KR20050108219A

KR20050108219A - 멀티캐리어 변조 방식의 통신 시스템에서 피크-대-평균전력비를 감소시키는 송신기 및 수신기와 적응적피크-대-평균 전력비 제어 방법

Info

Publication number: KR20050108219A
Application number: KR1020040033423A
Authority: KR
Inventors: 김재형; 장재환
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2005-11-16
Also published as: KR100703265B1; IL179158A0; JP2007536777A; US20050254587A1; EP1745627A1; EP1745627A4; CN1954571A; WO2005109813A1

Abstract

피크-대-평균 전력비(Peak-to-Average Power Ratio: PAPR)를 감소시키기 위한 송신기는 입력값의 증가에 따라 출력값이 증가하여 정해진 값으로 수렴하는 맵핑 함수를 멀티캐리어 변조된 신호에 적용하여 피크를 제한하여 송신한다. 수신기는 멀티캐리어 변조 방식에 의해 변조된 후 입력값의 증가에 따라 출력값이 정해진 값으로 수렴하는 맵핑 함수의 적용에 의해 피크가 제한되어 송신된 신호를 수신하고, 맵핑 함수에 관한 역 맵핑 함수를 수신된 신호에 적용하여 제한된 피크를 복원한 후 멀티캐리어 변조 방식에 의해 데이터를 복원한다. 또한 적응적 PAPR 제어에 따라 맵핑 함수와 역 맵핑 함수에 대하여 스케일링 팩터가 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 가변 설정될 수도 있다.

Description

멀티캐리어 변조 방식의 통신 시스템에서 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 송신기 및 수신기와 적응적 피크-대-평균 전력비 제어 방법{TRANSMITTER AND RECEIVER FOR REDUCING PEAK-TO-AVERAGE POWER RATIO IN COMMUNICATION SYSTEM WITH MULTICARRIER MODULATION SYSTEM AND ADAPTIVE PEAK-TO-AVERAGE POWER RATIO CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 멀티캐리어(multicarrier) 변조 방식의 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 피크-대-평균 전력비(Peak-to-Average Power Ratio: PAPR)를 감소시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.

멀티캐리어 변조 방식은 넓은 대역의 단일 캐리어(carrier) 대신 서로 직교성을 갖는 여러 서브캐리어(subcarrier)를 이용하여 데이터를 병렬로 보내는 방식이다. 이러한 멀티캐리어 변조 방식으로서 DMT(Discrete Multi-Tone), OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 등이 있다.

이러한 멀티캐리어 변조 방식을 사용하는 통신 시스템은 서브캐리어들을 이용하여 데이터를 전송하므로, 멀티캐리어 변조된 신호의 진폭은 서브캐리어들의 진폭의 합으로 표현될 수 있다. 이에 따라 멀티캐리어 변조된 신호는 진폭의 변화 폭이 크며, 서브캐리어들의 개수에 비례하여 PAPR이 증가한다. 서브캐리어들의 위상이 일치한다면 PAPR은 매우 큰 값을 가지게 된다. 그러면 송신기의 HPA(High power amplifier)의 선형 동작 범위를 벗어나게 되고, 그에 따라 HPA를 통과한 신호는 왜곡이 발생된다. 이러한 왜곡을 줄이기 위해 HPA의 선형 영역을 넓혀 모든 신호들이 선형적으로 동작하도록 하는 방식이나, 비선형 HPA의 동작점을 하향 조정하여 HPA를 선형 영역에서 동작시키는 백-오프(back-off) 방식이 사용될 수도 있다. 하지만 이런 경우 가격이 비싸지거나 전력 효율이 나빠진다.

이에 따라 PAPR을 감소시키기 위한 여러 가지 기술들이 제안되어 왔었다. 예를 들어 OFDM 방식에서 PAPR를 감소시키기 위해 클리핑(clipping) 방식이 가장 간단히 구현할 수 있고 널리 사용되고 있다. 클리핑 방식은 신호의 진폭이 정해진 값보다 크면 강제로 그 진폭을 잘라냄으로써 신호의 진폭이 특정 레벨 이상을 넘지 못하도록 하는 방식이다. 이외에도 서브캐리어가 동일 위상이 되는 것을 최소화하기 위하여 특정 코드를 이용하는 코딩(coding) 방식, 심볼 스크램블링(symbol scrambling)을 실행하는 스크램블링 방식 등 여러 가지 방식들이 제안되고 있다.

그러나 클리핑 방식은 간단하게 구현할 수 있지만, 자기 신호를 왜곡하는 방식이므로, BER(Bit Error Rate)에 매우 치명적인 영향을 미침으로써 BER 성능이 저하된다. 또한 클리핑 방식 이외의 방식들은 대부분 실제 구현이 어렵고 처리 절차가 복잡하기 때문에 휴대 단말에는 적용하기 곤란하다.

따라서 본 발명은 BER 성능 저하를 줄이면서도 간단하게 구현할 수 있는 PAPR을 감소시키는 송신기 및 수신기와 적응적 PAPR 제어 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 BER 성능 저하를 줄이면서도 휴대 단말에도 용이하게 적용할 수 있는 PAPR을 감소시키는 송신기 및 수신기와 적응적 PAPR 제어 방법을 제공한다.

이를 위한 본 발명의 송신기는 입력값의 증가에 따라 출력값이 증가하여 정해진 값으로 수렴하는 맵핑 함수(mapping function)를 멀티캐리어 변조된 신호에 적용하여 피크(peak)를 제한하여 송신함을 특징으로 한다.

본 발명의 수신기는 멀티캐리어 변조 방식에 의해 변조된 후 입력값의 증가에 따라 출력값이 증가하여 정해진 값으로 수렴하는 맵핑 함수의 적용에 의해 피크가 제한되어 송신된 신호를 수신하고, 맵핑 함수에 관한 역 맵핑 함수(inverse mapping function)를 수신된 신호에 적용하여 제한된 피크를 복원한 후 멀티캐리어 변조 방식에 의해 데이터를 복원함을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 적응적 PAPR 제어에 따르면, 상기한 맵핑 함수와 역 맵핑 함수에 대하여는 스케일링 팩터(scaling factor)가 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 가변 설정될 수도 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 송신기의 블록 구성도로서, 멀티캐리어 변조 방식의 송신기의 예로서 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.16e에 따른 OFDM 송신기에 본 발명을 적용한 예를 보인 것이다. 즉, 도 1은 IEEE 802.16e에 따른 OFDM 송신기의 OFDM 변조부(100)와 송신부(104) 사이에 본 발명의 실시예에 따라 피크 제한부(102)를 추가하여 구성한 것이다.

상기한 OFDM 변조부(100)는 통상적인 구성을 개략적으로 보인 것으로, 본 발명의 이해에 유용한 OFDM 변조부(100)를 살피면 다음과 같다. 송신할 데이터 비트는 부호화기(106)에 의해 FEC(Forward Error Correction) 부호화되고, 인터리버(interleaver)(108)에 의해 인터리빙된 후 맵퍼(mapper)(110)에 인가되어 서브캐리어 변조가 이루어진다. 서브캐리어 변조 방식으로는 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 64QAM 중에 한가지가 사용된다. 서브캐리어 변조에 따른 심볼들은 서브채널(subchannel) 할당기(112)에서 각각 정해진 서브채널에 할당되고 파일럿(pilot) 삽입기(114)에 의해 파일럿이 삽입된 후, IFFT(Inverse Fast Fourier Transforme) 부(116)에 의해 IFFT됨으로써 OFDM 변조된 신호가 생성되어 출력된다.

이전의 OFDM 송신기는 IFFT 부(116)로부터 출력되는 OFDM 신호를 그대로 송신부(104)에 인가하여 송신하였으나, 도 1의 송신기에서는 OFDM 신호가 피크 제한부(102)를 거쳐 송신부(104)에 인가된다. 피크 제한부(102)는 입력값의 증가에 따라 출력값이 증가하여 정해진 값으로 수렴하는 맵핑 함수를 OFDM 신호에 적용하여 피크를 제한한다. 이처럼 피크 제한부(102)에 의해 피크가 제한된 OFDM 신호는 송신부(104)를 거쳐 송신된다.

상기한 바와 같은 맵핑 함수로서는 지수 함수들이나 로그 함수들 중에 입력값의 증가에 따라 출력값이 증가하여 정해진 값으로 수렴하는 함수가 선택될 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 후술하는 바와 같이 하이퍼블릭 탄젠트 함수(hyperbolic tangent function) tanh를 사용하는 예를 든다.

도 2는 본 발명에 적용되는 맵핑 함수의 예시도로서, IFFT 부(116)로부터 피크 제한부(102)에 입력되는 OFDM 신호의 값을 'x'라고 할 때, 입력값 x에 관한 출력값 y를 나타내는 tanh(x), 즉 y=tanh(x)의 그래프(graph)를 보인 것이다. 도 2에서 보는 바와 같이 tanh(x)는 입력값 x이 증가해도 출력값 y는 1 또는 -1로 수렴하기 때문에 일정한 크기 이상을 넘지는 못한다. 또한 입력값 x의 크기에 따라 출력값 y이 선형적인 영역(200)과 비선형적인 영역(202,204)을 가진다. 즉, 입력값 x이 선형 영역(200)의 범위내에 있는 상대적으로 작은 값인 경우에는 입력값 x의 변화에 따라 출력값 y가 선형적으로 변화하지만, 입력값 x가 비선형 영역(202,204)의 범위에 포함되는 상대적으로 큰 값인 경우에는 입력값 x의 변화에 따라 출력값 y가 비선형적으로 변화한다.

그러므로 피크 제한부(102)에서 IFFT 부(116)로부터 입력되는 OFDM 신호에 적용하는 맵핑 함수로서 상기한 바와 같은 특성을 가지는 tanh(x)를 이용하면, OFDM 신호의 진폭이 커도 피크 제한부(102)에서는 상대적으로 작은 크기로 출력될 뿐만 아니라 일정한 크기를 넘지 못한다. 이처럼 피크 제한부(102)에 의해 OFDM 신호의 피크를 제한하게 되므로 PAPR을 감소시킬 수 있게 된다.

또한 OFDM 신호에 맵핑 함수만을 적용하여 피크를 제한하므로, 간단하게 구현할 수 있게 된다. 그리고 전술한 클리핑 방식은 신호의 진폭이 정해진 값보다 크면 강제로 그 진폭을 잘라냄으로써 신호의 왜곡이 커지지만, 본 발명에 따른 피크 제한은 맵핑 함수의 비선형적인 특성을 이용하므로 상대적으로 신호의 왜곡이 적어지므로 BER 성능 저하를 줄일 수 있다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 수신기의 블록 구성도로서, 멀티캐리어 변조 방식의 수신기의 예로서 IEEE 802.16e에 따른 OFDM 수신기에 본 발명을 적용한 예를 보인 것이다. 즉, 도 3은 IEEE 802.16e에 따른 OFDM 수신기의 수신부(300)와 OFDM 복조부(304) 사이에 본 발명의 실시예에 따라 피크 복원부(302)를 추가하여 구성한 것이다.

상기한 수신부(300)는 상기한 도 1의 송신기로부터 송신된 신호를 수신한다. 이에 따라 수신부(300)로부터는 상기한 바와 같이 피크 제한부(102)에 의해 피크가 제한된 OFDM 신호가 피크 복원부(302)로 출력된다. 그러면 피크 복원부(302)는 수신부(300)로부터 입력되는 OFDM 신호에 상기한 맵핑 함수 tanh(x)에 관한 역 맵핑 함수, 즉 tanh^-1(x)를 적용함으로써 상기한 도 1의 피크 제한부(102)에 의해 제한되었던 피크를 복원하여 OFDM 복조부(304)에 인가한다.

상기한 OFDM 복조부(304)는 통상적인 구성을 개략적으로 보인 것으로, 본 발명의 이해에 유용한 OFDM 복조부(304)를 살피면 다음과 같다. 피크 복원부(302)로부터 출력된 OFDM 신호는 FFT(Fast Fourier Transform) 부(306)에 의해 FFT된 후, 등화기(308)에 인가된다. 등화기(308)는 FFT된 신호에 대하여 채널 왜곡을 보상하고, 채널 왜곡이 보상된 신호는 디맵퍼(demapper)(310)에서 복조되며, 이후 디인터리버(312)에 의해 디인터리빙된 후 복호화기(314)에 의해 복호화됨으로써 원래의 데이터 비트가 복원된다.

상기한 바와 같이 도 1의 송신기는 OFDM 신호에 맵핑 함수를 적용하여 피크를 제한하여 송신함으로써 PAPR을 감소시키게 되고, 이처럼 피크가 제한된 OFDM 신호를 수신하는 도 3의 수신기는 맵핑 함수에 관한 역 맵핑 함수를 수신된 OFDM 신호에 적용하여 피크를 복원한 후 OFDM 복조를 함으로써 전술한 클리핑 방식에 비해 BER 성능 저하를 줄일 수 있다. 또한 OFDM 신호에 대하여 송신기에서는 맵핑 함수만을 적용하면 되고, 수신기에서는 역 맵핑 함수만을 적용하면 되므로 간단하게 구현할 수 있다. 이에 따라 휴대 단말에도 용이하게 적용할 수 있게 된다.

한편 본 발명의 발명자들은 상술한 피크 제한부(102)에 있어서 입력값 x에 관한 맵핑 함수 tanh(x)의 맵핑 영역이 달라지면 BER 성능이 달라지는 것을 발견하였다. 특히 BER 성능 저하를 최소화하기 위해서는 서브캐리어 변조 방식, 즉 상술한 도 1의 OFDM 송신기에서는 QPSK, 16QAM, 64QAM 중에 서브캐리어 변조에 사용된 방식에 따라 맵핑 함수 tanh(x)의 맵핑 영역을 적절히 조정하는 것이 바람직하다는 것을 알게 되었다. 이처럼 맵핑 함수 tanh(x)의 맵핑 영역을 조절하기 위해서는 스케일링 팩터가 필요하다. 이 스케일링 팩터 값을 'a'라고 정의하면 맵핑 함수의 출력값 y는 tanh(ax)가 된다.

이처럼 스케일링 팩터 a에 따른 맵핑 영역이 달라지는 예를 도 4로서 보였다. 도 4에서 a1,a2,a3가 스케일링 팩터 a의 조정에 따른 맵핑 영역을 나타내는데, 예를 들어 스케일링 팩터 a가 100인 경우에는 맵핑 영역은 a1 영역이 되고, 스케일링 팩터 a가 150인 경우에는 맵핑 영역은 a2 영역이 되며, 스케일링 팩터 a가 200인 경우에는 맵핑 영역은 a3 영역이 될 수 있다.

상기한 바와 같이 맵핑 함수 tanh(ax)의 스케일링 팩터 a를 3가지의 서브캐리어 변조 방식, 즉 QPSK, 16QAM, 64QAM 각각에 대하여 변경하면서 BER 성능에 관한 시뮬레이션(simulation)을 실시하였다. 그 결과 스케일링 팩터를 QPSK에 대하여는 200, 16QAM에 대하여는 150, 64QAM에 대하여는 100으로 설정하는 경우에 BER 성능이 가장 양호하게 나타났다.

도 5 및 도 6은 상기한 바와 같은 BER 성능에 관한 시뮬레이션 결과의 예로서, 서브캐리어 변조 방식이 16QAM인 경우를 도 5로서 보였고, 서브캐리어 변조 방식이 64QAM인 경우를 도 6으로서 보였다. 이러한 도 5 및 도 6은 스케일링 팩터 a를 100, 150, 200으로 변경시켰을 때 C/N(Carrier to Noise ratio)과 BER의 관계를 '16QAM Original', '64QAM Original'과 각각 비교하여 보인 것이다. 여기서 '16QAM Original', '64QAM Original'는 맵핑 함수를 적용하지 않은 경우이다.

상기 도 5를 보면 서브캐리어 변조 방식이 16QAM인 경우에는 스케일링 팩터 a가 150일 때가 100, 200일 때보다 BER 성능이 '16QAM Original'에 가장 가까우므로, 스케일링 팩터 a가 150일 때 가장 좋은 BER 성능을 보임을 알 수 있다. 그리고 상기 도 6을 보면 서브캐리어 변조 방식이 64QAM인 경우에는 스케일링 팩터 a가 100일 때가 150, 200일 때보다 BER 성능이 '64QAM Original'에 가장 가까우므로, 스케일링 팩터 a가 100일 때 가장 좋은 BER 성능을 보임을 알 수 있다.

물론 상기한 도 5 및 도 6에 관한 시뮬레이션은 실제 통신 환경에 가까운 결과를 얻기 위해 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 채널을 설정한 경우로서, AWGN 채널이 없이 이상적인 경우라면 BER 손실은 없다. 또한 맵핑 함수로서 tanh가 아니라, 다른 형태의 맵핑 함수를 이용한다면 가장 좋은 BER 성능을 나타내는 스케일링 팩터 a의 값도 달라지게 될 것이다.

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 기지국의 송수신기의 블록 구성도로서, IEEE 802.16e에 따른 통신 시스템의 기지국의 송수신기에 상기한 바와 같이 맵핑 함수의 스케일링 팩터를 서브캐리어 변조 방식에 따라 가변 설정함으로써 적응적으로 PAPR을 제어하는 본 발명을 적용하는 예를 보인 것이다. 이러한 도 7은 OFDM 방식을 채용한 통신 시스템의 기지국의 송수신기에 있어서 본 발명의 설명에 필요한 블록 구성만을 개략적으로 보인 것이다. 도 7에 보인 송수신기는 본 발명의 실시예에 따라 OFDM 변조부(400)와 송신부(404) 사이에 피크 제한부(402)가 추가되고 수신부(408)와 OFDM 복조부(412) 사이에 피크 복원부(410)가 추가되어 구성된다. 그리고 OFDM 변조부(400)와 OFDM 복조부(412)는 상기한 도 1의 OFDM 변조부(100)와 상기한 도 3의 OFDM 복조부(304)와 각각 기본적으로 동일한 구성을 가진다.

상기한 피크 제한부(402)는 상기한 도 1의 피크 제한부(102)와 달리, 제어부(406)에 의해 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 스케일링 팩터가 가변 설정되는 맵핑 함수를 OFDM 변조부(400)로부터 입력되는 OFDM 신호에 적용함으로써 피크를 제한하여 송신부(404)에 인가한다. 피크 복원부(410)도 상기한 도 3의 피크 복원부(302)와 달리, 제어부(406)에 의해 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 스케일링 팩터가 가변 설정되는 역 맵핑 함수를 수신부(408)로부터 입력되는 OFDM 신호에 적용함으로써 피크를 복원하여 OFDM 복조부(412)에 인가한다. 상기 서브캐리어 변조 모드는 상기한 바와 같이 IEEE 802.16e에 따른 3가지의 서브캐리어 변조 방식, 즉 QPSK, 16QAM, 64QAM 중에 현재 사용되는 서브캐리어 변조 방식을 의미한다.

이제 제어부(406)의 본 발명의 실시예에 따른 적응적 PAPR 제어 처리 흐름도를 (500)∼(506)단계로 보인 도 8을 참조하면, 제어부(406)는 (500)단계에서 현재의 서브캐리어 변조 모드, 즉 현재 OFDM 변조부(400)에서 서브캐리어 변조에 사용되는 서브캐리어 변조 방식이 QPSK, 16QAM, 64QAM 중에 어떤 방식인지를 확인한다. 그리고 (502)단계에서 이처럼 확인한 서브캐리어 변조 모드에 대응하는 스케일링 팩터를 결정한다. 이때 제어부(406)는 예를 들어 서브캐리어 변조 모드가 QPSK인 경우에는 스케일링 팩터를 200으로, 16QAM인 경우에는 스케일링 팩터를 150으로, 64QAM인 경우에는 스케일링 팩터를 100으로 결정한다. 이후 (504)단계에서 피크 제한부(402)에서 적용되는 맵핑 함수의 스케일링 팩터와 피크 복원부(410)에서 적용되는 역 맵핑 함수의 스케일링 팩터를 상기와 같이 결정한 값으로 피크 제한부(402)와 피크 복원부(410)에 각각 설정하고, (506)단계에서 후술하는 도 9와 같은 송수신기를 구비하는 휴대 단말과 OFDM 신호의 송수신을 시작한다. 따라서 송신되는 OFDM 신호는 서브캐리어 변조 방식에 대응되게 피크가 제한되고 아울러 수신되는 OFDM 신호는 서브캐리어 변조 방식에 대응되게 피크가 복원된다.

도 9는 상기한 도 7의 기지국 송수신기와 통신을 하는 본 발명의 제2실시예에 따른 휴대 단말의 송수신기의 블록 구성도로서, IEEE 802.16e에 따른 통신 시스템의 휴대 단말의 송수신기에 상기한 바와 같이 맵핑 함수의 스케일링 팩터를 서브캐리어 변조 방식에 따라 가변 설정함으로써 적응적으로 PAPR을 제어하는 본 발명을 적용하는 예를 보인 것이다. 이러한 도 9는 OFDM 방식을 채용한 통신 시스템의 휴대 단말의 송수신기에 있어서 본 발명의 설명에 필요한 블록 구성만을 개략적으로 보인 것이다. 도 9에 보인 송수신기는 본 발명의 실시예에 따라 수신부(600)와 OFDM 복조부(604) 사이에 피크 복원부(602)가 추가되고 OFDM 변조부(608)와 송신부(612) 사이에 피크 제한부(610)가 추가되어 구성된다. 그리고 OFDM 변조부(608)와 OFDM 복조부(604)는 상기한 도 1의 OFDM 변조부(100)와 상기한 도 3의 OFDM 복조부(304)와 각각 기본적으로 동일한 구성을 가진다.

상기한 피크 제한부(610)는 상기한 도 1의 피크 제한부(102)와 달리, 제어부(606)에 의해 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 스케일링 팩터가 가변 설정되는 맵핑 함수를 OFDM 변조부(608)로부터 입력되는 OFDM 신호에 적용함으로써 피크를 제한하여 송신부(612)에 인가한다. 피크 복원부(602)도 상기한 도 3의 피크 복원부(302)와 달리, 제어부(606)에 의해 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 스케일링 팩터가 가변 설정되는 역 맵핑 함수를 수신부(600)로부터 입력되는 OFDM 신호에 적용함으로써 피크를 복원하여 OFDM 복조부(604)에 인가한다.

이제 제어부(606)의 본 발명의 실시예에 따른 적응적 PAPR 제어 처리 흐름도를 (700)∼(712)단계로 보인 도 10을 참조하면, 제어부(606)는 (700)∼(706)단계에서 현재의 서브캐리어 변조 모드, 즉 현재 수신되는 OFDM 신호의 서브캐리어 변조에 적용된 서브캐리어 변조 방식이 QPSK, 16QAM, 64QAM 중에 어떤 방식인지를 확인한다. 이때 서브캐리어 변조 모드는 상기한 IEEE 802.16e에 따르면, 기지국으로부터 수신하는 첫번째 다운 링크 프레임에 포함된 데이터로부터 확인할 수 있다. 첫번째 다운 링크 프레임에 있는 DL(Down Link) 프레임 프리픽스 'DL Frame Prefix'에는 'Rate_ID', 'No_OFDM_symbols', 'No_subchannels', 'Prefix_CS'가 있는데, 이들 중에 'Rate_ID'가 하기 표 1에 보인 바와 같이 DL_MAP에서 사용하는 서브캐리어 변조 모드 및 부호화율(Modulation/coding)을 나타내며, 휴대 단말은 하기 표 1에 보인 정보를 가지고 있다. 여기서 부호화율은 상기한 도 1에 보인 바와 같은 송신기의 부호화기(106)에서 부호화되는 부호화율을 의미한다.

Rate_ID	Modulation/coding
0	QPSK 1/2
1	QPSK 3/4
2	16QAM 1/2
3	16QAM 3/4
4	64QAM 2/3
5	64QAM 3/4
6-15	reserved

이에 따라 제어부(606)는 상기한 도 7과 같은 기지국 송수신기와 통신을 시작할 때, (700)단계에서 첫번째 다운 링크 프레임의 AP(Access Point) 프리앰블(preamble)을 수신하면 뒤이어지는 DL 프레임 프리픽스를 (702)단계에서 수신하고, (704)단계에서 DL 프레임 프리픽스 'DL Frame Prefix'에 있는 'Rate_ID'를 확인하여 확인된 'Rate_ID'에 대응하는 서브캐리어 변조 모드를 상기한 표 1에 근거하여 확인한다.

상기 'Rate_ID'는 물론 수신부(600)를 통해 수신한 OFDM 신호가 피크 복원부(602)를 거쳐 OFDM 복조부(604)에 의해 복원되어 제어부(606)에 제공된다. 또한 'Rate_ID'에 대응하는 서브캐리어 변조 모드를 확인하기 전까지는 휴대 단말은 기지국으로부터 수신되는 OFDM 신호의 서브캐리어 변조 모드를 알 수 없으므로 피크 복원부(602)에서 적용하는 역 맵핑 함수의 스케일링 팩터는 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 설정되지는 않는다. 그러므로 'Rate_ID'에 대응하는 서브캐리어 변조 모드를 확인하기 전에는 제어부(606)가 역 맵핑 함수의 스케일링 팩터를 QPSK, 16QAM, 64QAM 중 미리 정해진 서브캐리어 변조 모드에 대응되는 값이나 아니면 또다른 미리 정해진 값을 설정하도록 디폴트(default)로 정해 놓아야 한다.

이후 (708)단계에서 상기한 바와 같이 확인한 서브캐리어 변조 모드에 대응하는 스케일링 팩터를 결정한다. 예를 들어 제어부(606)는 서브캐리어 변조 모드가 QPSK인 경우에는 스케일링 팩터를 200으로, 16QAM인 경우에는 스케일링 팩터를 150으로, 64QAM인 경우에는 스케일링 팩터를 100으로 결정한다. 이후 (710)단계에서 피크 제한부(610)에서 적용되는 맵핑 함수의 스케일링 팩터와 피크 복원부(602)에서 적용되는 역 맵핑 함수의 스케일링 팩터를 상기와 같이 결정한 값으로 피크 제한부(610)와 피크 복원부(602)에 각각 설정하고, (712)단계에서 상기한 도 7과 같은 송수신기를 구비하는 기지국과 OFDM 신호를 송수신하게 된다. 따라서 송신되는 OFDM 신호는 서브캐리어 변조 방식에 대응되게 피크가 제한되고 아울러 수신되는 OFDM 신호는 서브캐리어 변조 방식에 대응되게 피크가 복원된다.

참고로 본 발명에 따른 적응적 PAPR 제어에 따른 송신단의 PAPR의 변화를 도 11에 보인 바와 같은 구성에 의해 측정하였다. 도 11을 참조하면, 상기한 바와 같은 맵핑 함수를 포함하는 물리 계층 시뮬레이터(800)에 의해 OFDM 비트 스트림을 생성하고, 이 OFDM 비트 스트림을 Agilent 사의 CAD(Computer Aided Design) 툴(tool)인 ADS(Advanced Design System)(802)에 인가하여 I,Q 비트들을 생성하였다. 이처럼 생성한 I,Q 비트들을 Agilent 사의 RF(Radio Frequency) 신호 발생기인 ESG(804)에 업로딩(uploading)시켜 CDMA(Code Division Multiple Access) 주파수 대역의 RF 주파수인 1.95㎓로 업컨버팅(upconverting)시킨 후, Agilent 사의 RF 송신기(806)에 인가하여 CCDF(Complementary Cumulative Distribution Function) 0.1% 경우의 PAPR을 측정하였다. 이러한 구성에 의해 PAPR을 측정하면, ESG(804)에서 RF 주파수와 RF 파워를 얻을 수 있기 때문에 실제 송신기의 송신부에서 사용되는 전력 증폭기를 사용한 것과 같은 효과가 있으므로, 가장 현실적인 상황을 고려한 측정 방안이 된다.

QPSK, 16QAM, 64QAM 각각에 대하여 맵핑 함수의 스케일링 팩터를 100, 150, 200으로 변화시켜 상기한 바와 같이 PAPR을 측정한 결과를 하기 표 2에 보였다. 하기 표 2에서 'a'는 스케일링 팩터를 의미하고, 'Original'은 맵핑 함수를 적용하지 않은 경우를 의미한다.

	Original	a=100	a=150	a=200
QPSK	8.30㏈	7.63㏈	7.14㏈	6.73㏈
16QAM	8.32㏈	7.64㏈	7.17㏈	6.75㏈
64QAM	8.34㏈	7.67㏈	7.19㏈	6.75㏈

상기 표 2에서 보는 바와 같이, QPSK에 대하여는 상기한 바와 같이 a=200으로 설정한 경우 PAPR=6.73㏈이므로 'Original'과 비교할 때 1.57㏈만큼의 이득이 있고, 16QAM에 대하여는 상기한 바와 같이 a=150으로 설정한 경우 PAPR=7.17㏈이므로 'Original'과 비교할 때 1.15㏈만큼의 이득이 있고, 64QAM에 대하여는 상기한 바와 같이 a=200으로 설정한 경우 PAPR=7.67㏈이므로 'Original'과 비교할 때 0.67㏈만큼의 이득이 있음을 알 수 있다.

따라서 서브캐리어 변조 방식에 따라 BER 성능이 최적화되도록 적응적으로 PAPR을 제어함으로써, 가변되는 스케일링 팩터를 사용치 않고 단순히 맵핑 함수만을 적용하는 경우에 비해 PAPR을 더욱 감소시키면서도 BER 성능 저하를 최소화할 수 있게 된다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러가지 변형이 본 발명의 범위내에서 이루어질 수 있다. 특히 본 발명의 실시예에서는 멀티캐리어 변조 방식으로서 OFDM의 예를 들었으나, DMT처럼 다른 형태의 멀티캐리어 변조 방식을 채용한 통신 시스템에도 마찬가지로 적용된다.

그리고 맵핑 함수도 tanh를 사용하는 예를 들었으나, 입력값의 증가에 따라 출력값이 증가하여 정해진 값으로 수렴한다면 다른 형태의 맵핑 함수도 적용할 수 있다. 물론 맵핑 함수가 달라지거나 본 발명이 적용되는 통신 시스템이나 서브캐리어 변조 방식이 달라지면, 스케일링 팩터도 그에 맞게 정해져야 한다.

또한 도 7 및 도 9의 실시예에서는 송신할 OFDM 신호에는 맵핑 함수를 적용하여 피크를 제한함과 아울러 수신되는 OFDM 신호에는 역 맵핑 함수를 적용하여 피크를 복원하는 송수신기의 예를 들었으나, 송신기나 수신기가 분리되어 사용되는 경우에도 본 발명은 마찬가지로 적용된다. 아울러 BER 성능이 크게 문제되지 않는다면, 수신기에서는 피크 복원부를 사용치 않고 생략할 수도 있을 것이다.

따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 한정되는 것이 아니며 특허청구범위와 특허청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 간단한 맵핑 함수를 이용하여 BER 성능 저하를 줄이면서도 PAPR을 감소시킴으로써 휴대 단말에도 용이하게 구현할 수 있는 이점이 있다. 또한 본 발명의 적응적 PAPR 제어에 따르면, 서브캐리어 변조 방식에 따라 PAPR을 적응적으로 제어함으로써 PAPR을 더욱 효과적으로 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 송신기의 블록 구성도,

도 2는 본 발명에 적용되는 맵핑 함수를 그래프로 보인 예시도,

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 수신기의 블록 구성도,

도 4는 스케일링 팩터의 변화에 따른 맵핑 함수의 맵핑 영역 예시도,

도 5 및 도 6은 서브캐리어 변조 방식별 스케일링 팩터의 변화에 따른 성능 비교도,

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 기지국의 송수신기의 블록 구성도,

도 8은 도 7의 제어부의 적응적 PAPR 제어 처리 흐름도,

도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 휴대 단말의 송수신기의 블록 구성도,

도 10은 도 9의 제어부의 적응적 PAPR 제어 처리 흐름도,

도 11은 PAPR 측정 블록 구성도.

Claims

멀티캐리어 변조 방식의 통신 시스템에 있어서,

송신할 데이터를 상기 멀티캐리어 변조 방식에 의해 변조하는 변조부와,

입력값의 증가에 따라 출력값이 증가하여 정해진 값으로 수렴하는 맵핑 함수를 상기 멀티캐리어 변조된 신호에 적용하여 피크를 제한하는 피크 제한부와,

상기 피크 제한된 신호를 송신하는 송신부를 구비함을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 송신기.
제1항에 있어서, 상기 맵핑 함수가, 입력값 x에 관한 tanh(x)임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 송신기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 멀티캐리어 변조 방식이, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 송신기.
멀티캐리어 변조 방식의 통신 시스템에 있어서,

상기 멀티캐리어 변조 방식에 의해 변조된 후 입력값의 증가에 따라 출력값이 증가하여 정해진 값으로 수렴하는 맵핑 함수의 적용에 의해 피크가 제한되어 송신된 신호를 수신하는 수신부와,

상기 맵핑 함수에 관한 역 맵핑 함수를 상기 수신된 신호에 적용하여 상기 제한된 피크를 복원하는 피크 복원부와,

상기 피크 복원된 신호로부터 상기 멀티캐리어 변조 방식에 의해 데이터를 복원하는 복조부를 구비함을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 수신기.
제4항에 있어서, 상기 맵핑 함수가, 입력값 x에 관한 tanh(x)임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 수신기.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 멀티캐리어 변조 방식이, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 수신기.
멀티캐리어 변조 방식의 통신 시스템에 있어서,

송신할 데이터를 상기 멀티캐리어 변조 방식에 의해 변조하는 변조부와,

입력값의 증가에 따라 출력값이 증가하여 정해진 값으로 수렴하며 스케일링 팩터가 가변 설정되는 맵핑 함수를 상기 멀티캐리어 변조된 신호에 적용하여 피크를 제한하는 피크 제한부와,

상기 맵핑 함수의 상기 스케일링 팩터를 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 설정하는 제어부와,

상기 피크 제한된 신호를 송신하는 송신부를 구비함을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 송신기.
제7항에 있어서, 상기 맵핑 함수가, 입력값 x에 관한 tanh(ax)이고, 상기 tanh(ax)의 a가 상기 스케일링 팩터임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 송신기.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 멀티캐리어 변조 방식이, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 송신기.
멀티캐리어 변조 방식의 통신 시스템에 있어서,

상기 멀티캐리어 변조 방식에 의해 변조된 후 입력값의 증가에 따라 출력값이 증가하여 정해진 값으로 수렴하며 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 스케일링 팩터가 가변 설정되는 맵핑 함수의 적용에 의해 피크가 제한되어 송신된 신호를 수신하는 수신부와,

상기 맵핑 함수에 관한 역 맵핑 함수를 상기 수신된 신호에 적용하여 상기 제한된 피크를 복원하는 피크 복원부와,

상기 피크 복원된 신호로부터 상기 멀티캐리어 변조 방식에 의해 데이터를 복원하는 복조부와,

상기 역 맵핑 함수의 상기 스케일링 팩터를 상기 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 설정하는 제어부를 구비함을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 수신기.
제10항에 있어서, 상기 맵핑 함수가, 입력값 x에 관한 tanh(ax)이고, 상기 tanh(ax)의 a가 상기 스케일링 팩터임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 수신기.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 멀티캐리어 변조 방식이, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 수신기.
멀티캐리어 변조 방식의 통신 시스템에 있어서,

송신할 데이터를 상기 멀티캐리어 변조 방식에 의해 변조하는 변조부와,

입력값의 증가에 따라 출력값이 증가하여 정해진 값으로 수렴하며 스케일링 팩터가 가변 설정되는 맵핑 함수를 상기 멀티캐리어 변조된 신호에 적용하여 피크를 제한하는 피크 제한부와,

상기 피크 제한부에 의해 상기 피크 제한된 신호를 송신하는 송신부와,

수신되는 멀티캐리어 변조 신호로부터 복원되는 데이터 중에 상기 서브캐리어 변조 모드를 나타내는 데이터에 의해 상기 서브캐리어 변조 모드를 확인하고, 상기 스케일링 팩터를 상기 확인된 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 설정하는 제어부를 구비함을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 송신기.
제13항에 있어서, 상기 맵핑 함수가, 입력값 x에 관한 tanh(ax)이고, 상기 tanh(ax)의 a가 상기 스케일링 팩터임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 송신기.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 멀티캐리어 변조 방식이, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 송신기.
제15항에 있어서, 상기 서브캐리어 변조 모드를 나타내는 데이터가, 첫번째 다운 링크 프레임에 포함되는 'Rate_ID'임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 송신기.
멀티캐리어 변조 방식의 통신 시스템에 있어서,

상기 멀티캐리어 변조 방식에 의해 변조된 후 입력값의 증가에 따라 출력값이 증가하여 정해진 값으로 수렴하며 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 스케일링 팩터가 가변 설정되는 맵핑 함수의 적용에 의해 피크가 제한되어 송신된 신호를 수신하는 수신부와,

상기 맵핑 함수에 관한 역 맵핑 함수를 상기 수신된 신호에 적용하여 상기 제한된 피크를 복원하는 피크 복원부와,

상기 피크 복원된 신호로부터 상기 멀티캐리어 변조 방식에 의해 데이터를 복원하는 복조부와,

상기 복원되는 데이터 중에 상기 서브캐리어 변조 모드를 나타내는 데이터에 의해 상기 서브캐리어 변조 모드를 확인하고, 상기 역 맵핑 함수의 스케일링 팩터를 상기 확인된 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 설정하는 제어부를 구비함을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 수신기.
제17항에 있어서, 상기 맵핑 함수가, 입력값 x에 관한 tanh(ax)이고, 상기 tanh(ax)의 a가 상기 스케일링 팩터임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 수신기.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 멀티캐리어 변조 방식이, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 수신기.
제19항에 있어서, 상기 서브캐리어 변조 모드를 나타내는 데이터가, 첫번째 다운 링크 프레임에 포함되는 'Rate_ID'임을 특징으로 하는 피크-대-평균 전력비를 감소시키는 수신기.
멀티캐리어 변조 방식의 통신 시스템에서 피크-대-평균 전력비를 감소시키기 위한 방법에 있어서,

상기 멀티캐리어 변조 방식의 서브캐리어 변조 모드를 확인하는 과정과,

입력값의 증가에 따라 출력값이 증가하여 정해진 값으로 수렴하며 스케일링 팩터가 가변 설정되는 맵핑 함수의 상기 스케일링 팩터를 상기 확인된 서브캐리어 변조 모드에 대응되게 설정하는 과정과,

상기 스케일링 팩터가 설정된 맵핑 함수를 송신할 멀티캐리어 변조된 신호에 적용하여 피크를 제한하는 과정과,

상기 피크 제한된 신호를 송신하는 과정을 구비함을 특징으로 하는 적응적 피크-대-평균 전력비 제어 방법.
제21항에 있어서,

상기 멀티캐리어 변조 방식에 의해 변조된 후 상기 맵핑 함수의 적용에 의해 피크가 제한되어 송신된 신호를 수신하는 과정과,

상기 맵핑 함수에 관한 역 맵핑 함수를 상기 수신된 신호에 적용하여 상기 제한된 피크를 복원하는 과정과,

상기 피크 복원된 신호로부터 상기 멀티캐리어 변조 방식에 의해 데이터를 복원하는 과정을 더 구비함을 특징으로 하는 적응적 피크-대-평균 전력비 제어 방법.
제21항에 있어서, 상기 맵핑 함수가, 입력값 x에 관한 tanh(ax)이고, 상기 tanh(ax)의 a가 상기 스케일링 팩터임을 특징으로 하는 적응적 피크-대-평균 전력비 제어 방법.
제21항 내지 제23항 중 하나의 항에 있어서, 상기 멀티캐리어 변조 방식이, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식임을 특징으로 하는 적응적 피크-대-평균 전력비 제어 방법.
제22항에 있어서, 상기 서브캐리어 변조 모드가, 상기 복원되는 데이터 중에 상기 서브캐리어 변조 모드를 나타내는 데이터에 의해 확인됨을 특징으로 하는 적응적 피크-대-평균 전력비 제어 방법.
제25항에 있어서, 상기 맵핑 함수가, 입력값 x에 관한 tanh(ax)이고, 상기 tanh(ax)의 a가 상기 스케일링 팩터임을 특징으로 하는 적응적 피크-대-평균 전력비 제어 방법.
제25항 또는 제26항에 있어서, 상기 멀티캐리어 변조 방식이, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식임을 특징으로 하는 적응적 피크-대-평균 전력비 제어 방법.
제27항에 있어서, 상기 서브캐리어 변조 모드를 나타내는 데이터가, 첫번째 다운 링크 프레임에 포함되는 'Rate_ID'임을 특징으로 하는 적응적 피크-대-평균 전력비 제어 방법.