KR20070079985A - 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치 및 방법 - Google Patents

직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직교주파수 다중화 시스템에서 송신 장치 및 방법에 있어서, 채널 정보를 수신하는 채널 정보 수신기, 가변 전송률을 측정하는 전송률 할당기 및, 상기 가변 전송률과 상기 채널 정보에 따라 채널 자원을 할당하는 스케쥴러를 포함하여 구성하여, 채널 상태에 따라 전송률을 가변적으로 변경하여 송신전력의 낭비를 줄인다.
직교주파수분할 다중화 시스템, 요구 전송률, 가변 전송률, 채널자원, 송신전력

Description

직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMISSION IN ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING SYSTEM}
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치의 구성을 도시한 도면 및,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 흐름을 도시한 흐름도이다.
본 발명은 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 송신률을 채널상태에 따라 변경하면서 일정시간 동안의 평균 송신률이 요구 송신률을 만족하도록 하여 송신전력을 줄이는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 유/무선 채널에서 고속의 데이터 전송에 유용한 방식으로 사용되고 있는 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 OFDM) 또는 직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 OFDMA)은 복수의 반송파를 사용하여 데이터를 전송하는 방식으로서, 직렬로 입력되는 데이터를 병렬로 변환하고, 이들 각각에 대해 상호 직교성을 갖는 다수의 부반송파(Sub-Carrier) 즉, 서브채널(Sub Channel)로 변조하여 전송하는 방식을 말한다.
이러한 직교 주파수 분할 다중 방식은 다수 개의 부반송파간 직교성(Orthogonality)을 유지하여 전송함으로써 고속 데이터 전송 시 최적의 전송 효율을 얻을 수 있는 특징을 가지며, 또한 주파수 효율이 좋고 다중 경로 페이딩(Multi-path fading)에 강한 특성이 있다.
또한, 직교 주파수 분할 다중 방식은 주파수 스펙트럼을 중첩하여 사용함으로써 주파수 선택적 페이딩에 강하고 보호구간을 이용하여 심벌간 간섭 영향을 줄일 수 있으며, 하드웨어적으로 등화기 구조를 간단하게 설계하는 것이 가능하며 그리고 임펄스성 잡음에 강하다는 장점이 있다.
이러한, 직교 주파수 분할 다중 방식의 시스템은 요구 전송률을 만족시키면서 송신전력을 최소화시키는 관점에서 최적으로 부채널과 비트를 할당하고자 한다. 이와 같이, 직교 주파수 분할 다중 방식의 시스템에서 요구 전송률을 만족시키면서 송신전력을 최소화시키는 다수의 방법이 제안되었다.
직교 주파수 분할 다중 방식의 시스템은 각 사용자의 평균 전송율과 총 부채널 수의 제한 때문에 각 사용자의 평균 채널이득의 차이가 클수록 평균 송신 전력이 증가한다. 왜냐하면 송신전력은 할당비트 수에는 기하급수적(exponential)으 로 증가하고, 부채널 수에는 선형적(linear)으로 증가하기 때문에 요구 전송율을 만족시키기 위해 평균 채널이득에 비례해서 부채널 수를 크게 하고 할당비트수를 적게 할당해야 송신전력을 최소화시킬 수 있다. 그러나 총 부채널 수가 제한되어 있기 때문에 각 사용자에게 할당되는 부채널 수가 제한되고 요구 전송율을 만족시키기 위해 할당 비트 수를 증가함으로써 송신전력은 크게 증가하게 된다.
즉, 종래의 직교 주파수 분할 다중 방식의 시스템은 시간에 따라 변하는 채널 상태를 고려하여 요구 송신률로 송신하기 위해 송신전력이 최소화되도록 부채널과 비트 할당을 고려하였다. 때문에 고정된 요구 송신률을 만족하게 하기 위해 채널 상태가 나쁘거나 부채널의 자원이 부족한 경우 송신전력이 증가하는 문제가 발생하였다.
따라서 요구 송신률을 고정하지 않고 채널상태에 따라 상응하는 송신률로변경하면서 일정시간 동안의 평균 송신률이 요구 송신률을 만족하도록 하여 송신전력을 줄이는 장치 및 방법이 요구된다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 채널 상태에 따라 채널 상태에 따른 가변 전송율을 측정하여 가변 전송률로 데이터를 송신하는 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 채널 상태에 따라 미리 정한 일정시간동안의 평균 전송률이 요구 전송률을 만족하는 가변 전송률을 측정하여 가변 전송률로 데이터를 송신하는 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 가변 전송률에 따라 적응적으로 채널자원을 할당하는 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 견지에 따르면 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치는, 채널 정보를 수신하는 채널 정보 수신기, 가변 전송률을 측정하는 전송률 할당기 및, 상기 가변 전송률과 상기 채널 정보에 따라 채널 자원을 할당하는 스케쥴러를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 이 견지에 따르면 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 방법은, 채널정보를 수신하는 과정, 수신한 상기 채널 정보와 저장된 이전 전송률을 이용하여 가변 전송률을 측정하는 과정 및, 상기 측정한 가변 전송률에 따라 채널자원을 할당하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면의 참조하여 상세히 설명하면 하기와 같다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신률을 채널상태에 따라 변경하면서 일정시간 동안의 평균 송신률이 요구 송신률을 만족하도록 하여 송신전력을 줄이는 송신 장치 및 방법에 관한 것이다.
직교주파수분할 다중화 시스템은 다양한 변조방법을 사용한다. 예를 들어 M-ary QAM(4QAM, 16QAM, 64QAM)을 사용한다. 이때, 사용자 K의 n번째 부채널에 심볼당 b bit를 송신할 때 요구 BER(bit error rate)을 만족시키기 위해 필요한 수신 전력(fk(b)라은 아래 <수학식 1>과 같다.
Figure 112006008461324-PAT00001
여기서, N0는 잡음 세기(noise power)이고, BER은 비트 에러률이다.
그러면, 요구 송신율을 만족시키기 위한 k번째 사용자의 i번째 타임슬롯(time slot)에서 n번째 부채널에 할당되어야하는 송신전력은 아래 <수학식 2>와 같다.
Figure 112006008461324-PAT00002
여기서,
Figure 112006008461324-PAT00003
는 사용자 k의 i번째 time slot의 n번째 부채널에 할당되 는 심볼당 비트수이고,
Figure 112006008461324-PAT00004
는 i번째 time slot의 n번째 부채널에서 사용자 단말 k와 기지국 사이의 채널 이득의 크기이다.
이때, 각 사용자에게 할당되는 부채널은 상호 간섭을 막기 위해 하나의 부채널은 하나의 사용자에게만 할당되어야 하므로, 부채널의 할당여부를 나타내는 지시자로
Figure 112006008461324-PAT00005
를 사용하면, 부채널의 할당 유무를 아래 <수학식 3>과 같이 표현한다.
Figure 112006008461324-PAT00006
따라서,
Figure 112006008461324-PAT00007
는
Figure 112006008461324-PAT00008
를 만족해야하며, 총 송신전력(PT(i))은 아래<수학식 4>와 같다.
Figure 112006008461324-PAT00009
상기 총 송신전력에서 총 부채널 수는 제한되어있으므로 아래<수학식5>와 같이 표현가능하고, i번째 슬롯에 할당되는 비트수의 총합은 아래 <수학식 6>과 같이 정해진 가변 전송율 조건을 만족시켜야 한다.
Figure 112006008461324-PAT00010
Figure 112006008461324-PAT00011
또한 가변 전송률(Ck(i))의 평균은 아래 <수학식 7>과 같이 주어진 전송율(Rk)을 만족시켜야 한다.
Figure 112006008461324-PAT00012
하지만, 실시간으로 상기 <수학식 7>을 만족시키기는 어렵다. 따라서 채널이 정상성(stationary)을 지니고 변한다고 가정하면 또한 가변 전송률(Ck(i))의 평균은 아래 <수학식 8>과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006008461324-PAT00013
본 발명은 요구 전송률을 고정하지 않고 일정 시간 동안의 평균 전송률이 요 구 전송률을 만족하면 결과적으로 요구하는 전송률을 만족하므로 채널 상태에 따라 가변 전송률로 데이터를 송신하는 방법으로, k번째 사용자의 i번째 슬롯의 송신 전력(Pk(i))은 아래 <수학식 9>와 같다.
Figure 112006008461324-PAT00014
여기서, ak(i)는 사용자 k의 i번째 슬롯의 평균 채널이득이고, nk(i)는 사용자 k의 i번째 슬롯의 부채널 수이고, bk(i)는 사용자 k의 i번째 슬롯의 각 부채널에 할당되는 평균 심볼당 비트수이다.
그러면, 본 발명에서와 같이 가변 전송률의 경우 <수학식 4>는 아래 <수학식 10>과 같이 표현 가능하고, <수학식 5>는 아래 <수학식 11>과 같이 표현 가능하고 <수학식 6>는 아래 <수학식 12>와 같이 표현 가능하다.
Figure 112006008461324-PAT00015
Figure 112006008461324-PAT00016
Figure 112006008461324-PAT00017
따라서. 본 발명은 상기 <수학식 8>, <수학식 11> 및, <수학식 12>의 경우를 만족하면서 <수학식 10>을 최소화하는 부채널 수(nk(i))와 가변 전송률(Ck(i))을 구하는 것을 목적으로 한다.
우선 <수학식 10>에 <수학식 12>를 대입하면 총 송신전력(PT(i))은 아래 <수학식 13>과 같이 표현된다. 본 발명은 <수학식 8>과 <수학식11>을 만족하면서 <수학식 13>의 총 송신전력(PT(i))을 최소화시켜야 한다.
Figure 112006008461324-PAT00018
여기서, 부채널 수(nk(i))는
Figure 112006008461324-PAT00019
이고, 가변 전송률(Ck(i))은
Figure 112006008461324-PAT00020
인 정수이다.
하지만 실시간으로 채널을 추정하면서 <수학식 7>을 만족하는 가변 전송률을 측정하긴 어렵다. 만약 부채널 수(nk(i))와 가변 전송률(Ck(i))이 실수라고 가정하고, 제한조건에 여유(margin)를 두면, <수학식 8>을 이용하여 <수학식 7>을 아래<수학식 14>와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006008461324-PAT00021
여기서,
Figure 112006008461324-PAT00022
는 임의의 매우 작은 양의 실수이다.
따라서, 본 발명은 <수학식 11>과 <수학식 14>를 조건에서 <수학식 10>을 최소화하는 부채널 수(nk(i))와 가변 전송률(Ck(i))을 측정한다.
가변 전송률(Ck(i))은 <수학식 7>통해 측정할 수 있다. <수학식 7>을 만족하는 전송률(Ck(i))은
Figure 112006008461324-PAT00023
와
Figure 112006008461324-PAT00024
가 될 수 있다. 하지만
Figure 112006008461324-PAT00025
는 종래의 고정된 요구 전송률일 경우이고,
Figure 112006008461324-PAT00026
에서
Figure 112006008461324-PAT00027
는 실시간으로 측정하기 어려우므로 <수학식 14>를 이용하여 가변 전송률(Ck(i))을 측정하면 아래 <수학식 15>를 통해 측정할 수 있다.
Figure 112006008461324-PAT00028
여기서,
Figure 112006008461324-PAT00029
이고,
Figure 112006008461324-PAT00030
이고, T는 전송률의 평균을 구하는 일정구간의 크기이고,
Figure 112006008461324-PAT00031
는 미리 정한 상수값을 가지는 가중치이고, round(r)는 r을 반올림하는 함수이다.
그러면 본 발명의 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치를 아래에서 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치의 구성을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면 본 발명의 송신장치는 채널 정보 수신기(100), 전송률 할당기(102), 스케쥴러(104), 적응 부호 및 변조기(106), IFFT 연산기(108), 병렬/직렬 변환기(110), 보호구간 삽입기(112) 및 RF 처리기(114)를 포함한다.
채널정보 수신기(100)는 각각의 사용자 단말기로부터 채널정보를 수신한다. 전송률 할당기(102)는 채널정보 수신기(100)로부터 수신한 채널정보와 저장된 채널정보를 이용하여 일정시간 동안의 전송률의 평균이 요구 전송률을 만족하는 전송률을 상기 <수학식 15>와 같이 측정한다. 한편, 스케쥴러(104)로부터 부채널을 할당하지 못하였음을 제공받으면 해당 전송률을 0으로 저장한다.
스케쥴러(104)는 할당받은 전송률과 채널정보를 이용하여 송신전력이 최소화 되도록 부채널을 할당하여 전력 및, 변복조 레벨 등을 자원할당을 결정한다. 이때 부채널을 할당할 수 없는 경우(예 : 부채널을 모두 할당하여 할당할 수 있는 부채널이 존재하지 않는 경우) 전송률 할당기(102)로 부채널을 할당하지 못하였음을 알린다.
적응 부호 및 변조기(106)는 스케쥴러(104)의 자원할당대로 각 사용자로의 정보 데이터를 채널 부호화(Channel Coding)하고 해당 변조 방식으로 변조하여 출력한다. 역 고속 푸리에 변환기(IFFT기)(108)는 입력받은 복수 개의 서브 채널에 대하여 역 고속 푸리에 변환을 한 후 병렬/직렬 변환기(114)에 출력한다. 병렬/직렬 변환기(110)는 입력된 병렬 신호를 직렬 신호로 바꾸어 보호구간 삽입기(112)로 출력한다. 보호구간 삽입기(112)는 IFFT기(108)에서 출력한 서브 채널들간 심볼 간섭(ISI:Inter Symbol Interference) 등의 영향을 감소시키기 위한 보호 구간(Guard Interval)을 삽입한 후 RF 처리기(118)로 출력한다. RF 처리기(118)는 보호 구간 삽입기(116)로부터 입력받은 채널 데이터를 무선 채널로 안테나를 통해 전송한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 흐름을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 채널정보 수신기(100)는 200단계에서 채널정보를 수신한다. 전송률 할당기(102)는 202단계에서 수신한 채널 정보와 저장한 이전 전송률을 이용하여 가변 전송률을 측정한다. 가변 전송률의 측정은 상기 <수학식 15>을 이용하여 측정한다.
스케쥴러(104)는 204단계에서 상기 측정한 가변 전송률에 따라 채널자원을 할당하여 적응 부호 및 변조기(106)로 제공한다. 상기 채널자원의 할당은 상기 <수학식 13>을 이용하여 부채널을 하나 증가시켰을 때 전체 송신전력의 증가가 최소가 되는 사용자를 선택하여 부채널을 하나 증가하여 할당한다.
채널 자원을 할당하고 스케쥴러는 206단계로 진행하여 상기 가변 전송률을 다음 가변 전송률을 측정하기위한 이전 전송률로 사용하기 위해 저장한다. 이때 부채널을 할당 여부에 따라 부채널을 할당받은 경우 상기 가변 전송률을 이전 전송률에 저장하고, 부채널을 할당받지 못한 경우 상기 가변 전송률을 '0'으로 이전 전송률에 저장한다.
적응 부호 및 변조기(106)는 208단계에서 할당받은 채널 자원 정보에 따라 각 사용자로의 정보 데이터를 채널 부호화(Channel Coding)하고 해당 변조 방식으로 변조하여 출력한다. 역 고속 푸리에 변환기(IFFT기)(108)는 210단계에서 입력받은 복수 개의 서브 채널에 대하여 역 푸리에 변환을 하여 출력하고, 병렬/직렬 변환기(110)는 212단계에서 입력된 병렬 신호를 직렬 신호로 바꾸어 출력한다. 보호구간 삽입기(112)는 214단계에서 IFFT기(108)에서 보호 구간(Guard Interval)을 삽입여 출력하고, RF 처리기(118)는 216단계에서 보호 구간 삽입기(116)로부터 입력받은 채널 데이터를 무선 채널로 안테나를 통해 전송한다.
분명히, 청구항들의 범위내에 있으면서 이러한 실시예들을 변형할 수 있는 많은 방식들이 있다. 다시 말하면, 이하 청구항들의 범위를 벗어남 없이 본 발명을 실시할 수 있는 많은 다른 방식들이 있을 수 있는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 일정시간 동안의 평균 송신률이 요구 송신률을 만족하는 가변 전송률을 측정하여 가변 전송률로 데이터를 송신하는 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치 및 방법에 관한 것으로 요구 전송률을 만족시키면서 송신전력의 낭비를 줄이는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 장치에 있어서,
    채널 정보를 수신하는 채널 정보 수신기;
    상기 채널 정보와 이전 전송률을 이용하여 가변 전송률을 측정하는 전송률 할당기; 및
    상기 가변 전송률과 상기 채널 정보에 따라 채널 자원을 할당하는 스케쥴러를 포함하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전송률 할당기는 아래 <수학식 16>을 이용하여 상기 가변 전송률을 측정함을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112006008461324-PAT00032
    여기서,
    Figure 112006008461324-PAT00033
    는 k번째 사용자의 i번째 타임슬롯(time slot)의 가변 전송률이고,
    Figure 112006008461324-PAT00034
    는 i번째 타임슬롯(time slot)에서 사용자 단말 k와 기지국 사이의 채널 이득의 크기이고,
    Figure 112006008461324-PAT00035
    이고,
    Figure 112006008461324-PAT00036
    이고, T는 전송률의 평균을 구하는 일정구간의 크기이고,
    Figure 112006008461324-PAT00037
    는 미리 정한 상수값을 가지는 가중치이고, round(r)는 r을 반올림하는 함수이다.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 스케쥴러는 상기 가변 전송률과 상기 채널정보를 이용하여 송신전력이 최소화 되도록 부채널을 할당함을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 스케쥴러는 아래 <수학식 17>을 이용하여 부채널을 하나 증가시켜 할당하였을 때 전체 송신전력의 증가가 최소가 되는 사용자를 선택하여 부채널을 하나씩 증가하여 할당함을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112006008461324-PAT00038
    여기서, PT(i)는 미리 정한 일정구간 T동안 i번째 타임슬롯(time slot)의 전체 송신전력이고, nk(i)는
    Figure 112006008461324-PAT00039
    인 k번째 사용자의 i번째 타임슬롯(time slot)의 부채널 수이고, Ck(i)는
    Figure 112006008461324-PAT00040
    인 k번째 사용자의 i번째 타임슬롯(time slot)의 가변 전송률이다.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 스케쥴러는 상기 부채널을 할당하고, 상기 부채널을 할당한 경우 상기 가변 전송률을 이전 전송률에 저장하고, 상기 부채널을 할당하지 못한 경우 상기 가변 전송률을 '0'으로 상기 이전 전송률에 저장함을 특징으로 하는 장치.
  6. 직교주파수분할 다중화 시스템에서 송신 방법에 있어서,
    채널정보를 수신하는 과정;
    수신한 상기 채널 정보와 저장된 이전 전송률을 이용하여 가변 전송률을 측 정하는 과정; 및
    상기 측정한 가변 전송률에 따라 채널자원을 할당하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 채널자원인 부채널을 할당하고, 상기 부채널을 할당한 경우 상기 가변 전송률을 상기 이전 전송률에 저장하고, 상기 부채널을 할당하지 못한 경우 상기 가변 전송률을 '0'으로 상기 이전 전송률에 저장하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 가변 전송률 측정은 아래 <수학식 18>을 이용하여 측정함을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112006008461324-PAT00041
    여기서,
    Figure 112006008461324-PAT00042
    는 k번째 사용자의 i번째 타임슬롯(time slot)의 가변 전송 률이고,
    Figure 112006008461324-PAT00043
    는 i번째 타임슬롯(time slot)에서 사용자 단말 k와 기지국 사이의 채널 이득의 크기이고,
    Figure 112006008461324-PAT00044
    이고,
    Figure 112006008461324-PAT00045
    이고, T는 전송률의 평균을 구하는 일정구간의 크기이고,
    Figure 112006008461324-PAT00046
    는 미리 정한 상수값을 가지는 가중치이고, round(r)는 r을 반올림하는 함수이다.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 채널자원 할당은 상기 가변 전송률과 상기 채널정보를 이용하여 송신전력이 최소화 되도록 부채널을 할당함을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 채널자원 할당은 아래 <수학식 19>을 이용하여 부채널을 하나 증가시켜 할당하였을 때 전체 송신전력의 증가가 최소가 되는 사용자를 선택하여 부채널을 하나씩 증가하여 할당함을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112006008461324-PAT00047
    여기서, PT(i)는 미리 정한 일정구간 T동안 i번째 타임슬롯(time slot)의 전체 송신전력이고, nk(i)는
    Figure 112006008461324-PAT00048
    인 k번째 사용자의 i번째 타임슬롯(time slot)의 부채널 수이고, Ck(i)는
    Figure 112006008461324-PAT00049
    인 k번째 사용자의 i번째 타임슬롯(time slot)의 가변 전송률이다.
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