KR20050066302A - 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 상향 링크 레인징시스템 및 레인징 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 OFDMA 시스템에서 면적 효율성을 고려한 레인징 처리 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 구성에 따른 레인징 시스템은, 타이밍 오차에 대응하는 복수 지수 회전 인자들을 저장하는 복수 지수 회전 저장부와; 상기 복소 지수 회전 인자와 수신되어온 상향링크 레인징 데이터와 복소 곱셈을 수행하는 복소 곱셈기와; 상기 복소 곱셈기의 출력과 레이징 부호의 상관을 수행하는 부호 상관기와; 상기 부호 상관기의 출력과 임계치를 비교하는 임계치 비교기를 포함한다. 타이밍 오차에 대응하는 복소 지수 회전 인자의 개수는 제한적이기 전술한 본 발명의 구성에 의한 레인징 처리 시스템은 시스템의 크기와 복잡성을 감소시킬 수 있다.

Description

직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 상향 링크 레인징 시스템 및 레인징 방법{System and method for ranging in OFDMA system}

본 발명은 상향 링크에서 가입자 단말(Subscriber Station; SS)사이의 부정확한 동기로 인해 야기되는 문제점을 해결하기 위한 효율적인 레인징(ranging)을 수행하기 위한 무선 통신 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

더욱 상세히 설명하면, 본 발명은 직교 주파수 분할 다중 접속 방식(OFDMA)을 이용한 다중 접속 무선 통신 시스템에서 가입자와 기지국간의 상향 링크의 타이밍 동기화를 위한 장치의 구성에 대한 것이다.

한편, IEEE 표준인 802.16a에서 Wireless MAN-OFDMA PHY 계층에 적용되는 무선접속 규격은 기지국에서 가입자로의 하향 링크와 가입자에서 기지국으로의 상향 링크에서 시분할 접속되는 것으로 정의하고 있다.

직교주파수 분할 다중 접속 방식(OFDMA)에서 각각의 가입자 들은 할당된 다른 부 채널(sub channel)을 통해 상향 링크로 데이터를 전송하게 된다. 여기서, 상향링크 접속을 위해서 가입자는 주어진 시간 슬롯 동안에 기지국과 접속하여야 한다. 왜냐하면 직교 주파수 분할 다중 접속 방식과 같이 가입자들로 할당된 부 반송파로 데이터를 전송하는 경우 각각의 가입자간에 타이밍 동기가 맞지 않는 경우 부 반송파간의 직교성을 잃어버리게 되어, 가입자들간의 데이터는 서로 간섭을 일으키기 때문이다. 따라서, OFDMA에서 상향 링크에서의 동기화는 중요한 문제이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 IEEE　802.16a Wireless MAN-OFDMA 규격에서는 주파수 영역에서 의사 랜덤 이진 시퀀스(PRBS : Pseudo Random Binary Sequence)를 사용하여 시간 영역에서의 타이밍 지연 오차를 구하는 레인징 방법을 제시 하였다. 레인징은 가입자가 임의의 부호(PRBS : Pseudo Random Binary Sequence)를 전송하여 기지국으로 전송하는 경우, 기지국이 상기 PRBS를 검출결과를 이용하여 지연 거리를 예측하는 것이다.

이를 위해서는 IEEE　802.16a는 기지국 복조기에서는 시간 영역의 신호를 고속 퓨리에 변환기로 복조를 한 후에 레인징을 위해 다시 역 퓨리에 변환을 사용하는 방법들이 제시 되었다.

OFDMA 에서는 시간영역에서 발생한 데이터를 주파수 성분으로 변조하기 위하여 고속 퓨리에 역변환(Inverse Fast Fourier Transform; IFFT)을 수행하고 상기 주파수 성분을 데이터로 복조하기 위하여 고속 퓨리에 변환(FFT)를 수행한다. 따라서, 주파수 영역에서의 지연과, 상기 지연을 시간 영역에서 검출되는 과정에서 주파수 영역에서 지연된 거리를 예측하려면 기지국 복조기는 고속 퓨리에 변화기(FFT) 외에 추가의 고속 푸리어 역변환기(IFFT)를 필요로 한다.

이것은 기지국 복조기의 구현 복잡도와 다중 접속에 따른 처리 속도 지연 등 여러 문제를 수반하게 된다.

한편, 상기 추가 IFFT 과정이 없다면, 여러 경우의 지연 요소를 모두 가정하여 연산을 수행해야 하는데 이를 위한 하드웨어 부담으로 실제 구현 과정에 어려움이 발생한다.

따라서, 전술한 종래 기술의 과제를 해결하기 위하여 별도의 퓨리에 역변환의 과정을 수행하지 않고 타이밍 동기화를 효율적으로 수행할 수 있는 무선 통신 시스템을 제공한다.

전술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 한 특징에 따른 레인징 시스템은, 타이밍 오차에 대응하는 복수 지수 회전 인자들을 저장하는 복수 지수 회전 저장부와; 상기 복소 지수 회전 인자와 수신되어온 상향링크 레인징 데이터와 복소 곱셈을 수행하는 복소 곱셈기와; 상기 복소 곱셈기의 출력과 레이징 부호의 상관을 수행하는 부호 상관기와; 상기 부호 상관기의 출력과 임계치를 비교하는 임계치 비교기을 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따른 레인징 시스템은 부 반송파의 인덱스를 증가시켜 상기 복소 지수 회전 인자 저장부로 출력하는 번지 증가기를 더 포함하고, 상기 복소 지수 회전 인자 저장부 및 번지 증가기는 상기 복소 지수 회전 인자의 개수 보다 적은 수로 병렬 구성되고, 상기 번지 증가기에 복수의 부반송파 인덱스 그룹이 직렬로 입력되는 방식으로 구성될 수도 있다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 OFDMA 시스템의 상향링크 레인징 처리 방법은,

사용자 단말이 레인징 데이터를 기지국으로 전송하는 단계; 상기 레인징 데이터에 타이밍 오차에 대응하는 복소 지수 회전 인자를 복소 곱셈하는 출력하는 단계; 상기 출력값에 복수의 레인징 부호를 상관시키는 단계; 및 상기 상관값을 임계치와 비교하여 대응하는 레인징 부호와 복소 지수 회전 인자를 산출하는 단계를 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.

이제 본 발명의 실시예에 따른 무선 통신 시스템에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

먼저, OFDMA 시스템에서 가입자와 기지국 간의 초기 타이밍 오차에 대해 설명한다.

OFDMA 방식의 전송 신호, 즉 가입자의 전송 신호는 수학식 1과 같다.

(n=0,1,2,3....,N-1)

수학식 1은 역 퓨리에 변환으로 구현 되어 지는 것으로 X(k)는 입력 신호 x(n)는 출력 신호이다. 상기 주파수 성분 x(n)은 기지국 복조기에서는 퓨리에 변환을 통해 복조되는데, 기지국과 가입자간의 타이밍 동기가 정확하게 맞지 않으면 수학식 2와 같이 타이밍 오차에 대한 복소 지수형태의 값이 곱이 남게 된다.

이것을 기지국 복조기에서 퓨리에 변환을 하게 되면 수학식 3과 같이 복소 지수형태의 곱이 남게 된다.

여기서, 타이밍 오차에 관한 성분은 복소 지수 형태로 남기 때문에 복조기에서는 타이밍 오차를 해석하는 것이 불가능하다. 따라서, 타이밍 오차인 τ를 구하기 위해서는 다시 역 퓨리에 변환을 수행하여야 한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 복조기에 추가적인 역퓨리에 변환기를 설치하는 것은 구현의 복잡도와 처리의 지연을 증가시킨다.

앞서 언급한 OFDM 방식에서는 이와 같은 타이밍 오차를 검출하는 것을 레인징이라 하여 PRBS를 사용하여 초기 레인징과 주기적인 레인징, 대역폭 요구 레인징을 사용하고 있다. 이것은 다수의 가입자가 동시에 다중 접속시 서로 다른 PRBS를 사용하게 되면 주어진 부 반송파를 동시에 사용해도 검출이 가능한 것으로 이것은 대역 확산 방식과 같은 이치이다.

도 1은 OFDMA 시스템에서 위치가 다른 2개의 가입자가 상향 링크 데이터 전송에 따른 동기 오차를 도시한 타이밍도이다.

먼저 초기 레인징은 가입자가 해당 기지국과 최초로 타이밍 동기를 맞추기 위한 것으로 하향 링크를 수신후 전송을 하게 된다. 도 1에서 도시된 바와 같이 시분할 듀플렉스에서는 하향 링크와 상향 링크 사이의 송수신 천이 간격(TTG : TX/RX Transition Gap)이 존재한다. 상기 TTG는 기지국의 셀 반경과 관계 되는 것으로 기지국과 가입자간의 최대 전달 지연(Maximum Propagation Delay)의 2배, 즉 Round trip Delay 보다는 큰 것이다.

따라서, 이 구간안에 초기 레인징이 도착하게 된다. 한편 초기 레인징을 위해서는 두 심벌 구간에 해당되는 직교 주파수 분할 다중 접속 심벌이 전송되어 진다.

상향링크의 송수신 전송구간 안에 레인징이 도달되게 되면 유효 심벌을 기지국이 잃게 되므로, 레인징은 연속되는 두심벌 구간내에 전송되어야 한다.

따라서, 타이밍 오차를 갖는 복소 지수 형태의 곱셈의 값은 제한되게 된다. 또한, 특정 부 반송파로만 레인징 부호가 전송되게 되므로 모든 복조된 심벌에 대해서 역 퓨리에 변환을 수행할 필요가 없게 된다.

또한, 주기적인 레인징과 대역폭 요구 레인징인 경우는 최대로 가지는 타이밍 오차가 보호 구간(guard interval)이므로 이에 대한 복소 지수 곱셈의 경우의 수가 더욱 줄게 된다. 하지만 이 경우는 하나의 심벌 구간만가지게 되므로 하나의 OFDM 심벌 구간안에서 레인징을 처리해 주어야 한다.

따라서, 타이밍 오차에 대한 복소 지수값은 제한된 값을 가지게 되므로 본 발명의 실시예에서는 이러한 점에 착안하여 복조기에서 추가적인 퓨리에 역변환을 수행하지 않고 타이밍 오차를 검출한다.

한편, 복소 지수 회전 인자 성분이 제거되면 가입자가 전송한 PRBS 만 남게 되며 이것을 기지국에서 검출하게 된다. 이때 PRBS에 대한 타이밍 오차는 없게 되므로 단순하게 타이밍 오차의 보정 없이 통상의 부호 상관기(co-relator)만으로도 PRBS를 검출할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레인징 처리 시스템을 도시한 블록도이다.

도 2에 도시된 레인징 처리 시스템은, 타이밍 오차의 개수()에 대응하는 복소 지수 회전인자(201-1....201-), 복소 곱셈기(202-1....202-), 레인징 부호 개수(m)에 대응하는 부호 상관기(203-1...203-m), 임계치 비교기(204-1...204-m)을 포함한다.

전술한 바와 같이 타이밍 오차의 개수는 TTR에 의해 제한되므로 복소 지수 회전 인자(Twiddle factor)(201-1....201-)는 유한한 개수로서 구현될 수 있으며, 전송되어온 레인징 데이터와 복소 곱셈을 수행함으로서 발생된 타이밍 오차 성분을 제거할 수 있다. 여기서, 부반송파를 식별하는 인덱스 역시 유한한 수를 가지며, 이는 수학식 3에서 k 값에 대응한다.

따라서, 부 반송파 인덱스(k)에 해당하는 복소 지수 회전 인자는 단말기로부터 송신되어온 레인징 데이터와 복소 곱셈기(202-1....202-)에서 곱해진다.

복소 곱셈기(202-1....202-l)의 출력 신호중 하나의 출력 신호는 해당하는 타이밍 오차와의 복소 곱셈으로 인해 복소 지수 회전 인자가 제거된 상태이며, 상기 출력 신호들은 병렬적으로 부호 상관기(203-1...203-m)에 입력된다. 부호 상관기(203-1....202-m)중 수신 레인징 데이터에 사용된 PBRS에 해당하는 부호 상관기로부터의 출력은 가장 큰 값을 가지게 되며, 상기 출력은 임계치 비교기(204-1....204-m)에서 검출되어, 레인징을 수행하게 된다.

한편, 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에서는 복소 지수 회전인자 수() 만큼의 병렬 처리를 수행하기 때문에, 처리 속도는 빠르지만 레인징 처리 시스템의 크기가 커지며 구조가 복잡해지는 문제가 있다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 레인징 처리 시스템을 도시한 블록도이다.

도 3에 도시된 실시예의 레인징 처리 시스템(300)은 도 2에 도시된 실시예와 비교할 경우, 복소 지수 회선 인자(304-1....304-4)를 타이밍 오차개수()만큼이 아닌 4개만을 구비하며, 번지 증가기(302-1 ...302-4)와 곱셈기(301-1, 301-2, 301-3)을 더 포함한다.

즉, 제 2 실시예는 제 1 실시예에서 병렬로 처리되고 있는 타이밍 오차의 연산을 직렬과 병렬을 혼합하게 처리한다. 복소 지수 회전 인자의 곱셈을 직렬로만 연산하게 되면 구조가 단순화되고 면적이 감소하는 장점이 있으나, 레인징 처리 속도의 증가로 인한 레인징처리 불가로 판정될 수 있다.

따라서, 본 발명의 제 2 실시예는 레인징 처리 속도도 줄이며 면적도 줄일 수 있게 직렬과 병렬 구조를 혼합하는 구조를 제시한다.

도 3에 도시된 바와 같이 복소 지수 회전 인자를 4개로 줄이면 도 2의 l 개의 레인징 처리부(210)안의 모든 요소가 4개로 줄게 된다. 여기에 타이밍 오차가 없는 경우도 고려가 되어야 하기 때문에 부호 상관기(305-1)와 임계치 비교기(305-2)가 부가된다.

예를 들어, 최대 타이밍 오차가 256인 경우에 레인징 처리부의 개수는 5개로 감소된다. 다만, 레인징 검색은 64번을 수행해야만 한다.

즉, k 개의 부반송파 그룹의 인덱스는 번지 증가기(302-1, ... 302-4)에 64번 입력된다. 예를 들어, k 그룹이 64번 순차적으로 입력되면, 번지증가기(302-1)는 순차적으로 번지를 증가시켜서 출력한다. 즉, 번지증가기(302-1)의 출력은 k 그룹, k 그룹의 2배, k 그룹의 3배.... k 그룹의 63배에 대응하는 번지수를 출력하게 된다. 이와 병렬적으로 번지증가기(302-2)는 k 그룹의 64배, k 그룹의 65배... k 그룹의 127배를 출력한다. 이러한 처리 방식으로 번지 증가기(302-4)까지 동일하게 적용된다. 여기서 곱셈기(301)은 각각 번지 증가기(302)는 복소 지수 회전 인자의 제어를 복소 지수 회전인자의 단위원 특성에 의해 용이하게 구현할 수 있다.

상기 직렬과 병렬이 혼합된 복소 지수 회전인자 처리가 끝나면, 부호 상관기(305-1....305-5) 및 임계치 비교기(306-1...306-5)는 기존의 대역확산과 동일한 방법으로 레인징 검출을 수행한다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에서 사용되는 번지증가기(302)의 구조를 도시한 블록도이다.

번지증가기(302)는 덧셈기(501)와 k 개의 쉬프트 레지스터(502)로 구성된다. 번지 증가기에 부반송판 인덱스의 k 그룹이 순차적으로 입력되면, 클럭에 따라 그 입력값이 왼쪽으로 이동되며 저장된다. 덧셈기(501)에서 최종 쉬프트 레지스터에 저장된 값과 입력값이 더해져서 출력된다. 따라서, 첫 번째 k 그룹이 출력되고 난후 두 번째 k 그룹이 입력되면, 쉬프트 레지스터의 종단 값과 더 해져서 k 그룹의 두배값이 출력되게 된다. 따라서, 64개의 k 그룹이 순차 입력되면, 최후에는 k 그룹의 64배가 출력되게 된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 사용되는 부호 상관기(203, 305)의 구조를 도시한 블록도이다.

부호 상관기(305)의 이진 곱셈기(401-1...401-m)는 타이밍 오차값이 제거된 레인징 데이터에 레인징 부호(부호 1 .... 부호 m)를 순차적으로 곱한다. 각각 곱해진 이진값은 한 부호의 주기만큼 합산되어 저장된다.

여기서, 레인징 부호가 +1과 -1로 이루어졌다고 할때, 도 5에 도시된 구성으로부터 출력되는 값은 실질적으로 부호간의 상관(co-relation)값과 대응되는 결과이므로, 결국 최대의 값이 나오는 레인징 부호가 레인징에 사용된 부호임을 알수 있다. 상기 부호 상관기(305)로부터의 출력은 임계치 비교기(204, 306)으로 전송되어, 임계치를 초과하는 상관값을 검출하게 된다.

따라서, 임계치 비교기에서 최대 상관값이 산출되는 데 사용된 상관 부호와 복소 지수 회전 인자에 기초하여 레인징 처리를 성공적으로 수행할 수 있다.

따라서, 전술한 본 발명의 구성에 의하여, 추가의 퓨리에 변환 없이 기지국에서 레인징을 수행할 수 있으며, 레인징 처리 속도와 장소적 제약을 충족 시킬수 있다.

전술한 본 발명의 실시예는 장치 위주로 설명하였으나, 각각의 장치의 블록이 수행하는 기능을 순차적으로 수행하는 레인징 방법 역시 본 발명의 범주에 속하는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

전술한 본 발명의 구성에 따른 레인징 처리 시스템은 타이밍 오차의 복소 지수 성분을 검출하기 위하여 퓨리에 변환을 수행할 필요가 없이, 비교적 빠른 속도와 적은 점유 면적으로 레인징 처리를 수행할 수 있는 현저한 효과를 구비한다.

도 1은 OFDMA 시스템에서 위치가 다른 2개의 가입자가 상향 링크 데이터 전송에 따른 동기 오차를 도시한 타이밍도이다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레인징 처리 시스템을 도시한 블록도이다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 레인징 처리 시스템을 도시한 블록도이다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에서 사용되는 번지증가기의 구조를 도시한 블록도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 사용되는 부호 상관기의 구조를 도시한 블록도이다.

Claims (10)

1. OFDMA 시스템에서 레인징을 수행하는 시스템에 있어서:

   타이밍 오차에 대응하는 복수 지수 회전 인자들을 저장하는 복수 지수 회전 저장부와;

   상기 복소 지수 회전 인자와 수신되어온 상향링크 레인징 데이터와 복소 곱셈을 수행하는 복소 곱셈기와;

   상기 복소 곱셈기의 출력과 레이징 부호의 상관을 수행하는 부호 상관기와;

   상기 부호 상관기의 출력과 임계치를 비교하는 임계치 비교기를 포함하는 레인징 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 복소 곱셈기는 상기 복소 지수 회전인자의 개수와 부 반송파 개수의 곱에 대응하는 수 만큼 복소 곱셈을 수행하는 레인징 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 복소 곱셈기, 상기 부호 상관기 및 상기 임계치 비교기는 하나의 레인징 데이터를 상기 복소 지수 회전 인자의 수에 대응하는 수만 큼 설치되어, 병렬로 레인징 처리를 수행하는 레인징 시스템.
4. OFDMA 시스템에서 레인징을 수행하는 시스템에 있어서:

   타이밍 오차에 대응하는 복수 지수 회전 인자들을 저장하는 복수 지수 회전 저장부와;

   부 반송파의 인덱스를 증가시켜 상기 복소 지수 회전 인자 저장부로 출력하는 번지 증가기와;

   상기 복소 지수 회전 인자와 수신되어온 상향링크 레인징 데이터와 복소 곱셈을 수행하는 복소 곱셈기와;

   상기 복소 곱셈기의 출력과 레이징 부호의 상관을 수행하는 부호 상관기와;

   상기 부호 상관기의 출력과 임계치를 비교하는 임계치 비교기을 포함하고,

   상기 복소 지수 회전 인자 저장부 및 번지 증가기는 상기 복소 지수 회전 인자의 개수 보다 적은 수로 병렬 구성되고, 상기 번지 증가기에 복수의 부반송파 인덱스 그룹이 직렬로 입력되는 레인징 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 병렬로 구성된 번지 증가기 전단에 설치되며, 입력되는 부반송파 인덱스와 상기 부반송파 인덱스의 특정 배수의 합을 출력하는 덧셈기를 더 포함하는 레인징 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 복소 지수 회전 인자 저장부 및 번지 증가기의 개수는 상기 복소 지수 회전 인자의 수를, 직렬 레인징 처리 횟수로 나눈 값에 대응하는 레인징 시스템
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 번지 증가기는,

   상기 부반송파 인덱스 수에 대응하는 복수의 쉬프트 레지스터와;

   상기 입력되는 부반송파 인덱스와 상기 종단 쉬프트 레지스터에 저장된 값을 합산하는 덧셈기를 포함하는 레인징 시스템.
8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 임계치 비교기는 상기 부호 상관기로부터 출력된 값중 임계치를 초과하는 값을 선택하여, 해당하는 레인징 부호와 복소 지수 회전 인자를 검출하는 레인징 시스템.
9. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 부호 상관기는

   병렬로 상기 레인징 부호들과 레인징 데이터의 이진 곱을 수행하는 이진 곱셈기와;

   상기 이진 곱셈기의 출력값을 저장하는 레지스터와;

   상기 레지스터의 저장된 값과 상기 이진 곱셈기의 출력값을 상기 레인징 부호의 길이만큼 누산하는 덧셈기를 포함하는 레인징 시스템.
10. OFDMA 시스템의 상향링크 레인징 처리 방법에 있어서:

    사용자 단말이 레인징 데이터를 기지국으로 전송하는 단계;

    상기 레인징 데이터에 타이밍 오차에 대응하는 복소 지수 회전 인자를 복소 곱셈하는 출력하는 단계;

    상기 출력값에 복수의 레인징 부호를 상관시키는 단계;

    상기 상관값을 임계치와 비교하여 대응하는 레인징 부호와 복소 지수 회전 인자를 산출하는 단계를 포함하는 레인징 방법.