KR20050087094A

KR20050087094A - 인터리빙을 이용한 초직교 길쌈 부호화 초광대역 임펄스라디오 시스템 및 그 부호화/복호화 방법

Info

Publication number: KR20050087094A
Application number: KR1020040012311A
Authority: KR
Inventors: 김기선; 이호경; 김창중; 허동규
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-08-31
Also published as: KR100593259B1

Abstract

본 발명은 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템 및 그 부호화/복호화 방법에 관한 것으로, 이진정보(di)의 형태를 입력하는 이진 정보원과, 입력된 이진정보를 부호율이 1/n 로 부호화한 n개 의 부호화 이진정보를 출력하는 SOC 부호기와, 부호화된 이진정보들에 대하여 병렬과 직렬을 상호 변환하는 병렬/직렬 변환기와, n개의 이진정보들을 부호율이 n/N_s 인 반복 부호화를 통해 N_s/n 개씩 반복 부호화 이진정보를 총 N_s개만큼 생성하여 출력하는 반복 부호기와, N_s개의 펄스에 대하여 인터리빙한 펄스(Xπ(m))를 출력하는 인터리버와, 인터리빙된 펄스(Xπ(m))에 대하여 BPPM와 시간도약부호화를 수행하여 파형(S(t))을 생성하여 채널을 통해 송출하는 UWB-IR 송신기와, 채널을 통해 수신된 수신 파형(r(t))을 펄스 단위의 연판정 출력 파형(Yπ(m))으로 생성하는 펄스 상관기와, 생성된 출력 파형(Yπ(m))에 대하여 인터리빙되기 이전의 순서로 재배치한 파형(Ym)으로 이루어 출력하는 디인터리버와, 재배치된 N_s/n개의 연속된 파형(Ym)들에 대하여 펄스열(a_i,j)을 생성하는 펄스열 적분기와, 펄스열(a_i,j)에 대하여 최적 신호열

Description

인터리빙을 이용한 초직교 길쌈 부호화 초광대역 임펄스 라디오 시스템 및 그 부호화/복호화 방법{SUPER-ORTHOGONAL CONVOLUTIONAL CODED ULTRA WIDE-BAND IMPULSE RADIO SYSTEM BY USING INTERLEAVING AND CODED/DECODED METHOD}

본 발명은 인터리빙을 이용한 초직교 길쌈 부호화(Super Orthogonal Convolutional Code, SOC) 초광대역 임펄스 라디오(Ultra Wide-Band Impulse Radio, UWB-IR) 시스템 및 그 부호화/복호화 방법에 관한 것으로, 특히 비트 당 펄스의 개수 에 대하여 SOC 부호기의 부호율 및 인터리빙 단위를 유연하게 조절하며, 또한, 인터리버와 디인터리버를 결합하여 SOC-UWB-IR 시스템을 구현하고, 주파수가 비선택적이면서 느린 페이딩 환경에서 그 성능을 분석하여, 인터리빙 기법 및 SOC 부호기의 구조가 성능에 미치는 영향을 정량적으로 입증하여 그 지표를 제공하도록 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

통상적으로, UWB는 3.1∼10.6㎓대의 주파수 대역을 사용하면서 10m∼1㎞의 전송거리를 보장하는 기술이다. 즉, UWB는 미 국방성에서 군사용 무선통신기술로 사용되다가 미국 통신 주파수 관할 기관인 연방통신위원회(FCC)가 민간 기업에 개방하면서부터 관심을 갖게 되는 기술이다. 이러한 UWB는 ㎓폭의 주파수 대역을 사용하고, 초당 100∼500M의 속도로 전송이 가능한 무선통신기술로 커다란 용량의 동영상을 떨림이나 버그없이 완벽하게 전송할 수 있다. 그리고, 전송거리도 대략 1㎞에 달해 완벽한 홈네트워킹시스템을 구현할 수 있어 모든 디지털 가전의 선(line)을 없앨 수 있는 기술이다. 보다 상세하게 설명하면, UWB 무선 통신 방식은 사용 주파수 대역폭이 중심 주파수의 20% 이상이 되는 방식으로, 대부분의 기존 무선 기술들과는 달리 반송파를 사용하지 않는 기저 대역 통신을 사용한다.

상술한 바와 같이, UWB 무선 통신 방식으로 공개된 기존 선행 기술로는 대한민국 공개특허공보 10-2003-0011600으로 공개된 "무선 임펄스 송신기, 수신기 및 방법"에 개시되어 있다. 즉, 무선 임펄스 송신기, 수신기 및 방법의 기술적 내용을 살펴보면, 송신기는 복수의 수신기에 펄스 트레인을 송신하기 위해 펄스 선택기, 펄스 공급기 및 송신 유닛을 포함한다. 이중, 펄스 선택기는 수신기와 2 : 1 대응으로 할당되는 복수의 직교 펄스 형태로부터, 입력 데이터 스트림의 심볼에 대응하는 펄스 형태를 선택한다. 그리고, 각 수신기에 할당되는 2개의 펄스 형태의 각각은 대응하는 수신기에 "1" 또는 "0" 중 어느 하나를 나타낸다. 그리고, 펄스 공급기는 펄스 선택기에 의해 선택된 펄스 형태로 펄스를 공급하며, 송신 유닛은 다른 수신기에 할당된 펄스 형태를 갖는 펄스를 동시에 송신하며, 펄스 공급기로부터 공급된 펄스를 펄스 트레인으로 송신하는 기술적 특징을 갖는다.

그러나, 이러한 "무선 임펄스 송신기, 수신기 및 방법"에는 통신 레이트를 감소시키지 않으면서 사용자의 개수만을 증가시키기 위한 무선 임펄스 시스템으로 개시되어 있을 뿐, 채널환경을 느린 페이딩 환경에서 성능이 보장되는 임펄스 라디오를 구성하기 위해, 페이딩 계수들의 시간적 상관성을 제거하기 위한 유연한 인터리버/디인터리버를 삽입하여 새로운 시스템을 구성하고, 성능 만족을 위한 새로운 규격을 설계함에 있어서의 문제점은 해결하고 있지 못하다.

한편, 기저 대역 통신을 사용하는 UWB 무선 통신 방식 중에서 UWB-IR 방식은 나노 초 이하의 폭을 가지는 매우 짧은 펄스를 이용해서 정보를 전송하는 방식이다. 즉, 이 방식에서는 신호 전력이 초광대역에 매우 낮은 수준으로 분포하게 되어, 기존의 다른 무선 장비들에 거의 영향을 미치지 않으면서 저전력으로 통신을 할 수 있다. UWB-IR 방식은 펄스의 폭이 매우 짧기 때문에 다중 경로 지연에 대해 세밀한 추적이 가능하며, 이를 이용하여 다중 경로 페이딩의 영향을 보상할 수 있는 장점도 가지고 있어 실내 근거리 무선 통신에 매우 적합한 방식으로 각광을 받고 있다. UWB-IR 방식에서는 하나의 정보 비트를 전송하기 위하여 개의 반복된 펄스 신호열을 사용하는데, 채널 부호 기법의 관점에서 이것은 부호율이 인 간단한 반복 블록 부호(Repetition Block Code)이다. 따라서, 부호율이 인 부호 중에서 반복 블록 부호 보다 강력한 오류 정정 부호들을 사용하여 펄스 신호열을 부호화하면, 주파수 대역의 손실이나 전송 속도의 손실 없이 기존의 UWB-IR 시스템 보다 더 전력 효율이 뛰어난 시스템을 얻을 수 있게 된다.

이러한 맥락에서 채널 부호와 UWB-IR 시스템을 결합하는 방식에 대한 연구들이 여러 가지로 진행되어 왔는데, 그 중에 SOC와 UWB-IR을 결합한 SOC-UWB-IR 방식이 있다. 여기서, SOC는 부호율이 인 경우, 근최적의 성능을 가지는 길쌈 부호로 알려져 있다. 실질적으로 첨가적 백색 가우시안 잡음(Additive White Gaussian Nose, AWGN) 환경에서 SOC-UWB-IR 시스템은 부호 기법이 적용되지 않은 UWB-IR 시스템보다 월등히 향상된 성능을 가진다.

그러나, 실내 무선 통신 환경은 AWGN뿐만 아니라 다중 경로에 의한 페이딩(fading) 현상에 의해 많은 영향을 받는다. 즉, 페이딩 현상은 통신 시스템의 성능을 저하시키는 주 요인으로 작용하며, 특히 페이딩 성분에 강력한 시간적 상관성이 존재하는 경우에는 연집 오류들이 빈번하게 발생하여 시스템의 성능을 크게 저하시키는 결과를 초래하게 되는 문제점을 갖는다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 비트 당 펄스의 개수 에 대하여 SOC 부호기의 부호율 및 인터리빙 단위를 유연하게 조절하며, 또한, 인터리버와 디인터리버를 결합하여 SOC-UWB-IR 시스템을 구현하고, 주파수가 비선택적이면서 느린 페이딩 환경에서 그 성능을 분석하여, 인터리빙 기법 및 SOC 부호기의 구조가 성능에 미치는 영향을 정량적으로 입증하여 그 지표를 제공하도록 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템 및 그 부호화/복호화 방법을 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에서 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템은 이진정보(di)의 형태를 입력하는 이진 정보원과, 입력된 이진정보를 부호율이 1/n 로 부호화한 n개 의 부호화 이진정보를 출력하는 SOC 부호기와, 부호화된 이진정보들에 대하여 병렬과 직렬을 상호 변환하는 병렬/직렬 변환기와, n개의 이진정보들을 부호율이 n/N_s 인 반복 부호화를 통해 N_s/n 개씩 반복 부호화 이진정보를 총 N_s개만큼 생성하여 출력하는 반복 부호기와, N_s개의 펄스에 대하여 인터리빙한 펄스(Xπ(m))를 출력하는 인터리버와, 인터리빙된 펄스(Xπ(m))에 대하여 이진펄스위치변조(Binary Pulse Position Modulation, BPPM)와 시간도약부호화를 수행하여 파형(S(t))을 생성하여 채널을 통해 송출하는 UWB-IR 송신기와, 채널을 통해 수신된 수신 파형(r(t))을 펄스 단위의 연판정 출력 파형(Yπ(m))으로 생성하는 펄스 상관기와, 생성된 출력 파형(Yπ(m))에 대하여 인터리빙되기 이전의 순서로 재배치한 파형(Ym)으로 이루어 출력하는 디인터리버와, 재배치된 N_s/n개의 연속된 파형(Ym)들에 대하여 펄스열(a_i,j)을 생성하는 펄스열 적분기와, 펄스열(a_i,j)에 대하여 최적 신호열 로 추정하여 수신자에게 출력하는 SOC 복호기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에서 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법은 이진정보(di)의 형태를 입력하는 단계와, 입력된 이진정보에 대하여 부호율이 1/n로 부호화한 n개 의 부호화 이진정보를 출력하는 단계와, 부호화된 이진정보들에 대하여 병렬과 직렬을 상호 변환하는 단계와, n개의 이진정보들에 대하여 부호율이 n/N_s 인 반복 부호화를 통해 N_s/n 개씩 반복 부호화 이진정보를 총 N_s개만큼 생성하는 단계와, N_s개의 펄스에 대하여 인터리빙한 펄스(Xπ(m))를 출력하는 단계와, 인터리빙된 펄스(Xπ(m))에 대하여 BPPM와 시간도약부호화를 수행하여 파형(S(t))을 생성하여 채널을 통해 송출하는 단계와, 채널을 통해 수신된 수신 파형(r(t))을 펄스 단위의 연판정 출력 파형(Yπ(m))으로 생성하는 단계와, 생성된 출력 파형(Yπ(m))에 대하여 인터리빙되기 이전의 순서로 재배치한 파형(Ym)으로 이루어 출력하는 단계와, 재배치된 N_s/n개의 연속된 파형(Ym)들에 대하여 펄스열(a_i,j)을 생성하는 단계와, 펄스열(a_i,j)에 대하여 최적 신호열 로 추정하여 수신자에게 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 동작에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템을 도시한 도면으로서, i번째 신호의 이진정보(di)(예로, 비트라 가정함)의 형태로서 SOC 부호기(20)에 입력하는 이진 정보원(10)과, 이진 정보원(10)에 의해 입력된 이진정보를 부호율이 1/n 로 부호화한 n개 의 부호화 이진정보(예로, 펄스 그룹이라 가정함)를 병렬/직렬 변환기(30)에 출력하는 SOC 부호기(20)와, SOC 부호기(20)에 의해 부호화된 이진정보들에 대하여 병렬은 직렬로 또는 직렬은 병렬로 변환하여 제공하는 병렬/직렬 변환기(30)와, 병렬/직렬 변환기(30)를 거쳐 출력된 n개의 이진정보들을 부호율이 n/N_s 인 반복 부호화를 통해 N_s/n 개씩 반복 부호화 이진정보(예로, 펄스라 가정함)를 총 N_s개만큼 생성하여 직렬/병렬 변환기(50)에 출력하는 반복 부호기(40)와, 반복 부호기(40)에 의해 N_s개만큼 생성된 반복 부호화 이진정보들에 대하여 직렬은 병렬로 또는 병렬은 직렬로 변환하여 N_s개의 펄스를 인터리버(60)에 입력하는 직렬/병렬 변환기(50)와, 직렬/병렬 변환기(50)를 거쳐 입력되는 N_s개의 펄스에 대하여 이를 뒤섞여 인터리빙한 펄스(Xπ(m))를 UWB-IR 송신기(70)에 출력하는 인터리버(60)와, 인터리버(60)에 의해 인터리빙된 펄스(Xπ(m))에 대하여 이진펄스위치변조(Binary Pulse Position Modulation, BPPM)와 시간도약부호화를 수행하여 수학식 2로 표현되는 파형(S(t))을 생성하여 채널(80)을 통해 펄스 상관기(90)에 송출하는 UWB-IR 송신기(70)와, UWB-IR 송신기(70)로부터 송출되어 채널(80)을 통해 수신된 수신 파형(r(t))을 수학식 3과 같이 계산하여 펄스 단위의 연판정 출력 파형(Yπ(m))으로 생성하여 디인터리버(100)에 제공하는 펄스 상관기(90)와, 펄스 상관기(90)에 의해 생성된 출력 파형(Yπ(m))에 대하여 수학식 4를 통해 계산하여 인터리빙되기 이전의 순서로 재배치한 파형(Ym)으로 이루어 펄스열 적분기(110)에 출력하는 디인터리버(100)와, 디인터리버(100)에 의해 재배치된 N_s/n개의 연속된 파형(Ym)들에 대하여 수학식 5를 통해 펄스열(a_i,j)을 생성하여 SOC 복호기(120)에 제공하는 펄스열 적분기(110)와, 펄스열 적분기(110)를 통해 얻어진 펄스열(a_i,j)에 대하여 최적 신호열 로 추정하여 수신자(S1)에게 출력하는 SOC 복호기(120)를 포함한다.

도 7의 흐름도를 참조하면, 상술한 구성을 바탕으로, 본 발명에 따른 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

먼저, 이진 정보원(10)은 i번째 신호의 이진정보(di)(예로, 비트라 가정함)를 도 2a에 도시된 바와 같은 형태로서 SOC 부호기(20)에 입력한다(단계 701).

SOC 부호기(20)는 이진 정보원(10)에 의해 입력된 이진정보를 부호율이 1/n 로 부호화한 도 2b에 도시된 바와 같이 n개의 부호화 이진정보(예로, 펄스 그룹이라 가정함)를 병렬/직렬 변환기(30)에 출력한다(단계 702). 여기서, d_{i,j(0,1,...n-1)}들은 모두 이진 정보들이다.

병렬/직렬 변환기(30)는 SOC 부호기(20)에 의해 부호화된 n개의 이진정보들에 대하여 병렬은 직렬로 또는 직렬은 병렬로 변환하여 반복 부호기(40)에 제공한다(단계 703).

반복 부호기(40)는 병렬/직렬 변환기(30)를 거쳐 출력된 n개의 이진정보들을 도 2c에 도시된 바와 같이 부호율이 n/N_s 인 반복 부호화를 통해 N_s/n 개씩 반복 부호화 이진정보(예로, 펄스라 가정함)를 총 N_s개만큼 생성하여 직렬/병렬 변환기(50)에 출력한다(단계 704).

여기서, 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 이진 정보원(10)으로부터 입력되는 한 개의 이진비트는 SOC 부호기(20)를 거쳐 n개의 펄스 그룹으로 형성되며, 또한, SOC 부호기(20)에 의해 출력된 한 개의 펄스 그룹은 반복 부호기(40)를 거쳐 N_s/n 개씩의 펄스로 형성된다. 다시 말해서, 한 개의 이진비트는 N_s개의 펄스로 형성된다.

직렬/병렬 변환기(50)는 반복 부호기(40)에 의해 N_s개만큼 생성된 반복 부호화 이진정보들에 대하여 직렬은 병렬로 또는 병렬은 직렬로 변환하여 N_s개의 펄스를 인터리버(60)에 입력한다(단계 705). 여기서, N_s개의 펄스 중 펄스 순서를 m으로 나타낼 경우, m번째로 인터리버(60)에 입력되는 펄스(Xm)는 수학식 1과 같이 표현된다.

인터리버(60)는 직렬/병렬 변환기(50)를 거쳐 입력되는 N_s개의 펄스에 대하여 이를 뒤섞여 인터리빙한 펄스(Xπ(m))를 UWB-IR 송신기(70)에 출력한다(단계 706). 여기서, 인터리빙의 단위는 최소 펄스 단위에서 최대 정보 비트 단위까지 중 선택할 수 있는데, 본원 발명에서는 정보 비트 단위와, 펄스 그룹 단위와, 펄스 단위의 인터리빙을 고려한다. 특히, 인터리빙의 단위 중 성능 면에서는 인터리빙의 단위가 작을수록 유리하다. 즉, 인터리빙의 단위가 작을수록, 그만큼 인터리버 색인(index)을 저장하는 기억장소가 많이 필요하고, 또한 복잡하게 되어 인터리버의 인터리빙 단위는 그 시스템 요구 조건에 따라 선택되어야 한다.

도 3 내지 도 5는 매 비트당 펄스(N_s) 수가 8이고 SOC 부호율이 1/4일 경우로서, 도 3은 정보 비트 단위의 인터리빙 실시예이고, 도 4는 펄스 그룹 단위의 인터리빙 실시예이며, 도 5는 펄스 단위의 인터리빙 실시예를 보여주는 도면이다.

상술한 바와 같이, 인터리빙을 수행한 후, UWB-IR 송신기(70)는 인터리버(60)에 의해 인터리빙된 펄스(Xπ(m))에 대하여 BPPM과 시간도약부호화를 수행하여 수학식 2로 표현되는 파형(S(t))을 생성하여 채널(80)을 통해 펄스 상관기(90)에 송출한다(단계 707). 즉 수학식 2에 표현된 송신 신호 파형(S(t))은 라이시안 페이딩(81) 채널(80) 및 다중 접속 간섭(83)이 있는 채널(80), 그리고 AWGN(85)이 존재하는 채널(80)을 통과하여 펄스 상관기(90)로 송출하는 것이다.

, W(t)는 UWB-IR의 송신에 사용되는 단위 펄스를 나타내며, T_f는 프레임 시간, T_c는 칩 시간, C_mmodNs는 시간도약부호, δ는 BPPM에서 "1"의 표현을 위해 사용되는 지연 시간을 나타낸다.

이와 같이, 채널(80)에서의 페이딩(p(t))(81) 성분의 변이는 매우 느리며, 주파수가 비선택적이라고 가정할 경우, 다중 접속 사용자에 의한 다중 접속 간섭(83)은 AWGN(85)으로 근사화될 수 있으므로 AWGN(85)과 합하여 분산이 I_o/2인 AWGN(85)(n(t))으로 취급할 수 있다.

펄스 상관기(90)는 UWB-IR 송신기(70)로부터 송출되어 채널(80)을 통해 수신된 수신 파형(r(t))을 수학식 3과 같이 계산하여 펄스 단위의 연판정 출력 파형(Yπ(m))으로 생성하여 디인터리버(100)에 제공한다(단계 708).

디인터리버(100)는 펄스 상관기(90)에 의해 생성된 출력 파형(Yπ(m))에 대하여 수학식 4를 통해 계산하여 인터리빙되기 이전의 순서로 재배치한 파형(Ym)으로 이루어 펄스열 적분기(110)에 출력한다(단계 709).

펄스열 적분기(110)는 디인터리버(100)에 의해 재배치된 N_s/n개의 연속된 파형(Ym)들에 대하여 수학식 5를 통해 펄스열(a_i,j)을 생성하여 SOC 복호기(120)에 제공한다(단계 710).

SOC 복호기(120)는 펄스열 적분기(110)를 통해 얻어진 펄스열(a_i,j)에 대하여 최적 신호열 로 추정하여 수신자(S1)에게 출력한다(단계 711).

한편, 본 발명에 의해 구성된 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템의 이론적 비트 오율(RATE)의 채널 환경에 있어서, 주파수가 비선택적이면서, 매우 느린 나카가미-m 페이딩(P(t)) 채널이라는 가정과 인터리버의 크기가 무한히 크다는 가정 하에 이론적 비트 오율 상한치를 계산하면, 수학식 6과 같은 결과를 얻을 수 있다.

여기서, 는 SOC의 변환 함수이며 수학식 6의 계산을 위해 상술한 변환 함수를 I 에 대해 편미분할 경우, 수학식 7과 같은 결과를 얻을 수 있다.

여기서, 은 펄스 간 기하학적 거리의 제곱이며, 가지 간의 서로 다른 펄스들의 개수를라고 할 때, 가지 간 기하학적 거리의 제곱은 의 관계가 성립된다.

그런데, 본 발명에서와 같이 SOC를 사용하여 펄스열을 부호화하므로, 는 N_s 또는 N_s/2이며, 또한 이라고 정의하면, 정보 비트 단위 인터리빙을 가정할 때, 의 ρ에 대한 평균 는 수학식 8을 통해 사용된다.

여기서, M_r는 γ의 모멘트 생성 함수로써, 페이딩 성분의 확률적인 분포에 의해 결정되며, 펄스 그룹 단위 인터리빙 방식과 펄스 단위 인터리빙 방식에 적용하여 를 구하면 수학식 9와 같이 쓸 수 있다.

여기서, γ의 모멘트 생성 함수의 지수가 인터리빙의 단위에 따라 달라지는 것을 관찰할 수 있는데, 이 지수는 다이버시티와 비례하는 관계를 갖는다.

다음으로, 도 6은 본 발명에 따른 정보 비트 단위와, 펄스 그룹 단위와, 펄스 단위로 인터리빙을 적용했을 경우, 레이리 페이딩 환경에서 SOC-UWB-IR 시스템의 이론적인 비트 오율을 도시한 도면이다.

즉, 도 6a는 N_s가 32이고, SOC 부호기의 부호율이 1/4인 시스템의 이론치를 도시한 도면이고, 도 6b는 N_s가 32이고, SOC 부호기(20)의 부호율이 1/32인 시스템의 이론치를 나타낸 도면이다.

도 6a를 통해 볼 때, 10^-6의 비트 오율을 얻기 위해서 정보 비트 단위 인터리빙(c)을 사용할 경우, 약 15dB, 펄스 그룹 단위 인터리빙(b)을 사용할 경우 약 9dB, 펄스 단위 인터리빙(a)을 사용할 경우 약 7dB의 비트 에너지 대 잡음비가 필요함을 알 수 있다.

다시 말해서, 펄스 단위 인터리빙(a)을 사용하는 시스템은 정보 비트 단위 인터리빙(c)을 사용하는 시스템 보다 비트 오율 10^-6에서 약 8dB의 전력 이득을 얻을 수 있다.

다음으로, 도 6b를 통해 볼 때, 10^-6의 비트 오율을 얻기 위해서 정보 비트 단위 인터리빙(e)을 사용할 경우 약 9.8dB, 펄스 단위 인터리빙(d)을 사용할 경우 약 5.5dB 정도의 비트 에너지 대 잡음비가 필요함으로써, 인터리빙 단위가 작을수록 더욱 뛰어난 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

상기와 같이 설명한 본 발명은 비트 당 펄스의 개수 N_s 에 대하여 SOC 부호기의 부호율 및 인터리빙 단위를 유연하게 조절하며, 또한, 인터리버와 디인터리버를 결합하여 SOC-UWB-IR 시스템을 구현하고, 주파수가 비선택적이면서 느린 페이딩 환경에서 그 성능을 분석함으로써, 인터리빙 기법 및 SOC 부호기의 구조가 성능에 미치는 영향을 정량적으로 입증하여 그 지표를 제공하며, 또한, 인터리버를 연접한 SOC-UWB-IR 시스템 모델에 적용하여 부호 다이버시티를 개선시켜 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 인터리빙을 이용한 초직교 길쌈 부호화 초광대역 임펄스 라디오 시스템 구성을 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 i번째 신호의 이진정보(di), SOC 부호기의 출력, 반복 부호기의 출력을 도시한 도면이며,

도 3은 본 발명에 따른 정보 비트 단위 인터리빙을 도시한 도면이며,

도 4는 본 발명에 따른 펄스 그룹 단위 인터리빙을 도시한 도면이며,

도 5는 본 발명에 따른 펄스 단위의 인터리빙을 도시한 도면이며,

도 6은 본 발명에 따른 정보 비트 단위, 펄스 그룹 단위, 펄스 단위로 인터리빙을 적용했을 경우, 레이리 페이딩 환경에서 SOC-UWB-IR 시스템의 이론적인 비트 오율에 대하여 도시한 도면이며,

도 7은 본 발명에 따른 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법의 흐름도를 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 이진 정보원 20 : SOC 부호기

30 : 병렬/직렬 변환기 40 : 반복 부호기

50 : 직렬/병렬 변환기 60 : 인터리버

70 : UWB-IR 송신기 80 : 채널

90 : 펄스 상관기 100 : 디인터리버

110 : 펄스열 적분기 120 : SOC 복호기

Claims

초직교 길쌈 부호화(Super Orthogonal Convolutional Code, SOC) 초광대역 임펄스 라디오(Ultra Wide-Band Impulse Radio, UWB-IR) 시스템에 있어서,

이진정보(di)의 형태를 입력하는 이진 정보원과,

상기 입력된 이진정보를 부호율이 1/n 로 부호화한 n개의 부호화 이진정보를 출력하는 SOC 부호기와,

상기 부호화된 이진정보들에 대하여 병렬과 직렬을 상호 변환하는 병렬/직렬 변환기와,

상기 n개의 이진정보들을 부호율이 n/N_s 인 반복 부호화를 통해 N_s/n 개씩 반복 부호화 이진정보를 총 N_s개만큼 생성하여 출력하는 반복 부호기와,

상기 N_s개의 펄스에 대하여 인터리빙한 펄스(Xπ(m))를 출력하는 인터리버와,

상기 인터리빙된 펄스(Xπ(m))에 대하여 이진펄스위치변조(Binary Pulse Position Modulation, BPPM)와 시간도약부호화를 수행하여 파형(S(t))을 생성하여 채널을 통해 송출하는 UWB-IR 송신기와,

상기 채널을 통해 수신된 수신 파형(r(t))을 펄스 단위의 연판정 출력 파형(Yπ(m))으로 생성하는 펄스 상관기와,

상기 생성된 출력 파형(Yπ(m))에 대하여 인터리빙되기 이전의 순서로 재배치한 파형(Ym)으로 이루어 출력하는 디인터리버와,

상기 재배치된 N_s/n개의 연속된 파형(Ym)들에 대하여 펄스열(a_i,j)을 생성하는 펄스열 적분기와,

상기 펄스열(a_i,j)에 대하여 최적 신호열 로 추정하여 수신자에게 출력하는 SOC 복호기

를 포함하는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 N_s개의 펄스 중 펄스 순서를 m으로 나타낼 경우, m번째로 상기 인터리버에 입력되는 펄스(Xm)는,

수학식 1

과 같이 표현하는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 파형(S(t))은, 수학식 2

,에 의해 생성되며, W(t)는 UWB-IR의 송신에 사용되는 단위 펄스를 나타내며, T_f는 프레임 시간, T_c는 칩 시간, C_mmodNs는 시간도약부호, δ는 BPPM에서 "1"의 표현을 위해 사용되는 지연 시간을 나타내는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 펄스 단위의 연판정 출력 파형(Yπ(m))은,

상기 수학식 3

에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 출력 파형(Yπ(m))은,

수학식 4

를 통해 계산하여 인터리빙되기 이전의 순서로 재배치한 파형(Ym)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 펄스열(a_i,j)은,

수학식 5

를 통해 생성하는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 채널은, 주파수가 비선택적이면서, 매우 느린 나카가미-m 페이딩(P(t)) 채널과 인터리버의 크기가 무한히 크다는 가정 하에 이론적 비트 오율 상한치는 수학식 6

에 의해 계산되며,

상기는 SOC의 변환 함수인 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 변환 함수를 I 에 대해 편미분할 경우,

수학식 7

과 같은 결과를 얻으며,

상기 은 펄스 간 기하학적 거리의 제곱이며, 가지 간의 서로 다른 펄스들의 개수를라고 할 때, 가지 간 기하학적 거리의 제곱은 의 관계가 성립되는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템.
제 8 항에 있어서,

상기 는 N_s 또는 N_s/2, 로, 정보 비트 단위 인터리빙으로 가정할 경우, 의 ρ에 대한 평균 는,

수학식 8

을 통해 사용되며,

상기 M_r는 γ의 모멘트 생성 함수로써, 페이딩 성분의 확률적인 분포에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 는, 펄스 그룹 단위 인터리빙 방식과 펄스 단위 인터리빙 방식에 적용하여 구할 경우,

수학식 9

와 같이 쓸 수 있으며,

상기 γ의 모멘트 생성 함수의 지수가 인터리빙의 단위에 따라 달라지는 것을 관찰할 수 있는데, 상기 지수는 다이버시티와 비례하는 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 시스템.
SOC UWB-IR 시스템의 부호화/복호화 방법에 있어서,

상기 SOC UWB-IR 시스템의 부호화 과정에는 :

이진정보(di)의 형태를 입력하는 단계와,

상기 입력된 이진정보에 대하여 부호율이 1/n로 부호화한 n개의 부호화 이진정보를 출력하는 단계와,

상기 부호화된 이진정보들에 대하여 병렬과 직렬을 상호 변환하는 단계와,

상기 n개의 이진정보들에 대하여 부호율이 n/N_s 인 반복 부호화를 통해 N_s/n 개씩 반복 부호화 이진정보를 총 N_s개만큼 생성하는 단계와,

상기 N_s개의 펄스에 대하여 인터리빙한 펄스(Xπ(m))를 출력하는 단계와,

상기 인터리빙된 펄스(Xπ(m))에 대하여 BPPM와 시간도약부호화를 수행하여 파형(S(t))을 생성하여 채널을 통해 송출하는 단계를 포함하며,

상기 SOC UWB-IR 시스템의 복호화 과정에는 :

상기 채널을 통해 수신된 수신 파형(r(t))을 펄스 단위의 연판정 출력 파형(Yπ(m))으로 생성하는 단계와,

상기 생성된 출력 파형(Yπ(m))에 대하여 인터리빙되기 이전의 순서로 재배치한 파형(Ym)으로 이루어 출력하는 단계와,

상기 재배치된 N_s/n개의 연속된 파형(Ym)들에 대하여 펄스열(a_i,j)을 생성하는 단계와,

상기 펄스열(a_i,j)에 대하여 최적 신호열 로 추정하여 수신자에게 출력하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 인터리빙의 단위는, 펄스 단위의 인터리빙과, 펄스 그룹 단위의 인터리빙과, 정보 비트 단위의 인터리빙으로 구분되며, 그 성능 면에서 상기 인터리빙의 단위가 작을수록 인터리버 색인(index)을 저장하는 기억장소가 많이 필요하게 되어 상기 SOC UWB-IR 시스템의 요구 조건에 따라 상기 인터리빙의 단위가 선택되어야 하는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 N_s개의 펄스 중 펄스 순서를 m으로 나타낼 경우, m번째로 상기 인터리버에 입력되는 펄스(Xm)는, 수학식 1과 같이 표현하는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법.

[수학식 1]
제 11 항에 있어서,

상기 파형(S(t))은, 수학식 2에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법.

[수학식 2]

W(t) : UWB-IR의 송신에 사용되는 단위 펄스

T_{f :}프레임 시간

T_{c :}칩 시간

C_mmodNs : 시간도약부호

δ : BPPM에서 "1"의 표현을 위해 사용되는 지연 시간
제 11 항에 있어서,

상기 펄스 단위의 연판정 출력 파형(Yπ(m))은, 수학식 3에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법.

[수학식 3]
제 11 항에 있어서,

상기 출력 파형(Yπ(m))은, 수학식 4를 통해 계산하여 인터리빙되기 이전의 순서로 재배치한 파형(Ym)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법.

[수학식 4]
제 11 항에 있어서,

상기 펄스열(a_i,j)은, 수학식 5를 통해 생성하는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법.

[수학식 5]
제 11 항에 있어서,

상기 채널은, 주파수가 비선택적이면서, 매우 느린 나카가미-m 페이딩(P(t)) 채널과 인터리버의 크기가 무한히 크다는 가정 하에 이론적 비트 오율 상한치는 수학식 6에 의해 계산되며, 상기 는 SOC의 변환 함수인 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법.

[수학식 6]
제 18 항에 있어서,

상기 변환 함수를 I 에 대해 편미분할 경우, 수학식 7과 같은 결과를 얻으며, 가지 간의 서로 다른 펄스들의 개수를 라고 할 때, 상기 가지 간 기하학적 거리의 제곱은 의 관계가 성립되는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법.

[수학식 7]
제 19 항에 있어서,

상기 는 N_s 또는 N_s/2, 로, 정보 비트 단위 인터리빙으로 가정할 경우,의 ρ에 대한 평균 는, 수학식 8을 통해 사용되며, M_r는 γ의 모멘트 생성 함수로써, 페이딩 성분의 확률적인 분포에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법.

[수학식 8]
제 20 항에 있어서,

상기 는, 펄스 그룹 단위 인터리빙 방식과 펄스 단위 인터리빙 방식에 적용하여 구할 경우, 수학식 9와 같이 쓸 수 있으며, γ의 모멘트 생성 함수의 지수가 인터리빙의 단위에 따라 달라지는 것을 관찰할 수 있는데, 상기 지수는 다이버시티와 비례하는 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 인터리빙을 이용한 SOC UWB-IR 부호화/복호화 방법.

[수학식 9]