KR20050041857A - Ｏｆｄｍａ 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향링크 프레임 구성방법 - Google Patents

Ｏｆｄｍａ 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향링크 프레임 구성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직교주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) 방식을 사용하는 이동형 데이터 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구조 설계에 이용될 수 있는 OFDMA 신호 방식을 위한 하향 링크 프레임 구성 방법에 관한 것이다. 이 하향 링크 프레임을 구성하기 위해 먼저 하향 링크 프레임의 앞부분에 하나의 프리앰블을 배치하고, 프리앰블 다음에 복수의 데이터 심벌을 배치한다. 다음, 하향 링크 프레임 전반에 걸쳐 일정 구간 주기로 반복해서 상기 데이터 심벌들 사이에 복수의 파일럿 심벌을 삽입한다. 본 발명에 따르면, 프리앰블과 파일럿 심벌을 이용한 빠른 채널 변화를 추적 가능하게 하며, 또한 인접 셀 간의 간섭이 최소화 및 평준화되도록 함으로써 주파수 재사용률을 1로 하여 다수의 셀의 배치 설계를 용이하게 할 수 있다.

Description

ＯＦＤＭＡ 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성방법 {METHOD FOR EMBODYING DOWNLINK FRAME IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM USING ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS METHOD}
본 발명은 이동형 데이터 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직교주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 'OFDMA'이라 함) 방식을 이용하는 이동형 데이터 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법에 관한 것이다.
다중경로 채널을 통해 신호를 전송할 경우, 수신신호는 다중경로에 의한 심벌간 간섭(Inter-Symbol Interference; "ISI")이 발생하게 된다. 특히, 고속 데이터 전송 시에는 심벌의 주기가 채널의 지연 확산보다 작기 때문에 ISI가 더욱 심해져 ISI에 의한 왜곡을 보상하여 송신 신호를 정확히 복원하기 위해서는 복잡한 수신 기법이 필요하게 된다.
이러한 다중경로 채널에서의 왜곡을 보상할 수 있는 변조 방식으로 직교주파수 분할 다중(orthogonal frequency division multiplexing; 이하 'OFDM'이라 함) 방식이 제안되고 있다.
이러한 OFDM 방식의 기본 개념은 직렬로 입력되는 데이터열을 N 개의 병렬 데이터열로 변환하여 각각 분리된 부반송파(sub-carrier)에 실어 전송함으로써 데이터율을 높이는 것이다. 이때, 부반송파는 직교성을 유지할 수 있도록 적절히 선택되어야 한다. 이러한 직교성으로 인하여 각 부반송파를 동일 시간에 중첩하여 전송할 수 있기 때문에, 하나의 반송파를 사용하여 데이터를 순차적으로 전송하는 경우보다 각 부반송파에서의 심벌 주기를 부반송파의 수만큼 길어지게 할 수 있다.
이처럼, OFDM 방식은 상호 직교성을 갖는 부반송파를 사용하므로 기존의 FDM(Frequency Division Multiplexing)에 비해 대역폭 효율이 좋고, 심벌 주기가 길어지게 되므로 단일 반송파 변조 방식에 비해 ISI에 강한 특성을 지닌다.
한편, 광대역 모바일 통신 시스템에서, 라디오 채널은 주파수 선택적이고 시변성을 지니고 있다. 이는 OFDM 시스템에서의 채널이 주파수축과 시간축 모두에서 동일하지 않음을 나타낸다. 뿐만 아니라, 다중 전송 안테나를 사용할 때, 각 부반송파에서 수신 심벌은 다중 전송 안테나로부터 전송된 심벌들이 독립적으로 페이딩을 겪은 후 중첩되어 들어온다. 따라서 다중 전송 안테나를 사용하는 모바일 OFDM 통신 시스템에서 채널은 주파수 선택적이고 시변이기 때문에 OFDM 심벌을 복조시키기 전에 효과적인 채널 추정이 필요하다.
이러한 OFDM 시스템에서, 통상적으로 채널 추정은 시간축과 주파수축 격자에서 이미 알고 있는 부반송파에 파일럿을 삽입하고, 이를 이용하여 수행된다.
상기 OFDM 방식에서의 채널 추정은 채널 추정에 사용하는 데이터의 종류에 따라 크게 파일럿 심벌 기반(pilot-symbol-aided: PSA) 채널 추정 기법과 판정 기반(decision-directed: DD) 채널 추정 기법으로 구분할 수 있다. PSA 기법은 고속 페이딩 채널에 적합하며, 이 때 파일럿은 채널의 코히어런스(coherence) 대역폭, 코히어런스 시간, 파일럿 톤의 사용에 따른 대역폭 효율 감소 등을 고려하여 배치한다. DD 기법은 검출 데이터를 이용하여 다음 심벌 주기의 채널을 추정하므로 고정 또는 시간 상관성이 큰 저속 페이딩 채널에 적합하다.
한편, 방송용이 아닌 셀룰러 이동통신, 무선 LAN, 무선 휴대 인터넷 등에 OFDM 전송방식을 사용하는 경우 단일 반송파 전송방식과 마찬가지로 다수의 사용자를 위한 다중 억세스(multiple access) 방식이 필요하다. 다중 억세스 방식의 대표적 방식으로는 TDMA, FDMA, CDMA가 있는데, OFDM과 이들 다중 억세스 방식을 결합하여 사용한다.
이중 OFDM/TDMA/FDMA(OFDMA) 방식은 각 사용자가 전체 부채널 및 OFDM 심벌들 중에서 일부의 부채널과 일부의 OFDM 심벌들을 이용할 수 있도록 하는 방식으로서, 각 사용자에게 요구하는 전송속도에 따라 부반송파의 개수와 OFDM 심벌 개수를 다르게 할당함으로써 자원분배를 효율적으로 할 수 있다. 특히 큰 크기의 FFT를 사용할 경우 OFDMA 방식이 유리하다.
OFDMA 방식을 채택한 기존의 대표적인 무선 데이터 통신 시스템 규격인 IEEE 802.16은 고정형 데이터 통신을 위한 것이어서 단말기의 이동성을 지원하지 못하며, 이동형 데이터 통신 시스템 규격이 될 IEEE 802.16e가 현재 규격화 작업이 진행 중이다.
그러나 IEEE 802.16e의 OFDMA 모드에서 사용하는 프레임 구조는 단말기의 이동성이 부분적으로만 지원되기 때문에, 채널 추정이 프리앰블만을 이용하여 수행된다. 따라서, 프리앰블 이후에 전송되는 데이터 신호들에 대해서 판정 기반(decision-directed) 방식으로 채널 추정이 가능하기는 하지만 그 신뢰도는 프리앰블을 이용한 채널 추정에 비해 매우 낮다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 신뢰도가 높은 채널 추정이 가능한 OFDMA 방식 통신 시스템을 위한 하향 링크 프레임 구성 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 OFDMA 방식을 사용하는 이동형 데이터 통신 시스템에서 이동형 패킷 데이터 통신을 위한 주파수 재사용률 1을 지원하는 OFDMA 방식 통신 시스템을 위한 하향 링크 프레임 구성 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법은
a) 상기 하향 링크 프레임의 앞부분에 프리앰블을 배치하는 단계;
b) 상기 프리앰블 다음에 복수의 데이터 심벌을 배치하는 단계; 및
c) 상기 하향 링크 프레임 전반에 걸쳐 상기 데이터 심벌들 사이에 파일럿 심벌을 삽입하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 파일럿 심벌은 일정 구간 주기로 상기 데이터 심볼 사이에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 프리앰블은 CP(Cyclic Prefix)와 시간 영역에서 반복되는 두 개의 동일 패턴을 포함할 수 있다. 이때, 상기 파일럿 심벌은 CP와 상기 프리앰블의 두 개의 동일 패턴 중 하나의 패턴을 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 특징에 따른 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법은
a) 상기 하향 링크 프레임의 앞부분에 하나의 프리앰블을 배치하는 단계;
b) 상기 프리앰블 다음에 복수의 데이터 심벌을 배치하는 단계; 및
c) 상기 하향 링크 프레임 전반에 걸쳐 일정 구간 주기로 반복해서 상기 데이터 심벌들 사이에 복수의 파일럿 심벌을 삽입하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 프리앰블을 제외한 하향 링크 구간에 대해 부채널을 정의하여 인접 셀 부채널 간의 간섭을 최소화 및 평준화하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 부채널 정의 단계는,
i) 상기 프리앰블을 제외한 하향 링크 프레임 구간에 대해 기본 순열을 사용하여 부채널을 정의하는 단계; 및
ii) 상기 정의된 동일한 부채널과 슬롯에 대해서 심벌 구간마다 물리적인 부반송파의 위치를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 하나의 특징에 따른 OFDMA 방식의 하향 링크 프레임을 이용한 단말기 동작 방법에 따르면, 단말기가 수신하는 상기 하향 링크 프레임은 앞부분에 배치되는 프리앰블, 상기 프리앰블 다음에 배치되는 복수의 데이터 심벌, 및 상기 데이터 심벌들 사이에 배치되는 파일럿 심벌을 포함한다.
그리고, 상기한 하향 링크 프레임을 이용한 단말기 동작 방법은
상기 하향 링크 프레임을 수신하는 단계;
상기 수신된 하향 링크 프레임의 프리앰블을 이용하여 프레임 타이밍 동기, 심벌 타이밍 동기, 및 반송파 주파수 동기를 획득하고, 수신된 프리앰블을 이용하여 자동 이득 조정을 수행하는 단계; 및
상기 수신된 프리앰블 또는 파일럿 심벌을 이용하여 채널 추정을 수행하는 단계를 포함한다.
한편, 본 발명의 특징에 따른 OFDMA 방식의 하향 링크 프레임 구조는
앞부분에 배치되는 프리앰블;
상기 프리앰블 다음에 배치되는 복수의 데이터 심벌; 및
상기 데이터 심벌들 사이에 배치되는 파일럿 심벌을 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구조 및 여러 활용 방법의 동작을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구조를 예시하는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 하향 링크 프레임(7)의 첫 번째 OFDM 심벌구간에는 프리앰블(1) 전송에 사용되며, 상기 프리앰블(1) 이후의 하향 링크 프레임 구간의 OFDM 심벌구간에는 정수개의 데이터 심벌(3)들이 할당된다.
복수의 파일럿 심벌(5)이 상기 하향 링크 프레임 전반에 걸쳐 일정 구간 주기로 반복해서 상기 데이터 심벌(3)들 사이에 삽입되는데, 파일럿 심벌의 크기는 대략 OFDM 심벌크기의 1/2이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 필요한 경우 프리앰블(1)과 데이터 전송에 할당된 데이터 심벌(3)들 사이에서 하나 이상의 OFDM 심벌을 공통 제어 채널 등의 제어 신호의 전송에 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 하향 링크(7)의 첫 부분에 전송되는 프리앰블(1)은 하향 링크 프레임 신호를 수신한 단말기의 수신부에 의하여 다음과 같은 여러 가지 목적에 활용될 수 있다.
(1) 초기 동기: 프레임 타이밍 동기와 심벌 타이밍 동기, 그리고 반송파 주파수 동기를 포함한다.
(2) 자동 이득 조정
(3) 셀 검색 및 구분: 초기 셀 검색 과정과 핸드오프시의 셀 검색 과정에서 수행된다.
(4) 채널 추정
한편, 본 발명의 실시예에 따른 파일롯 심벌은 일정 구간 주기로 데이터 심벌(3)들 사이에 삽입되어 수신단이 채널의 왜곡정도를 추정하도록 하는 역할을 한다. 이러한 파일럿 심벌을 이용하여 채널 추정을 수행한 결과는 프리앰블을 이용한 채널 추정 결과와 함께 결합되어 채널 변화를 추적하거나 더욱 신뢰도 높은 채널 추정을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서는 세 개의 OFDM 데이터 심벌에 파일럿 심벌이 하나씩 삽입되었는데, 이러한 파일럿 심벌은 채널 추정 또는 채널 변화 추적의 용도로 사용되며, 파일럿 심벌이 삽입되는 주기가 짧을수록 고속의 단말기 이동성을 지원한다. 반면에 파일럿 심벌에 의한 오버헤드(overhead)가 증가하는 단점이 있으므로, 실제 시스템 규격 설계에 있어서는 최대 서비스 가능한 단말기 이동 속도가 지원되는 범위 내에서 파일럿 심벌의 개수를 최소화하는게 바람직하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임의 프리앰블의 시간 영역 형태를 예시하는 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시에에 따른 프리앰블은 시간 영역에서 동일 패턴(pc, 13)이 2회 반복되며, 프리앰블의 앞부분에 CP(cyclic prefix, 11)가 덧붙는다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 심벌은 도 2에 도시된 프리앰블 신호 중 CP(11)의 처음부터 첫 번째 패턴 pc(13)의 마지막까지의 신호와 동일하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 동일 패턴의 각 길이는 1024 샘플의 길이를 가질 수 있다. 이러한 프리앰블 신호 및 파일롯 신호를 생성하기 위한 주파수 영역 패턴 P IDcell,s [k], k=-N FFT /2,- N FFT /2+1,...,N FFT /2-1 는 수학식 1과 같이 주어진다.
여기서, 는 프리앰블 이후의 데이터 신호의 전송 전력에 대한 프리앰블 신호의 상대적인 전력에 해당하는 상수값으로 예를 들어 일 수 있으며, 은 총 개의 서로 다른 셀들을 구분하는 번호이며, 는 길이가 인 왈쉬(Walsh) 부호의 번호이며, 는 부반송파 번호를 나타내며, 신호 전송에 사용되는 유효 부반송파의 개수는 N used 개며, 신호 전송에 사용하지 않는 널(null) 부반송파와 신호 전송에 사용하는 유효 부반송파를 포함한 전체 부반송파의 개수는 개다.
수학식 1에 의해 정의된 가 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 처리되면, 시간 도메인에서 자체적으로 패턴이 반복되는 결과가 발생된다.
또한, 는 수학식 2와 같이 주어지는 주파수 영역 프리앰블 패턴을 나타낸다.
여기서 는 비트 연산자를 의미하며, 는 0 또는 1의 값을 가지며 길이가 이고 번호가 인 Walsh 부호의 번째 부호 심벌 값을 나타내며, 는 0 또는 1의 값을 가지는 길이가 인 PN 부호의 k번째 부호 심벌 값을 나타낸다. 본 발명의 실시예에서 PN 부호는 PRBS(pseudo-random binary sequence)에 의해 생성되며, PRBS 다항식의 예로 X11+X9+1이 있다. 그리고, 프리앰블 변조를 위한 PRBS의 초기 벡터의 예로는 [01010101010]이 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 제공하는 프리앰블은 서로 다른 셀들을 구분하기 위하여 PN 부호와 Walsh 부호의 조합으로 생성된 주파수 영역 패턴을 중심 주파수에 해당하는 부반송파를 중심으로 두 부반송파 간격으로 균일하게 배치하여 OFDM 변조함으로써 생성된다. 상기 프리앰블 신호는 하나의 OFDM 심벌 구간 전체에 걸쳐 약속된 패턴의 신호들 중 하나를 전송하는 것이므로, 이러한 프리앰블 신호를 수신한 단말기에서는 전술한 목적들을 위한 신뢰성 있는 정보를 획득할 수 있다.
한편, 상기 프리앰블을 제외한 나머지 하향 링크 프레임 구간에 대해서는 부채널과 슬롯이 정의되어 자원 할당에 사용된다. 부채널은 공통 제어 신호나 각 데이터 신호에 할당되는 자원의 주파수 영역 할당 단위이며, 슬롯은 시간 영역 할당 단위이다. 부채널 할당은 인접 셀로부터의 간섭 신호가 여러 부채널에 골고루 분산되도록 설계되어야 한다. 본 발명의 실시예에서는 구체적인 예를 들기 위해 부채널 정의 패턴이 총 97 가지이며, 유효 부반송파 개수는 1552이며, 슬롯은 파일럿 심벌을 제외한 세 OFDM 심벌 구간이며, 부채널의 크기는 각 OFDM 심벌 구간에 대해 16개의 부반송파(G0~G15)로 하는 경우를 가정한다. 상기 조건에 대한 설계의 결과 예는 수학식 3과 같다.
여기서, 은 부반송파 번호를 의미하는데, 구체적으로 하향 링크 프레임의 한 슬롯에 속하는 번째 OFDM 심벌 구간에 대한 번째 부채널의 번째 부반송파의 부반송파 번호를 의미하며, 한 슬롯에 속하는 총 1552 × 3 = 4656개의 부반송파에 대해 0~4655의 값으로 해당 부반송파를 가리킨다. 상기 수학식 3에서 n은 m/16보다 크지 않은 최대 정수이며, 는 슬롯 번호가 짝수인 경우에는 0, 홀수인 경우에는 48의 값을 가지는 부반송파 할당 오프셋(offset)이며, 는 수학식 4와 같이 주어지는 기본 순열을 s회 왼쪽으로 회전 쉬프트(cyclic shift) 시킨 것의 번째 원소를 가리킨다.
이러한 부반송파 할당 패턴은 서로 다른 셀의 각 부채널에 대한 부반송파 할당 패턴과의 간섭을 최소화 및 균일화한다. 즉, 서로 다른 두 셀에 대해 각각 전체 97개의 부채널 중 한 부채널씩을 선택할 때, 두 부채널에 속하는 크기가 48인 부반송파 집합은 한 슬롯 구간 동안 하나 이하의 부반송파에서만 중복된다. 이러한 국부적인 간섭은 또한 오류 정정 부호에 의해 부채널 전체에 걸쳐 평균화(averaging)되므로 결과적으로 셀 간의 간섭이 평준화되고 주파수 재사용률이 1이 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임에서 하나의 슬롯 구간 및 하나의 부채널에 대해 부반송파를 할당하는 것을 예시하는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임의 두 개의 슬롯 및 네 개의 부채널로 주어지는 자원을 할당하는 것을 예시하는 도면이다.
즉, 도 3은 한 슬롯 구간에 대해 상기한 부채널의 정의에 따라 부반송파를 할당한 예를 시간 및 부반송파 영역에서 도시한 것이며, 도 4는 상기한 바와 같이 정의된 부채널과 슬롯을 단위로 한 단말기 또는 단말기 그룹에 대해 시간 및 주파수 자원을 할당한 예를 시간 및 부채널 영역에서 도시한 것이다. 도 4의 예는 시간 영역에서 두 슬롯, 부채널 영역에서 네 부채널의 크기를 가지는 자원을 할당한 경우를 보인 것이다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임에서 자원을 할당하는 것을 예시하는 도면으로서, 도 5는 하향 링크 프레임 전반에 걸쳐 각 단말기 또는 각 단말기 그룹에 데이터를 전송하기 위한 자원 할당이 수행된 결과 예를 보인 것이다. 도 5의 예에서는 혼란을 피하고 논리적인 제어 신호 및 트래픽 할당만을 표현하기 위해 프리앰블과 파일럿 심벌은 표현하지 않았다.
또한, 공통 제어 채널 이후의 트래픽 구간의 첫 부분은 IEEE 802.16a와 IEEE 802.16e를 예를 들면 DL-MAP, UL-MAP 등의 프레임 및 자원 할당 정보의 전송에 사용되며, 나머지 하향 링크 프레임 구간은 모두 DL-MAP에 의해 각 단말기에 전달된 할당 정보에 의거하여 하향 링크 데이터를 전송하는데 사용된다.
한편, 본 발명의 실시예에서 파일롯 심벌은 기지국에서 선택적으로 사용할 수 있으며, 기지국이 파일럿 심벌을 사용하여 프레임을 구성하였는지 여부를 공통 제어 채널에 전송함으로써 단말이 이를 식별하도록 할 수 있다.
다음에는 본 발명의 실시예에 따른 프리앰블 생성 방법, 파일롯 심벌 생성 방법, 부채널 정의 방법, 및 단말기 동작 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다음과 같은 방법으로 프리앰블을 생성한다.
먼저, 시간 영역에서 동일 패턴이 정수 회 반복되는 형태의 프리앰블을 발생시키기 위해 수학식 1에 의해 주어지는 주파수 영역 패턴을 변조한다. 상기 프리앰블의 주파수 영역 패턴에은 다수의 셀들을 구분할 수 있는 PN 부호를 생성하여 사용하며, 추가적으로 왈쉬(Walsh) 부호를 변조함으로써 직교성이 강한 프리앰블 패턴 그룹을 발생시키게 된다.
그리고, 파일럿 심벌은 다음과 같은 방법으로 생성한다.
파일럿 심벌을 일정 개수의 OFDM 심벌 구간 간격으로 삽입하고, 상기 파일럿 심벌을 프리앰블의 CP와 하나의 반복 패턴으로 구성하게 된다. 이후, 상기 파일럿 심벌을 이용한 채널 추정 결과를 프리앰블을 이용한 채널 추정 결과와 결합하여 채널 변화를 추적하고, 상기 파일럿 심벌을 이용한 채널 추정 결과를 프리앰블을 이용한 셀 검색 또는 채널 추정 결과와 결합하여 셀 검색 또는 채널 추정 결과의 신뢰도를 향상시키게 된다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 시변 채널에 따른 부채널 정의 방법은 다음과 같이 주어질 수 있다.
프리앰블을 제외한 하향 링크 구간에 대해 수학식 3을 이용하여 부채널을 정의하여 인접 셀 부채널 간의 간섭을 최소화 및 평준화한다. 그리고 나서, 수학식 4를 이용한 기본 순열을 사용하여 상기 정의된 부채널에 대하여 동일한 부채널과 슬롯에 대해서 심벌 구간마다 물리적인 부반송파의 위치를 변화시키게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따라 상기 하향 링크 프레임의 프리앰블과 파일럿 심벌을 이용한 단말기 동작 방법이 다음과 같이 주어질 수 있다.
먼저, 각 단말기는 수신된 프리앰블을 이용하여 프레임 타이밍 동기, 심벌 타이밍 동기, 및 반송파 주파수 동기를 획득하고, 이후 수신된 프리앰블을 이용하여 자동 이득 조정을 수행한다. 그리고, 각 단말기는 수신된 프리앰블 또는 파일럿 심벌을 이용하여 채널 추정을 수행한다.
새로이 무선 통신 시스템에 접속하는 단말기 또는 핸드오프 과정에 있는 단말기는 상기 수신된 프리앰블 또는 파일럿 심볼을 이용하여 최적의 셀을 구분하여 검색한다. 그리고, 상기 시스템에 기 접속하여 정상 동작하는 단말기는 자신이 속한 셀과 인접 셀들의 상기 프리앰블 신호들을 구분 및 측정하여 핸드오프 여부를 결정한다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 프리앰블 및 파일롯 심벌을 이용한 초기 동기 및 채널 추정 방법에 대한 시뮬레이션 결과를 설명한다.
도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임의 프리앰블을 사용한 초기 동기의 성능을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, AWGN, ITU-Ped-B 및 ITU-Veh-A 모델이 본 시뮬레이션에 사용되었다. 도 6의 (a)는 정확한 프리앰블 검출 확률을 나타낸다. 프리앰블 검출을 위해 시간 도메인 복사(replica)의 자동 상관이 사용되었다. 프레임 또는 초기 FFT 윈도우의 시점은 정확한 프리앰블의 검출에 따라 결정된다. 도시된 바와 같이, 매우 낮은 SNR 범위에서 높은 확률로 프리앰블이 검출되었다. 셀/섹터 에지에서의 SINR이 주파수 재사용률 '1'인 조건하에서 매우 낮기 때문에(0dB 보다 매우 작음), 본 발명의 실시예에 따른 프리앰블이 기존의 이동통신 시스템에서 주파수 재사용률을 '1'로 하여 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 6의 (b)는 프레임 검출 후 초기 주파수 추정의 성능을 나타낸 도면이다. 주파수 추정을 위해 시간 도메인 복사(replica)의 공액의 적(積)(product of conjugate)이 사용되었다. 프리앰블의 부반송파에 대한 주파수 도메인 할당으로 인해 추정 범위는 부반송파 공간에 대해 [-1, 1]로 설정되었다. 추정의 범위를 확대함으로써 주파수 도메인에서의 셀 확인의 복잡성이 감소된다. 또한, 시간 도메인 복사(replica)의 길이로 인해 페이딩 채널의 비교적 긴 시간의 지연 확산(delay spread)에도 불구하고 안정된 추정 성능을 보인다. 시뮬레이션 결과는 매우 낮은 SNR 범위에서 매우 만족한 추정 결과를 보였다. 셀/섹터 에지에서의 SINR이 주파수 재사용률 '1'인 조건하에서 매우 낮기 때문에(0dB 보다 매우 작음), 본 발명의 실시예에 따른 프리앰블이 기존의 이동통신 시스템에서 주파수 재사용률을 '1'로 하여 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임의 프리앰블을 사용한 채널 추정 성능(패킷 에러율:Packet Error Rate(PER))을 나타낸 도면이다.
여기에서는 주기적(4번째마다) 파일롯 심벌이 삽입되는 것을 가정하였다. ITU-Veh-A 모델이 본 시뮬레이션에 사용되었다. 주파수 도메인에서, 잡음 제거를 위해 PN-월시의 역확산(despreading)이 사용되었다. 파일롯 심벌들 사이에 있는 심벌들을 위해 시간 도메인 보간법(interpolation)이 사용되었다. 재사용률 '1'인 조건에서 셀 에지 성능을 검증하기 위해, 본 시뮬레이션에서는 낮은 비율(1/2 ∼ 1/12)의 콘볼루션 터보 부호(CTC:Convolution Turbo Code) 및 QPSK가 사용되었다. 여기에서는 주파수 재사용률 '1'인 조건의 셀/섹터 에지에서, SINR이 0 dB보다 매우 낮아지는 경우가 자주 발생된다. 시뮬레이션 결과는 본 발명의 실시예에 따른 프리앰블 구조를 사용하여 낮은 비율의 부호화를 수행함으로써 셀/섹터 에지 유효범위(coverage)를 보장하는 것으로 나타났다. 셀 내의 섹터들이 PN과 상이한 직교 월시(orthogonal Walsh)를 갖는 프리앰블을 사용하는 경우, 섹터들간의 간섭이 감소되어 결과적으로 채널 추정 성능이 향상되었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 파일럿 톤을 사용하는 경우보다 신뢰도가 높은 파일럿 심벌을 하향 링크 프레임 전반에 걸쳐 일정 주기로 삽입함으로써 채널 추정 성능과 단말기 이동성 지원 모두 향상하는 방안을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 부채널의 설계에 있어서 인접 셀 부채널 간의 간섭이 최소화 및 평균화되는 설계를 제공함으로써 주파수 재사용률이 1이 될 수 있는 구조를 제공함으로써, 주파수 자원 활용의 효율을 극대화하고 고속의 이동형 데이터 통신을 지원할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다.
본 발명에 따르면 다중 접속 방식으로 OFDMA를 사용하는 무선 데이터 통신 시스템에 대해 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있으며, 주파수 자원 활용의 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구조를 예시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임의 프리앰블의 시간 영역 형태를 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임에서 하나의 슬롯 구간 및 하나의 부채널에 대해 부반송파를 할당하는 것을 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임의 두 개의 슬롯 및 네 개의 부채널로 주어지는 자원을 할당하는 것을 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임에서 자원을 할당하는 것을 예시하는 도면이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임의 프리앰블을 사용한 초기 동기의 성능을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임의 프리앰블을 사용한 채널 추정 성능을 나타낸 도면이다.

Claims (25)

  1. 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법에 있어서,
    a) 상기 하향 링크 프레임의 앞부분에 프리앰블을 배치하는 단계;
    b) 상기 프리앰블 다음에 복수의 데이터 심벌을 배치하는 단계; 및
    c) 상기 하향 링크 프레임 전반에 걸쳐 상기 데이터 심벌들 사이에 파일럿 심벌을 삽입하는 단계
    를 포함하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    d) 상기 프리앰블과 데이터 전송에 할당된 데이터 심벌들 사이에 하나 이상의 공통 제어 채널용 심벌들을 배치하는 단계를 추가로 포함하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파일럿 심벌의 크기는 데이터 심볼 크기의 대략 1/2인 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파일럿 심벌은 일정 구간 주기로 상기 데이터 심볼 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 파일럿 심벌은 3개의 데이터 심벌마다 삽입되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프리앰블은 CP(Cyclic Prefix)와 시간 영역에서 반복되는 두 개의 동일 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 파일럿 심벌은 CP와 상기 프리앰블의 두 개의 동일 패턴 중 하나의 패턴을 이용하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 프리앰블은 PN 부호와 왈쉬(Walsh) 부호의 조합으로 생성된 주파수 영역 패턴을 중심 주파수에 해당하는 부반송파를 중심으로 두 부반송파 간격으로 균일하게 배치하여 변조함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프리앰블은 초기 동기 획득, 셀 구분, 채널 추정 및 자동 이득 조정에 사용되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 파일럿 심벌은 채널 추정 및 채널 변화 추적에 사용되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 프리앰블은
    시간 영역에서 동일 패턴이 정수 회 반복되는 형태의 프리앰블을 발생시키기 위해 주파수 영역 패턴을 변조하는 단계;
    상기 프리앰블의 주파수 영역 패턴에 다수의 셀들을 구분할 수 있는 PN 부호를 변조하는 단계; 및
    상기 프리앰블의 주파수 영역 패턴에 변조된 PN 부호에 추가적으로 왈쉬(Walsh) 부호를 변조하여 직교성이 강한 프리앰블 패턴 그룹을 발생시키는 단계
    를 수행함으로써 발생되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 주파수 영역 패턴()은 다음의 관계식
    여기서, 는 프리앰블 이후의 데이터 신호의 전송 전력에 대한 프리앰블 신호의 상대적인 전력에 해당하는 상수값이고,
    은 총 개의 서로 다른 셀들을 구분하는 번호이며,
    는 길이가 인 왈쉬 부호의 번호이고,
    는 부반송파 번호를 나타냄.
    을 따르는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  13. 직교주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) 방식을 사용하여 이동성을 지원하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법에 있어서,
    a) 상기 하향 링크 프레임의 앞부분에 하나의 프리앰블을 배치하는 단계;
    b) 상기 프리앰블 다음에 복수의 데이터 심벌을 배치하는 단계; 및
    c) 상기 하향 링크 프레임 전반에 걸쳐 일정 구간 주기로 반복해서 상기 데이터 심벌들 사이에 복수의 파일럿 심벌을 삽입하는 단계
    를 포함하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    d) 상기 프리앰블과 데이터 전송에 할당된 데이터 심벌들 사이에 하나 이상의 공통 제어 채널용 심벌들을 배치하는 단계를 추가로 포함하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 프리앰블을 제외한 하향 링크 구간에 대해 부채널을 정의하여 인접 셀 부채널 간의 간섭을 최소화 및 평준화하는 단계를 더 포함하며,
    상기 부채널 정의 단계는,
    i) 상기 프리앰블을 제외한 하향 링크 프레임 구간에 대해 기본 순열을 사용하여 부채널을 정의하는 단계; 및
    ii) 상기 정의된 동일한 부채널과 슬롯에 대해서 심벌 구간마다 물리적인 부반송파의 위치를 변화시키는 단계
    를 포함하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 부채널은 다음의 관계식
    여기서, 은 하향 링크 프레임의 한 슬롯에 속하는 n번째 OFDM 심벌 구간에 대한 s번째 부채널의 m번째 부반송파의 부반송파 번호를 의미하고,
    는 슬롯 번호가 짝수인 경우에는 0, 홀수인 경우에는 48의 값을 가지는 부반송파 할당 오프셋(offset)이며,
    는 기본 순열을 s회 왼쪽으로 회전 쉬프트(cyclic shift)시킨 것의 j번째 원소를 가리킴.
    으로 정의되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 부채널을 정의하는 기본 순열은 다음의 관계식
    을 따르는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템의 하향 링크 프레임 구성 방법.
  18. 직교주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) 방식의 하향 링크 프레임을 이용한 단말기 동작 방법에 있어서,
    상기 하향 링크 프레임은 앞부분에 배치되는 프리앰블, 상기 프리앰블 다음에 배치되는 복수의 데이터 심벌, 및 상기 데이터 심벌들 사이에 배치되는 파일럿 심벌을 포함하며,
    상기 단말기 동작 방법은
    상기 하향 링크 프레임을 수신하는 단계;
    상기 수신된 하향 링크 프레임의 프리앰블을 이용하여 프레임 타이밍 동기, 심벌 타이밍 동기, 및 반송파 주파수 동기를 획득하고, 수신된 프리앰블을 이용하여 자동 이득 조정을 수행하는 단계; 및
    상기 수신된 프리앰블 또는 파일럿 심벌을 이용하여 채널 추정을 수행하는 단계를 포함하는 하향 링크 프레임을 이용한 단말기 동작 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    자신이 속한 셀과 인접 셀들로부터 수신되는 상기 프리앰블 또는 파일럿 심볼을 이용하여 핸드오프 여부를 결정하는 단계를 추가로 포함하는 하향 링크 프레임을 이용한 단말기 동작 방법.
  20. 직교주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) 방식의 하향 링크 프레임 구조에 있어서,
    앞부분에 배치되는 프리앰블;
    상기 프리앰블 다음에 배치되는 복수의 데이터 심벌; 및
    상기 데이터 심벌들 사이에 배치되는 파일럿 심벌을 포함하는 OFDMA 방식의 하향 링크 프레임 구조.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 파일럿 심벌의 크기는 데이터 심볼 크기의 대략 1/2인 것을 특징으로 하는 OFDMA 방식의 하향 링크 프레임 구조.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 파일럿 심벌은 일정 구간 주기로 상기 데이터 심볼 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 OFDMA 방식의 하향 링크 프레임 구조.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 프리앰블은 CP(Cyclic Prefix)와 시간 영역에서 반복되는 두 개의 동일 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDMA 방식의 하향 링크 프레임 구조.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 파일럿 심벌은 CP와 상기 프리앰블의 두 개의 동일 패턴 중 하나의 패턴을 이용하는 것을 특징으로 하는 OFDMA 방식의 하향 링크 프레임 구조.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 프리앰블은 PN 부호와 왈쉬(Walsh) 부호의 조합으로 생성된 주파수 영역 패턴을 중심 주파수에 해당하는 부반송파를 중심으로 두 부반송파 간격으로 균일하게 배치하여 변조함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 OFDMA 방식의 하향 링크 프레임 구조.
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