KR20050122794A

KR20050122794A - 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 무선 통신 시스템에서프리앰블 생성 방법

Info

Publication number: KR20050122794A
Application number: KR1020040048446A
Authority: KR
Inventors: 장지호; 전재호; 맹승주; 이익범; 김정헌; 윤순영; 주판유
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2005-12-29

Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA) 방식의 무선 통신 시스템에서 기지국 탐색에 이용되는 프리앰블에 관한 것이다. OFDMA 시스템에서의 프리앰블은 기지국 구분 용도로 이용되며, 기지국 구분을 위한 코드열을 주파수 영역의 각 부반송파에 매핑하고, 고속 프리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)를 수행하여 프리앰블 신호를 생성한다. 프리앰블에 이용되는 부반송파의 개수는 OFDMA 심볼 생성을 위한 FFT 크기에 관계되며, 다양한 크기의 FFT를 지원하는 OFDMA 시스템에서는 FFT 크기에 따라 각각 다른 길이의 코드열을 프리앰블 코드로 이용하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 무선 통신 시스템에서 프리앰블 생성 방법은 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 무선 통신 시스템에서 프리앰블을 생성하기 위한 방법에 있어서, m-시퀀스를 이용하여 기지국 구분을 위한 코드열을 생성하고, 주파수 영역의 각 부반송파에 매핑하는 과정과, 고속 역 푸리에 변환을 수행하여 프리앰블 신호를 생성하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

Description

직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 무선 통신 시스템에서 프리앰블 생성 방법{Method For Generating Of Preamble in a Wireless Communication System Using OFDMA}

본 발명은 무선 통신 시스템에서 프리앰블 생성 방법에 관한 것으로, 특히 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 무선통신 시스템에서 기지국을 구분하기 위한 프리앰블 생성 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 무선 통신 시스템의 대표적인 시스템으로 셀룰라 통신 방식을 이용하는 이동통신 시스템이 대표적이다. 이러한 이동통신 시스템은 다수의 사용자들과 동시에 통신하기 위해서 다중 접속 방식을 사용하고 있다. 상기 다중 접속 방식은 시분할 다중 접속(TDMA) 방식과, 코드 분할 다중 접속(CDMA), 주파수 분할 다중 접속(FDMA) 방식이 대표적으로 사용되고 있다. 이 중에서, 상기 코드 분할 다중 접속 방식의 시스템은 기술의 비약적인 발전에 따라 음성 통신을 주로 제공하는 시스템에서 고속의 패킷 데이터를 전송할 수 있는 형태로 발전하고 있다.

그러나, 최근에 상기 코드 분할 다중 접속 방식에서 자원인 코드의 사용 한계를 극복하기 위해서 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 'OFDMA'라 칭함) 방식이 대두되고 있다. 상기 OFDMA는 다수의 직교성을 유지하는 부채널(Subchannel)을 이용하여 사용자를 구분하고 이를 통해서 데이터를 전송하는 방식이다. 즉, 복수 반송파(Multi-Carrier)를 사용하여 데이터를 전송하는 방식으로서, 직렬로 입력되는 심벌(Symbol) 열을 병렬 변환하여 이들 각각을 상호 직교성을 갖는 다수의 서브 캐리어(sub-carrier)들로 변조하여 전송하는 다중 반송파 변조(MCM : Multi Carrier Modulation) 방식의 일종이다.

상기 OFDMA 통신 방식의 송신기에서 입력 데이터는 스크램블러(scrambler), 인코더(encoder), 인터리버(interleaver)를 통해서 서브 캐리어들로 변조된다. 이때, 상기 송신기는 다양한 가변 데이터 레이트(data rate)를 제공하게 되는데, 상기 데이터 레이트에 따라서 각기 다른 코딩 레이트(coding rate)와 인터리빙 크기(interleaving size) 및 변조 방식을 갖게 된다. 일반적으로, 상기 인코더는 1/2, 3/4 등의 코딩 레이트를 사용하고, 버스트 에러(burst error)를 막기 위한 인터리버의 크기는 OFDM 심볼(symbol)당 코딩된 비트 수(NCBPS : Number of Coded Bits per Symbol)에 따라 결정된다. 상기 변조 방식은 데이터 레이트에 따라 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 8PSK(Phase Shift Keying), 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 64QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 등을 사용한다.

한편, 상기한 구성들에 의해 소정 개수의 서브 캐리어들로 변조된 신호는 소정 개수의 파일럿 서브 캐리어들이 가산되고, 이는 IFFT 블록을 통과하여 하나의 OFDM 심볼을 생성한다. 여기에, 다중 경로(Multi-Path) 채널 환경에서의 심벌간 간섭을 제거하기 위한 보호구간(guard interval)을 삽입한 후, 심벌 파형 생성기를 통하여 최종적으로 무선 주파수(RF) 처리기로 입력된다. 그리고, 상기 무선 주파수 처리기는 입력된 신호를 무선 주파수 처리하여 에어(air) 상으로 전송한다.

다수의 셀을 가지는 셀룰라 시스템에서는 단말이 현재 자신이 속한 셀(기지국 및 섹터)의 ID를 알아야 한다. 각 기지국이 셀 ID를 단말에게 알려주는 방법으로 기존 CDMA 시스템에서는 셀마다의 고유한 PN(pseudo-noise) 코드를 이용하고 있다.

그러나, 다수의 부반송파를 이용하는 OFDMA 시스템에서는 기지국 마다 셀 ID를 알려주는 방법으로, 각 부반송파에 매핑되는 특정 패턴의 코드를 이용하여 프리앰블로 전송한다. 여기서, 프리앰블은 하향 링크 프레임의 맨 처음에 전송되는 OFDMA 심볼로서, 각 기지국 또는 섹터마다 고유한 주파수 영역 시퀀스를 이용하여 고속 역퓨리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform : IFFT)된 신호를 이용한다. 따라서 단말은 해당 프리앰블 코드 집합에 포함되어 있는 모든 코드들과 자신이 수신한 프리앰블 수신 신호의 FFT 결과와의 상관을 취하여 가장 큰 값이 나오는 코드에 해당하는 셀 ID를 자신이 속한 셀이라고 판단 할 수 있다.

이때, 셀룰라 시스템에서 많은 수의 셀을 구분하기 위해서는 프리앰블 코드 집합에 많은 수의 코드가 포함되어 있어야 한다. 그러나, FFT 크기가 작은 경우 부반송파 수가 적어져서 각 부반송파에 매핑되는 코드의 길이가 짧아지게 된다. 그러므로, FFT 크기가 작은 경우 각각의 코드들의 상호 상관 특성이 나빠진다는 특성이 있다.

또한, 그 외에 고려해야 할 사항으로는 PAPR(peak-to-average power ratio) 특성이 있다. 상기 PAPR은 시간 영역 신호의 첨두치 값과 관계되는데, PAPR이 작을수록 전력소모 및 앰프의 효율성 측면에서 유리하다. 그러면, 단말이 셀 ID 탐색을 위해 해당 프리앰블 코드 집합에 포함된 모드 코드들과 자신이 수신한 프리앰블 수신 신호의 FFT 결과와의 상관을 취함에 있어 복잡도가 문제시 된다. 따라서, 단말의 단순한 구현을 위해서는 프리앰블 코드 집합을 생성하여 미리 저장하도록 하는 방법이 유리하다. 그런데, 현재 표준화 진행중인 IEEE 802.16d에서는 정해진 프리앰블 코드 집합을 모두 구성하여 상기 메모리에 저장해 사용하는 경우에 복잡도 및 시간 지연의 문제가 있다. 이를 상술하면, 기지국으로부터 수신된 프리앰블을 검출하기 위해서는 메모리에 저장된 프리앰블 코드 집합의 값들을 하나씩 읽어 들이면서 상호 상관값을 비교해야 한다. 그러므로 심한 경우 모든 프리앰블 값과 비교해야 하므로 시간 지연이 발생 할 수 있고, 만일 병렬 처리를 하고자 할 경우 단말의 복잡도가 매우 증가된다.

한편, 셀 ID 탐색에 필요한 프리앰블 코드 집합의 특징에 따른 문제점을 다시 간단하게 요약하면 다음과 같다.

셀 ID 탐색에 필요한 프리앰블 코드 집합의 특징으로 첫째, 자기 상관은 크고 상호 상관이 작아야 한다는 것이다. 그러나 이러한 원칙을 만족하는 프리앰블 코드 집합은 대체로 그 코드 집합에 포함되어 있는 코드의 수가 작아져서 구분 가능한 셀의 개수가 감소한다. 또한, scalable FFT를 지원하기 위해서는 다양한 크기의 FFT에 대해 다수의 셀을 구분할 수 있도록 충분히 많은 프리앰블 코드를 생성해야 하는데, FFT 크기가 작은 경우 부반송파 수가 적어져서 각 부반송파에 매핑되는 코드의 길이가 짧아지게 되므로 다수의 셀을 구분할 수 있도록 프리앰블 코드를 설계함에 있어 코드간 상호 상관 특성이 나빠질 수 있다.

셀 ID 탐색에 필요한 프리앰블 코드 집합의 두 번째 특징으로, PAPR이 작아야 하는데, 이는 상기 설명한 바와 같이 전력 소모와 더불어 앰프의 효율성 측면에서 중요하다.

또한, 셀 ID 탐색에 필요한 프리앰블 코드 집합의 세 번째 특징으로, 간단하게 프리앰블 코드를 구현할 수 있어야 한다. 그러나, 현재까지 제정된 IEEE 802.16d와 같이 모든 프리앰블 코드 집합을 메모리에 입력하고 이들 코드를 하나씩 읽어들이는 방식은 큰 메모리를 요구함과 동시에 구현의 복잡도가 증가하는 문제가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 OFDMA 통신 시스템에서 기지국 또는/및 섹터 구분을 위한 프리앰블 신호를 생성하는 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 scalable FFT를 지원하는 OFDMA 시스템에서 다양한 FFT에 대해서 다수의 셀을 구분하기 위한 프리앰블 코드들 간의 상호 상관 특성이 좋으면서도 셀 구분을 충분히 많이 할 수 있는 프리앰블 생성 방법을 제공하는데 있다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 OFDMA"이라 칭하기로 한다) 방식을 사용하는 통신 시스템(이하 'OFDMA 통신 시스템'이라 칭함)에서 기지국(BS: Base Station) 또는/및 섹터(sector) 구분을 위한 프리앰블 생성 방법을 제안한다.

특히, 본 발명은 다양한 FFT 크기를 갖는 경우, 모든 FFT 크기에 대하여 공통된 방법으로 간단히 구현할 수 있는 프리앰블 코드를 생성한다.

또한, 본 발명은 상기 기지국 또는/및 섹터 구분을 위해 상호 상관 특성이 우수할 뿐만 아니라 PAPR 특성이 우수한 다수의 프리앰블 코드를 생성하는 방법을 제안한다.

도 1은 OFDMA 시스템의 송신단을 개략적으로 설명하기 위한 도이다. 다수의 프리앰블 데이터가 수신되면 상기 프리앰블 데이터(P)에 주파수(f, 예컨대, 1.25MHz, 5MHz, 10MHz)를 곱하고 이들을 합하여 OFDMA 심볼을 생성한다. 도 1에서 N_FFT는 OFDMA 심볼을 생성하기 위한 FFT 크기를 나타낸다.

도 2는 OFDMA 시스템에서 프리앰블 전송에 사용되는 부반송파와 널(Null) 부반송파가 어떻게 배치되는지를 나타내기 위한 것이다. 이때, 널 부반송파는 데이터를 전송하지 않는 부반송파를 일컫는다. 일반적으로 주파수 축에서 좌,우 일부의 부반송파에 데이터를 전송하지 않음으로써 이웃한 주파수 대역을 이용하는 타 시스템에 간섭을 최소화하기 위한 가드 밴드를 두게 되고, 초기 하향 링크 동기를 위해 시간축상에서 반복되는 패턴을 생성하도록 일부의 부반송파에 '0'을 전송하게 된다.

현재 표준화 진행 중인 IEEE 802.16d 섹터를 구분하기 위해 도 2와 같이, 섹터 A에서는 3으로 나누어 떨어지는 인덱스를 갖는 부반송파에만 프리앰블 코드를 전송한다. 섹터 B에서는 3으로 나누었을 때 나머지가 2가 되는 인덱스를 갖는 부반송파에만 프리앰블 코드를 전송한다. 섹터 C에서는 3으로 나누었을 때 나머지가 1이 되는 인덱스를 갖는 부반송파에만 프리앰블 코드를 전송한다. 상기 프리앰블을 상기 도 2와 같이 구성하면, 각 섹터에서는 서로 다른 위치의 부반송파를 통해서 프리앰블 코드를 전송하게 되므로 섹터간 간섭이 없게 된다. 또한, 시간영역에서 봤을 때 세 번 반복되는 패턴을 생성하게 된다. 따라서, 이러한 시간영역 반복 패턴을 이용하여 셀 탐색에 앞서 초기 프레임 동기를 찾게 된다. 본 발명에서는 초기 프레임 동기에 관한 내용은 관련이 없는 것으로 이에 대한 설명은 생략한다.

한편, IEEE 802.16e에서는 시스템의 주파수 대역폭에 따라 다양한 FFT 크기를 갖는 OFDMA 심볼을 이용하게 되어 있는데, 1.25MHz 대역폭에서는 128-FFT, 5MHz 대역폭에서는 512-FFT 및 10MHz 대역폭에서는 1024-FFT를 이용하도록 규정하고 있다. 이렇게 각 대역폭에 따라 FFT 크기를 달리하게 되면, 실제 이용하게 되는 부반송파의 개수가 FFT 크기에 따라 달라지게 된다. 이는 FFT 크기에 따라 이용되는 프리앰블 코드 길이가 달라져야 함을 의미한다. 각 대역폭에 따른 FFT 크기 및 프리앰블 코드를 전송하게 되는 부반송파의 개수를 <표 1>에 나타내었다.

대역폭	FFT 크기	프리앰블 코드 전송에 사용되는 부반송파 개수
1.25 MHz	128	35
5 MHz	512	142
10 MHz	1024	284

현재까지 제정된 IEEE 802.16d에서는 2048-FFT를 이용하는 OFDMA 시스템에 대한 규격에서 114개의 셀 또는/및 섹터를 구분할 수 있는 프리앰블 코드 집합을 규정하고 있다. IEEE 802.16e에서도 IEEE 802.16d에서와 마찬가지로 최소 114개 이상의 셀 또는/및 섹터를 구분할 수 있는 프리앰블 코드가 필요하다. 그런데, 상기 <표 1>에서와 같이 다양한 대역폭에 따른 FFT 크기 및 프리앰블 코드 전송에 사용되는 부반송파 개수를 이용하여야 한다. 예를 들어, 1.25 MHz 대역폭에서 128-FFT를 이용할 때, 35개의 부반송파를 이용하여 길이 35 프리앰블 코드를 114개 이상 생성해야 한다. 이 경우 프리앰블을 구성하는 코드들 간에 상호 상관 값이 작고, PAPR 특성이 우수한 코드를 설계하는 것은 어려운 일이다. 그러나, 본 발명에서는 이를 위해 도 3과 같이 쉬프트 레지스터를 이용한 m-시퀀스를 생성하고 생성된 m-시퀀스의 길이를 35에 맞게 절단하여 프리앰블 코드로 이용하고자 한다. 상기 도 3에서 참조부호 301 내지 307은 각각 레지스터를 나타내며, 참조부호 308과 309는 XOR(exclusive OR) 연산기를 나타낸다. 상기 도 3은 본 발명의 구체적인 설명을 위한 예시에 불과하며, m-시퀀스의 구성은 다른 방식으로도 가능하며, 쉬프트 레지스터에 포함된 레지스터의 개수도 달라질 수 있다. 서로 다른 m-시퀀스는 쉬프트 레지스터의 초기값을 달리하여 생성할 수 있으며, 생성 가능한 프리앰블 코드의 개수는 레지스터의 개수에 따라 변화된다.

m-시퀀스는 잘 알려진 바와 같이 상호 상관 특성이 우수하며, IFFT 또는 FFT를 수행했을 때 첨두치가 작아 PAPR 특성이 우수하다. 따라서 본 발명에서는 상기 도 1과 같이 다양한 FFT 크기의 OFDMA 시스템에 공통적으로 적용할 수 있는 방법으로 m-시퀀스를 이용한다. 충분히 많은 개수의 레지스터를 갖는 쉬프트 레지스터를 이용하여 다수의 m-시퀀스를 생성하고, 이들 m-시퀀스의 길이를 상기 <표 1>에서 표시한 프리앰블 코드 전송에 사용되는 부반송파 개수 만큼의 길이로 절단한 후, PAPR 특성이 우수한 114개의 코드를 선택한다. 상기 프리앰블 코드 생성 방법에 대한 순서도는 도 4에 도시하였다.

먼저, 401단계에서 쉬프트 레지스터의 초기값을 변화시켜 다수의 m-시퀀스를 생성한다. 이때, 생성 가능한 프리앰블 코드의 개수는 레지스터의 개수에 따라 변한다.

이후, 402단계에서 생성된 m-시퀀스 길이를 35에 맞게 절단하여 프리앰블 코드로 이용한다. 이때, 상기 35는 <표 1>에 나타낸 바와 같이, 대역폭은 1.25MHz, 128-FFT를 이용할 경우의 프리앰블 코드 전송에 사용되는 부반송파 개수이다.

402단계에서 m-시퀀스 길이를 절단한 후, 403단계에서 생성된 모든 코드에 대해서 IFFT를 수행한다.

그리고, 404단계에서 첨두치가 작은 코드들을 구분해야 할 셀 개수만큼 선택한다. 이때, 첨두치가 작은 코드들을 선택하는 이유는 좋은 PAPR이 작을수록 전력소모 및 앰프의 효율성이 우수하기 때문이다.

상기 프리앰블 코드 개수도 본 발명의 구체적인 설명을 위한 예시에 불과하다. 만약 114보다 더 많은 수의 셀 구분이 필요하면 프리앰블 코드의 개수도 셀 구분 개수와 동일하게 유지해야 한다. 또한, 상기 <표 1>에 나타낸 부반송파의 개수 또한 현재까지 제정된 표준의 예시에 불과하므로, 시스템 구성시 사용되는 부반송파의 개수가 변경될 경우 프리앰블 코드의 길이 또한 마찬가지로 변경되어야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명 중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 다양한 FFT 크기를 지원하는 OFDMA 시스템을 구성함에 있어 구분 가능한 셀 또는/및 섹터 수를 크게 할 수 있다.

또한, PAPR 저감 시퀀스를 사용하여 프리앰블을 생성함으로써 PAPR 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 전체 프리앰블 코드 집합을 구성함에 있어서, 쉬프트 레지스터를 이용하여 간단히 구현할 수 있으므로, 셀 ID 탐색을 위한 단말의 복잡도를 감소시킬 수 있다.

도 1은 OFDMA 시스템의 송신단에 대한 개략적인 설명에 관한 도,

도 2는 OFDMA 시스템에서 프리앰블 전송에 사용되는 부반송파와 널(Null) 부반송파가 어떻게 배치되는지에 대한 설명에 관한 도,

도 3은 쉬프트 레지스터를 이용한 m-시퀀스의 생성에 관한 예시를 나타낸 도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프리앰블 생성 방법을 나타낸 순서도.

Claims

직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 무선 통신 시스템에서 프리앰블을 생성하기 위한 방법에 있어서,

m-시퀀스를 이용하여 기지국 구분을 위한 코드열을 생성하고, 주파수 영역의 각 부반송파에 매핑하는 과정과,

고속 역퓨리에 변환을 수행하여 프리앰블 신호를 생성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 프리앰블 신호를 생성하는 과정은,

초기값을 변화시켜 셀 개수 이상의 m-시퀀스를 생성하는 과정과,

프리앰블 코드로 이용되는 부반송파의 개수 만큼의 길이로 m-시퀀스를 절단하여 프리앰블 코드를 생성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 생성된 프리앰블 코드 중에서, 고속 역퓨리에 변환 수행 후 첨두치가 작은 코드들을 구분해야 할 셀 개수 만큼 선택하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.