참조하여 도 4의 비트 할당기(403)의 내부 구조를 설명하기로 한다.

상기 도 8은 도 4의 비트 할당기(403) 내부 구조를 도시한 블록도이다.

상기 도 8을 참조하면, 먼저 상기 비트 할당기(403)는 초기화기(801)와, 비교기(803)와, 감쇄기(805)와, 최소 전력 서브 캐리어 선택기(807)와, 비트 할당 및 임시 전체 전력 계산기(809)로 구성된다. 상기 K명의 사용자들의 CQI들과 상기 서브 채널 할당기(402)에서 할당한 서브 채널 정보는 상기 비트 할당기(403)의 초기화기(801)로 전달되고, 상기 초기화기(801)는 상기 K명의 사용자들의 CQI들과 상기 서브 채널 할당기(402)에서 할당한 서브 채널 정보를 사용하여 비트 할당을 위해 필요한 변수들을 초기화한다. 여기서, 상기 비트 할당을 위해 필요한 변수들은 c_n과, P_T ^*과, u_n과, ΔP_n(0)이다.

한편, 상기 비교기(803)는 현재까지 사용한 임시 전체 송신 전력()이 최대 전체 송신 전력 ()을 초과하였는지 비교하고(), 상기 비교 결과 상기 임시 전체 송신 전력()이 최대 전체 송신 전력 ()을 초과하였을 경우 감쇄기(805)에 제어 신호를 전송하여 상기 감쇄기(805)가 c_n ^*에서 1을 빼도록 하여(c_n ^* - 1) c_n을 할당하도록 제어한다. 즉, 상기 감쇄기(805)는 가장 최근에 비트 할당한 서브 캐리어의 비트를 감소시킨 후 종료한다.

만약, 상기 비교기(803)가 비교 결과 상기 임시 전체 송신 전력()이 최대 전체 송신 전력 ()을 초과하지 않아 T을 경우 상기 비교기(803)는 상기 최소 전력 서브 캐리어 선택기(807)로 제어 신호를 송신한다. 그러면, 상기 최소 전력 서브 캐리어 선택기(807)는 1비트를 송신하는데 가장 적은 송신 전력을 사용하는 서브 캐리어를 선택한다. 상기와 같이 1비트를 송신하는데 가장 적은 송신 전력을 사용하는 서브 캐리어를 선택하는 이유는 가장 작은 전력으로 가장 많은 비트들을 송신하기 위해서이다.

이렇게, 상기 최소 전력 서브 캐리어 선택기(807)가 1비트를 송신하는데 가장 적은 송신 전력을 사용하는 서브 캐리어를 선택함에 따라 상기 비트 할당 및 임시 전체 전력 계산기(809)는 비트 할당과 임시 전체 전력을 다시 계산한 후 그 결과를 상기 비교기(803)로 피드백한다. 한편, 상기 비트 할당기(403)의 비트 할당 동작을 수학식으로 표현하면 하기 수학식 13 내지 15와 같다.

상기 수학식 13에서 증가 전력 은 하기 수학식 14와 같이 표현할 수 있다.

그리고, 상기 은 하기 수학식 15와 같이 표현할 수 있다.

다음으로 도 9를 참조하여 본 발명에서 제안하고자 하는 멀티캐스트 OFDM 시스템의 일 실시 예에 따른 비트 할당 알고리즘 과정에 대해 알아보자. 일 실시 예에서는 2개의 서브 캐리어와 4명의 사용자, 이라 가정하고 4명 채널 정보는 상기 도 7에서의 정보와 동일하다고 가정한다.

1) 4명 사용자의 채널 정보 (401)와 서브 캐리어 할당 정보 (402)를 이용하여 비트 할당을 하기 위해 필요한 값들을 초기화 한다. 상기 도 7에서의 채널 정보를 바탕으로 초기화 된 값은 911에서 나타낸 것과 같다. 즉, 이고 이다.

2) 다음으로 비교기 (903)를 통해 현재까지 사용한 임시 전체 전력 ()이 최대 전체 전력 ()을 초과하였는지 살펴본 후, 초과하였을 때는 감쇄기를 거쳐 종료하고 초과하지 않았을 경우에는 계속해서 비트 할당을 한다.이기 때문에 10을 초과하지 않았고 따라서 907로 이동한다.

3) 비교기 (903)에서 임시 전체 전력이 최대 전체 전력을 초과하지 않았을 경우, 비트 할당을 해 줄 서브 캐리어를 선택하기 위해 1 비트를 전송하는데 가장 적은 전력을 사용하는 서브 캐리어를 선택한다 (907). 이와 같이 해야 적은 전력으로 가장 많은 비트를 전송할 수 있게 된다. 이 때 선택된 서브 캐리어는 1번이다.

4) 비트 할당과 임시 전체 전력을 다시 계산한 후 (909), 비교기 (903) 로 다시 간다. 비트 할당과 임시 전체 전력을 다시 구한 값은 913에 명시되어 있다. 즉, 이다.

5) 비교기 (903)에서 임시 전체 전력이 최대 전체 전력을 초과하지 않았기 때문에 3),4),5)를 반복한다. 이와 같이 반복하였을 때 의 변화 과정을 보면 915,917,919,921과 같다. 결과적으로 을 얻었다.

다음으로 도 10을 참조하여 본 발명에서 제안하는 멀티캐스트 OFDM 시스템에서 송신 단을 과정을 알아보도록 하자.

1003 에서는 K명 사용자의 채널 정보를 이용하여 서브 캐리어를 할당한다. 1005에서는 K명 사용자의 채널 정보와 서브 캐리어 정보를 이용하여 비트를 할당한다. 다음으로 제어 신호 구간 (1007)인지는 판단하여 제어 신호 전송 구간일 경우 1009로 이동한다. 1009에서는 제어 신호 발생기를 통하여 서브 캐리어/비트 할당 정보를 IFFT 입력 단에 삽입한 후 종료한다. 상기 1007에서 제어 신호 전송 구간이 아닐 경우 1011로 이동한다. 1011에서는 비트 할당 정보를 이용하여 적응 변조기의 변조 방식을 결정한다. 다음으로 1013에서 계층 데이터를 적응 변조기에 삽입한 후 결과 신호를 IFFT 입력 단에 삽입한 후 (1015) 종료한다.

다음으로 도 11를 참조하여 본 발명에서 제안하는 멀티캐스트 OFDM 시스템에서 수신 단의 과정을 알아보도록 하자.

1103 에서는 안테나로부터 받은 정보 중 CP를 제거하여 FFT에 삽입한 후, 1105로 이동한다. 1105에서는 FFT 출력 단의 신호를 분배기로 삽입한 후 1107로 이동한다. 1107에서는 제어 신호 수신 구간인지 판단하여 제어 신호 수신 구간일 경우 1109로 이동한다. 상기 1109에서는 분배기로부터 제어 신호 정보를 얻는다 (서브 캐리어/비트 할당 정보). 상기 1107에서 제어 신호 수신 구간이 아닐 경우, 1111로 이동한다. 상기 1111에서는 분배기 출력 신호를 서브 캐리어 선택 및 적응 복조기에 삽입하고 그 후 제어 신호 정보를 이용하여 k번째 사용자 계층 데이터를 복구한 후 (1113) 종료한다.

다음으로 도 12를 참조하여 본 발명에서 제안하는 멀티캐스트 OFDM 시스템에서 서브 캐리어 할당 알고리즘 과정을 알아보도록 하자.

1203 에서는 K명 사용자 채널 정보를 이용하여 임시 수용 가능 사용자 수를 계산한 후 1205로 이동한다. 상기 1205에서는 K명 사용자 채널 정보를 이용하여 임시 전송 가능 비트량을 계산한 후 1207로 이동한다. 상기 1207에서는 임시 수용 가능 사용자 수와 임시 전송 가능 비트량을 이용하여 임시 전체 데이터 량을 계산한 후, 1209로 이동한다. 상기 1209에서는 임시 전체 데이터량을 이용하여 최저 수용 가능 사용자를 결정한 후, 1211로 이동한다. 상기 1211에서는 K명 사용자 채널 정보와 최저 수용 가능 사용자 정보를 이용하여 서브 캐리어를 할당한 후 종료한다.

다음으로 도 13를 참조하여 본 발명에서 제안하는 멀티캐스트 OFDM 시스템에서 비트 할당 알고리즘 과정을 알아보도록 하자.

1303에서는 K명 사용자 채널 정보와 서브 캐리어 할당 정보를 초기화 장치에 삽입한 후 1305로 이동한다. 상기 1305에서는 비트 할당에 필요한 값들을 초기화 시킨다. 모든 n에 대해서 을 계산하고, 을 계산하고 으로 한 후 1307로 이동한다. 상기 1307에서는 인지 판단하여 참일 경우 1313으로 이동한다. 상기 1313에서는 최근의 할당 비트를 감쇄한 후 종료한다. 상기 1397에서 를 판단한 후 거짓일 경우 1309로 이동한다. 상기 1309에서는 최소 전력 서브 캐리어를 선택한 후, 1311로 이동한다. 상기 1311에서는 비트 할당 및 임시 전체 전력를 계산한 후 1307로 이동한다.

본 발명에 의한 성능 개선을 보이기 위해 IEEE 802.11a와 유사한 시스템을 가정한 뒤 모의 실험을 수행하였다. 즉, 서브 캐리어의 개수는 64개이며, BPSK에서 64QAM을 적응적으로 사용하였다. 채널을 frequency selective Rayleigh fading channel을 가정하였으며, 이때 channel tap들은 모두 동일한 평균 전력을 가지고 있다. 이때 BER의 목표치는 0.0001을 가정하였다.

도 14는 4명의 사용자가 있는 경우 송신 전력이 변할 때 각 사용자가 수신한 정보량의 합을 본 발명과 비적응적 변조 방식을 사용한 경우에 대해 비교한 것이다. 본 발명에 의해 비 적응적 변조 방식중 가장 좋은 경우에 비해 상당한 전송량 향상을 가져왔다. 예를 들어 20dB 송신 전력을 사용하는 경우, 가장 최적의 비 적응 방법은 BPSK를 사용하는 () 경우인데, 이에 비해 본 발명은 약 50%의 전송량 증가를 가져 왔다.

도 15는 전송 전력을 30dB로 고정한 경우 실험 결과이다. 두 가지 방법 모두 사용자가 증가하는 경우 전송량이 증가하나, 본 발명을 사용하는 경우 전송량 증가 곡선의 기울기가 더 가파름을 알 수 있다. 즉, 본 발명이 사용자의 개수가 늘어남에 따라 더 효율적이다.

본 발명에서는 멀티캐스트 OFDM 시스템에서 계층별 멀티캐스트 데이터를 전송하는 경우 각 서브 캐리어별, 사용자별 링크 파라미터를 결정하여 각 사용자가 수신하는 데이터 양의 합을 최대화 하는 적응 변조방법을 제안하였다. 이때 수신된 정보는 여러 층으로 나뉘어 있으며 임의의 층을 수신 한 뒤 더해서 원래 전송된 정보의 저해상도 정보를 복호한다. 이 방법을 통해 제어된 서브 캐리어들의 링크 파라미터들과 각 서브 캐리어를 복호할 수 있는 사용자의 수가 서로 다르게 된다. 이를 통해 본 방법의 최적 해는 정수 프로그래밍 (Integer Programming, 이하 IP라 칭함)을 통해 링크 파라미터를 결정하나, 본 발명에서는 최적 해 외에 이 성능에 근접하는 부 최적 해를 구하였으며, 이를 통해 실시간 링크 파라미터 적응 변조를 가능케 하였다. 결론적으로 스케일 능력이 있는 멀티캐스트 데이터를 전송하는 경우 주파수 효율을 높였다.

도 1은 일반적인 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 다중 멀티캐스트 MAC 주소의 사용 방식을 개략적으로 도시한 도면

도 2는 일반적인 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 송신 신호 처리 과정을 개략적으로 도시한 도면

도 3은 일반적인 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 헤더 구조를 개략적으로 도시한 도면

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 송신기 내부 구조를 도시한 블록도

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 수신기 내부 구조를 도시한 블록도

도 6은 도 4의 서브 캐리어 할당기(402)의 내부 구조를 도시한 블록도

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 멀티캐스트 OFDM 통신 시스템의 서브 캐리어 할당 과정의 일 예를 도시한 도면

도 8은 도 4의 비트 할당기(403) 내부 구조를 도시한 블록도

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 멀티캐스트 OFDM 시스템에서 비트 할당 과정의 일 예를 도시한 도면

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 멀티캐스트 OFDM 시스템에서 멀티캐스트 데이터 송신 과정을 도시한 순서도

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 멀티캐스트 OFDM 시스템에서 멀티캐스트 데이터 수신 과정을 도시한 순서도

도 12는 도 10의 서브 캐리어 할당 과정을 도시한 순서도

도 13은 도 10의 비트 할당 과정을 도시한 순서도

도 14는 본 발명에서 제안하는 멀티캐스트 OFDM 시스템에서 4명의 사용자가 있는 경우 송신 전력이 변할 때 각 사용자가 수신한 정보량의 합을 나타낸 도면

도 15는 본 발명에서 제안하는 멀티캐스트 OFDM 시스템에서 송신 전력이 30dB 로 고정되어 있고, 사용자의 개수가 2에서 8까지 변하는 경우 각 사용자가 수신한 정보량의 합을 나타낸 도면

Claims (16)

1. 전체 주파수 대역을 다수의 서브 캐리어 대역들로 분할하여 사용하고, 계층 구조를 가지는 멀티캐스트 데이터를 송신하는 직교 주파수 분할 다중 통신 시스템에서 멀티캐스트 데이터 송신 방법에 있어서,

   현재 서비스하고 있는 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들을 사용하여 상기 이동국들 각각에 상기 서브 캐리어들을 할당하는 과정과,

   상기 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들과 상기 서브 캐리어들의 할당 정보를 사용하여 상기 서브 캐리어들 각각을 통해 송신할 비트들의 개수를 할당하는 과정과,

   이후 송신할 멀티캐스트 데이터가 발생하면 상기 할당된 서브 캐리어들 각각에 할당된 비트들의 개수에 상응하게 상기 멀티캐스트 데이터를 변조하여 상기 이동국들로 송신하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 서브 캐리어들을 할당하는 과정은;

   상기 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들을 사용하여 임시 수용 가능 사용자 수와 임시 전송 가능 비트량을 계산하는 과정과,

   상기 계산한 임시 수용 가능 사용자 수와 임시 전송 가능 비트량을 가지고 임시 전체 데이터량을 계산하는 과정과,

   상기 계산한 임시 전체 데이터량을 사용하여 최저 사용 가능 사용자를 결정하는 과정과,

   상기 결정한 최저 사용 가능자를 해당 서브 캐리어에 할당하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 임시 전송 가능 비트량은 임의의 이동국이 임의의 서브 캐리어를 사용할 때 송신할 수 있는 데이터량을 나타냄을 특징으로 하는 상기 방법.
4. 제2항에 있어서,

   상기 임시 전체 데이터량은 임의의 서브 캐리어에 대해서 임의의 이동국이 상기 임의의 서브 캐리어를 사용할 경우, 상기 임의의 이동국이 상기 임의의 서브 캐리어를 사용하는 이동국들중 가장 낮은 신호대 잡음비를 가질 경우 상기 임의의 서브 캐리어를 통해 상기 이동국들이 수신하는 데이터량을 나타냄을 특징으로 하는 상기 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 비트들의 개수를 할당하는 과정은;

   상기 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들과 상기 서브 캐리어들의 할당 정보를 사용하여 현재까지 사용한 임시 전체 송신 전력이 최대 전체 송신 전력 을 초과하였는지 비교하는 과정과,

   상기 비교 결과 현재까지 사용한 임시 전체 송신 전력이 최대 전체 송신 전력을 초과하였을 경우에는 상기 서브 캐리어들에 현재 할당되어 있는 비트들 개수에서 미리 설정되어 있는 비트들 개수를 뺀값으로 비트를 할당하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 비교 결과 현재까지 사용한 임시 전체 송신 전력이 최대 전체 송신 전력을 초과하였을 경우에는 최소 송신 전력 서브 캐리어를 선택하고, 상기 서브 캐리어들에 할당되어 있는 비트들의 개수와 상기 임시 전체 송신 전력을 재계산한 후 상기 비교 과정으로 되돌아가는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 최소 송신 전력 서브 캐리어는 미리 설정된 설정 개수의 비트들을 송신할 때 최소의 송신 전력이 소모되는 서브 캐리어임을 특징으로 하는 상기 방법.
8. 전체 주파수 대역을 다수의 서브 캐리어 대역들로 분할하여 사용하고, 계층 구조를 가지는 멀티캐스트 데이터를 송신하는 직교 주파수 분할 다중 통신 시스템에서 멀티캐스트 데이터 송신 장치에 있어서,

   현재 서비스하고 있는 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들을 사용하여 상기 이동국들 각각에 상기 서브 캐리어들을 할당하는 서브 캐리어 할당기와,

   상기 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들과 상기 서브 캐리어들의 할당 정보를 사용하여 상기 서브 캐리어들 각각을 통해 송신할 비트들의 개수를 할당하는 비트 할당기와,

   이후 송신할 멀티캐스트 데이터가 발생하면 상기 할당된 서브 캐리어들 각각에 할당된 비트들의 개수에 상응하게 상기 멀티캐스트 데이터를 변조하여 상기 이동국들로 송신기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 서브 캐리어 할당기는 상기 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들을 사용하여 임시 수용 가능 사용자 수와 임시 전송 가능 비트량을 계산하고, 상기 계산한 임시 수용 가능 사용자 수와 임시 전송 가능 비트량을 가지고 임시 전체 데이터량을 계산하고, 상기 계산한 임시 전체 데이터량을 사용하여 최저 사용 가능 사용자를 결정한 후 상기 결정한 최저 사용 가능자를 해당 서브 캐리어에 할당함을 특징으로 하는 상기 장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 임시 전송 가능 비트량은 임의의 이동국이 임의의 서브 캐리어를 사용할 때 송신할 수 있는 데이터량을 나타냄을 특징으로 하는 상기 장치.
11. 제9항에 있어서,

    상기 임시 전체 데이터량은 임의의 서브 캐리어에 대해서 임의의 이동국이 상기 임의의 서브 캐리어를 사용할 경우, 상기 임의의 이동국이 상기 임의의 서브 캐리어를 사용하는 이동국들중 가장 낮은 신호대 잡음비를 가질 경우 상기 임의의 서브 캐리어를 통해 상기 이동국들이 수신하는 데이터량을 나타냄을 특징으로 하는 상기 장치.
12. 제8항에 있어서,

    상기 비트 할당기는 상기 이동국들 각각으로부터 피드백받은 채널 품질 정보들과 상기 서브 캐리어들의 할당 정보를 사용하여 현재까지 사용한 임시 전체 송신 전력이 최대 전체 송신 전력 을 초과하였는지 비교하고, 상기 비교 결과 현재까지 사용한 임시 전체 송신 전력이 최대 전체 송신 전력을 초과하였을 경우에는 상기 서브 캐리어들에 현재 할당되어 있는 비트들 개수에서 미리 설정되어 있는 비트들 개수를 뺀값으로 비트를 할당함을 특징으로 하는 상기 장치.
13. 제12항에 있어서,

    상기 비트 할당기는 상기 비교 결과 현재까지 사용한 임시 전체 송신 전력이 최대 전체 송신 전력을 초과하였을 경우에는 최소 송신 전력 서브 캐리어를 선택하고, 상기 서브 캐리어들에 할당되어 있는 비트들의 개수와 상기 임시 전체 송신 전력을 재계산한 후 상기 비교 동작을 다시 수행함을 특징으로 하는 상기 장치.
14. 제13항에 있어서,

    상기 최소 송신 전력 서브 캐리어는 미리 설정된 설정 개수의 비트들을 송신할 때 최소의 송신 전력이 소모되는 서브 캐리어임을 특징으로 하는 상기 장치.
15. 전체 주파수 대역을 다수의 서브 캐리어 대역들로 분할하여 사용하고, 계층 구조를 가지는 멀티캐스트 데이터를 송신하는 직교 주파수 분할 다중 통신 시스템에서 멀티캐스트 데이터 수신 방법에 있어서,

    수신 신호를 고속 푸리에 변환하는 과정과,

    상기 고속 푸리에 변환된 신호에서 서브 캐리어 할당 정보 및 비트 할당 정보를 검출하는 과정과,

    이후 상기 검출한 서브 캐리어 할당 정보에 상응하는 서브 캐리어를 통해서 수신되는 신호를 상기 비트 할당 정보에 상응하는 복조 방식으로 복조하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
16. 전체 주파수 대역을 다수의 서브 캐리어 대역들로 분할하여 사용하고, 계층 구조를 가지는 멀티캐스트 데이터를 송신하는 직교 주파수 분할 다중 통신 시스템에서 멀티캐스트 데이터 수신 장치에 있어서,

    수신 신호를 고속 푸리에 변환하는 고속 푸리에 변환기와,

    상기 고속 푸리에 변환된 신호에서 서브 캐리어 할당 정보 및 비트 할당 정보를 검출하는 제어 신호 처리기와,

    이후 상기 검출한 서브 캐리어 할당 정보에 상응하는 서브 캐리어를 통해서 수신되는 신호를 상기 비트 할당 정보에 상응하는 복조 방식으로 복조하는 서브 캐리어 선택 및 적응적 복조기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.