KR20070093818A - Ｏｆｄｍａ 시스템에서 공통 레인징 부호를 이용해 레인징부호를 검출하기 위한 송신 및 수신 장치와, 레인징 부호검출 방법 - Google Patents

Ｏｆｄｍａ 시스템에서 공통 레인징 부호를 이용해 레인징부호를 검출하기 위한 송신 및 수신 장치와, 레인징 부호검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 OFDMA 시스템에서 공통 레인징 부호를 사용하여 각 레인징 부채널을 보상함으로써, 다중 접속 간섭(MAI)의 영향을 억제하여 레인징 부호 검출 성능을 향상시킬 수 있는 OFDMA 시스템에서 공통 레인징 부호를 이용해 레인징 부호를 검출하기 위한 송신 및 수신 장치와, 레인징 부호 검출 방법에 관한 것으로, 모든 사용자 단말기들이 동일하게 사용하는 공통 레인징 부호가 정해진 공통 레인징 부채널에 할당되어 사용자에 의해 선택된 초기 레인징 부호와 함께 수신되면, 고속 푸리에 변환을 수행한 후, 레인징 부채널별로 역다중화하는 제1 단계; 상기 역다중화된 부채널 정보 중 상기 공통 레인징 부채널에 할당된 상기 공통 레인징 부호를 이용해 다수 사용자 단말기들 간의 심볼 시간 옵셋에 의한 다중 접속 간섭(MAI) 성분을 추정하는 제2 단계; 상기 추정된 다중 접속 간섭 성분을 이용해 각 레인징 부채널에 대한 간섭 보상하는 제3 단계; 상기 간섭 성분이 보상된 초기 레인징 심볼에 대해 기지국의 레인징 부호 집합과의 상관도를 계산하는 제4 단계; 및 상기 상관도와 임계값을 비교하여 상기 사용자 단말기로부터 전송된 레인징 부호를 검출하는 제5 단계를 포함한다.
OFDMA, 공통, 레인징, 부호, 다중, 접속, 간섭, 검출

Description

ＯＦＤＭＡ 시스템에서 공통 레인징 부호를 이용해 레인징 부호를 검출하기 위한 송신 및 수신 장치와, 레인징 부호 검출 방법{Improved Ranging Code Detection by Common Ranging Code in OFDMA Systems}
도 1은 일반적인 와이브로(WiBro) 시스템의 프레임 구조도,
도 2는 종래의 시간 영역에서의 초기 레인징 심볼의 구조도,
도 3은 종래 다중 사용자 환경에서 기지국 수신기에 수신되는 수신 심볼의 설명을 위한 도면,
도 4는 종래의 초기 레인징 심볼을 사용하는 OFDMA 상향링크의 송수신 장치의 구성도,
도 5는 종래의 초기 레인징 심볼 구조 개념도,
도 6은 본 발명에 따른 공통 레인징 부호를 사용하는 초기 레인징 심볼 구조의 개념도,
도 7a는 본 발명에 따른 단말기에서 공통 레인징 부호 구조를 사용하는 초기 레인징 수행 과정에 대한 흐름도,
도 7b는 본 발명에 따른 기지국 수신기에서 공통 레인징 부호 구조를 사용하는 초기 레인징 수행 과정에 대한 흐름도,
도 8은 본 발명에 따른 공통 레인징 심볼을 사용하는 OFDMA 상향링크의 송수신 장치의 블록 구성도,
도 9는 Pedestrian Channel-B 환경에서 레인징 부호 검출 확률의 시뮬레이션 결과도,
도 10은 Pedestrian Channel-B 환경에서 레인징 부호 검출 오류 성능의 시뮬레이션 결과도,
도 11은 Vehicular Channel-B 환경에서 레인징 부호 검출 확률의 시뮬레이션 결과도,
도 12는 Vehicular Channel-B 환경에서 레인징 부호 검출 오류 성능의 시뮬레이션 결과도
도 13은 혼재된 Channel 환경에서 레인징 부호 검출 확률의 시뮬레이션 결과도,
도 14는 혼재된 Channel 환경에서 레인징 부호 검출 오류 성능의 시뮬레이션 결과도이다.
본 발명은 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서 상향링크의 레인징 부호 검출 성능을 향상 시키기 위한 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 사용자의 동기화된 시간과의 오차인 심볼시간옵셋(STO: Symbol Timing Offset)만큼 발생하는 위상 성분의 추정 및 보상을 위해 공통 레인징 부호를 사용하는 초기 레인징 심볼 구조를 이용하여 각 사용자의 심볼 시간 옵셋(STO)에 의해 발생한 위상 성분의 평균을 추정하고 보상함으로써, 다중 접속 간섭(MAI: Multiple Access Interference)의 영향을 억제하여 레인징 부호 검출 성능을 향상시키기 위한 OFDMA 시스템에서 공통 레인징 부호를 이용해 레인징 부호를 검출하기 위한 송신 및 수신 장치와, 레인징 부호 검출 방법에 관한 것이다.
3세대 이동통신 시스템의 개발 이후, 고속 이동 환경에서도 고속의 멀티미디어 서비스가 가능한 광대역 무선 접속 시스템에 대한 연구가 증가하고 있다. 3.5 세대 및 4세대 광대역무선 접속 방식으로 직교주파수분할다중접속(OFDMA) 방식이 여러 표준안에서 주목받고 있다. OFDMA 방식은 여러 사용자들에게 각기 다른 직교성을 가진 부반송파들을 할당해서 동시에 정보를 전송하는 무선 접속 방식이다.
OFDMA 방식은 사용자들에게 각기 다른 부반송파를 할당함으로 주파수축 상에서 사용자들을 분리할 수 있어서, 한 셀 내에서의 다중 접속 간섭(MAI)의 영향을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 단일 반송파 무선 접속 방식에 비해서 협대역 간섭에 강인하며, 사용자 간 효율적인 자원할당이 가능하다는 장점을 가지고 있다. OFDMA 방식을 사용하는 시스템으로는 케이블 TV 네트워크와 국내의 와이브로(WiBro) 시스템, 그리고 국외의 와이맥스(WiMAX) 시스템이 대표적이다.
OFDMA 시스템에서 하향링크 환경은 기존 IEEE 802.11a/g 등의 무선 랜 방식 에서 사용되던 직교 주파수 분할 다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식과 유사한 환경으로 가정할 수 있어서, 기존의 OFDM 방식의 알고리즘들을 쉽게 적용하는 것이 가능하다. 상대적으로 상향링크 환경은 다수 사용자들이 하나의 OFDMA 심볼에 동시에 정보를 전송하여야 하기 때문에, 기존 OFDM 방식에서는 존재하지 않던 문제점들이 발생한다.
OFDMA 방식은 기존 OFDM 방식처럼 심볼 내 부반송파들 사이의 직교성 유지와 동시에 한 OFDMA 심볼을 사용하는 다중 사용자들 사이의 엄격한 주파수와 심볼 동기가 필수적이다. 한 사용자의 OFDMA 심볼이 다른 사용자들의 OFDMA 심볼들과 동기가 맞지 않는다면, 그 사용자의 OFDMA 심볼은 다른 사용자들에게 다중 접속 간섭(MAI)으로 작용하게 되며, 전체 시스템의 성능을 열화시키는 주요한 원인이다.
다시 말해, OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서 사용자는 초기 레인징 과정을 통해서 상향링크의 시간 동기를 획득한다. 기지국 수신기는 특정 사용자의 심볼에 시간 동기화하고, 나머지 사용자들의 심볼들은 동기화된 시간과의 오차(STO: Symbol Timing Offset)만큼이 존재한다. 각 사용자의 심볼 시간 옵셋(STO)에 의해서 한 OFDMA 심볼 내에 선형적인 위상 성분이 발생하고, 이 위상 성분들이 합성되어 다중 접속 간섭(MAI)으로 작용한다. 이런 다중 접속 간섭(MAI)은 기지국 수신기의 레인징 부호 검출 성능을 열화시키는 원인이 된다.
이에 대해 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다.
도 1은 국내 무선 인터넷 시스템인 와이브로(WiBro) 시스템의 프레임 구조를 나타낸 것이다.
WiBro 시스템은 시간 분할 다중(TDD: Time Division Duplex) 방식으로 통신하며, 한 프레임은 5ms 시간 구간으로 구성된다. 하향링크와 상향링크는 송신/수신(Tx/Rx) 전환 갭(TTG: Tx/Rx Transition Gap)과 수신/송신 전환 갭(RTG: Rx/Tx Transition Gap)으로 구분된다. 하향링크 프레임에는 하향 프리앰블 구간, (PUSC: Partial Usage of Sub-Channel) 부채널, 다이버시티 부채널 및 적응 변조 및 코딩(AMC: Adaptive Modulation and Coding) 부채널이 존재한다. 그리고, 상향링크 프레임에는 상향 제어 심볼 구간, 다이버시티 부채널 및 AMC 부채널이 존재한다.
하향 프리앰블은 초기 동기, 셀 탐색, 주파수 옵셋 및 채널 추정에 사용할 수 있다. PUSC 부채널 구간과 다이버시티 부채널 구간 및 AMC 부채널 구간은 하향링크의 데이터 전송구간으로 사용한다. 상향링크의 맨 처음 세 심볼인 상향 제어심볼 구간은 레인징 채널, Acknowledge(ACK) 채널 및 채널 품질 지시(CQI: Channel Quality Indicator)에 사용된다. 상향링크의 데이터 전송구간은 다이버시티 부채널 구간과 AMC 부채널 구간을 사용한다.
WiBro와 같은 OFDMA/TDD 시스템에 처음 접속하려는 사용자들은 시스템 동기를 획득하기 위해서 다음과 같은 초기 레인징 과정을 수행하게 된다.
Step 1) 시스템에 처음 접속한 사용자는 하향 프리앰블 심볼을 이용하여 하향링크 동기를 획득한다. 그리고 하향링크 제어 정보를 통해서 상향링크 전송 파라미터(예를 들어, 상향링크 전송시간, 기지국 레인징 부호 집합, 레인징 부채널 정보 등)를 획득한다.
Step 2) 사용자는 기지국 레인징 부호 집합에서 임의의 한 레인징 부호를 선택하고, 이진 위상 전이 키(BPSK: Binary Phase Shift Key) 변조하여, 초기 레인징 심볼을 생성한다. 생성된 초기 레인징 심볼은 상향 제어심볼 구간의 임의로 선택된 레인징 부채널로 전송된다. 이때, 사용자들은 임의로 선택한 레인징 부호와 레인징 부채널을 사용하기 때문에 상호 충돌이 가능하다.
Step 3) 기지국 수신기는 레인징 부채널을 통해 수신된 사용자들의 초기 레인징 심볼들을 복조하여 전송된 레인징 부호들을 검출한다. 기지국 수신기는 다음 상향 무선링크 프레임에 검출된 레인징 부호를 전송한 사용자들을 위한 대역폭을 할당하고, 다음 프레임의 하향링크 제어 정보에 검출된 레인징 부호, 시간 오차 정보, 전력제어 정보 그리고 할당된 대역폭 정보를 단말기로 전송한다.
Step 4) 사용자는 하향링크 제어 정보를 확인해서 자신이 전송한 레인징 부호에 대한 정보를 획득하여 시간 동기 및 전력 제어를 수행하고, 자신에게 할당된 상향 무선링크의 대역폭을 이용하여 기지국과 협상 과정을 진행한다.
레인징 부채널에 할당된 부반송파 수는 144개이며, 레인징 부호는 BPSK 변조되기 때문에, 144 비트(bits)의 의사 잡음(PN: Pseudo Noise) 부호열이다. 초기 레인징 과정은 상향 무선링크 동기가 전혀 확보되지 않은 상태에서 시도되므로, 동일한 레인징 부호를 2개의 연속된 OFDMA 심볼 구간 동안에 반복하여 전송한다.
도 2는 시간 영역에서의 초기 레인징 심볼의 구조를 나타낸 것이다.
일반적으로 순환 프리픽스(CP: Cyclic Prefix)와 순환 서픽스(CS: Cyclic Suffix)를 사용하여 다른 심볼과의 간섭을 줄일 수 있다.
초기 레인징 과정은 상향 무선링크의 동기가 획득되지 않은 상태에서 수행된다. 사용자들은 초기 레인징 과정 중 하향링크 제어 정보를 통해서 상향 무선링크 프레임의 시작 시간을 알 수 있다. 그렇지만 각 사용자는 각기 다른 지연 시간을 가지기 때문에 실제 각 사용자가 송신한 초기 레인징 심볼은 기지국 수신기에 서로 다른 심볼 동기 오차를 가지고 합성되어 수신된다.
도 3은 다중 사용자 환경에서 기지국 수신기에 수신되는 수신 심볼의 설명을 위한 도면이다. 도 3은 4명의 사용자가 송신한 초기 레인징 심볼을 기지국 수신기에서 수신한 상황을 나타낸 것이다.
각 사용자의 다중 경로 환경은 2개의 각기 다른 지연 시간을 가진 경로로 구성되고, 4 명의 사용자들과 기지국 간의 거리차로 인하여 각기 다른 지연 시간을 가지고 수신된다. 기지국 수신기는 첫 번째 사용자의 첫 번째 경로로 수신된 심볼에 심볼 동기화되어 있다. 따라서 다른 사용자들의 초기 레인징 심볼들은 첫 번째 사용자의 심볼과의 도착 시간 오차(STO)만큼 심볼 동기 오차가 발생한다.
상향 무선링크 동기가 획득되지 않은 상태에서 수행되는 초기 레인징 과정은 필연적으로 다중 사용자 환경에서 각 사용자의 심볼 동기 오차가 발생하는 원인이 된다. 이러한 사용자마다 발생하는 심볼 동기 오차는 레인징 부호 검출시 다중 접속 간섭(MAI)으로 작용하여 검출 성능을 열화시키는 주 원인이 된다.
다중 사용자 검출을 위한 상관 수신기를 고려하여 각 사용자의 심볼 시간 옵셋(STO)에 따른 다중 접속 간섭(MAI)과 다중 경로 환경이 레인징 부호 검출 확률에 미치는 영향을 확인해 보기로 한다.
도 4는 초기 레인징 심볼을 사용하는 OFDMA 상향링크의 송수신 장치의 블록 구성도를 나타낸 것이다.
사용자가 선택한 레인징 부호는 레인징 부호 할당 블록(11)에 의해 각 사용자가 선택한 레인징 부채널에 할당된다. 주파수축 상에서 배치된 OFDMA 부반송파들은 역푸리에변환(IFFT: Inverse Fast Fourier Transform) 블록(12)을 통해서 시간축 상의 OFDMA 심볼이 된다. 다른 OFDMA 심볼들간의 간섭을 막기 위해서 CP CS 추가 블록(13)에서 CP와 CS가 추가되어 두 심볼 구간의 초기 레인징 심볼이 구성된다. 이렇게 구성된 초기 레인징 심볼은 병직렬변환기(14)를 통해 시간축 상에서 순서열의 심볼로 변환되어 수학식 1과 같이 전송된다.
각 사용자가 전송한 초기 레인징 심볼은 각 사용자마다 각기 다른 다중 경로 채널(15)을 거치게 되고, 기지국 수신기에서 합성어(16)와 잡음(17)이 추가되면 수학식 2와 같은 형태로 신호가 수신된다.
기지국 수신기에서는 수신된 심볼에서 우선 CP CS 제거 블록(18)을 통해 CP, CS를 제거하고, CP CS가 제거된 심볼을 직병렬 변환기(19)를 통해서 시간축 상에서 병렬 정보로 변환한다. 이 시간축 상의 OFDMA 심볼을 각 부채널별로 추출하기 위해서 푸리에 변환기(FFT: Fast Fourier Transform)(20)를 통해 고속 푸리에 변환을 수행하면 주파수축 상의 OFDMA 심볼인 수학식 5와 같이 된다.
주파수축 상의 OFDMA 심볼은 역다중화기(21)에 의해서 각 레인징 부채널별 정보로 역다중화 된다. 각 부채널별로 분리된 OFDMA 심볼 정보는 각 레인징 부채널별 상관수신기(22)를 통해서 기지국 레인징 부호 집합과 수학식 6과 같이 상관도를 취한다. 이 상관 수신기(22)의 출력값을 레인징 부호 검출 블록(23)에서 임의의 임계값과 비교를 통해서 사용자가 전송한 레인징 부호를 판별 검출한다.
총 k명의 초기 레인징 과정을 수행하는 사용자 중에서 k번째 사용자의 n번째 부반송파에 대한 레인징 부호
Figure 112007018680442-PAT00001
는 선택된 레인징 부채널의 부반송파 인덱스 집합 Ik에 의해 역푸리에변환(IFFT) 블록(12)에 입력되어 OFDMA 심볼로 구성된다. 이 OFDMA 심볼은 두 심볼 구간 동안 반복되고, CP와 CS가 삽입되어 전송된다. k번째 사용자의 전송 심볼은 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007018680442-PAT00002
여기서 Tu는 OFDMA 심볼의 유효 심볼 길이이고, Tcp는 CP의 길이이다. fn은 n번째 부반송파 주파수로 fn=n/Tu=n/NT로 정의되며, T는 샘플링 간격이다. 기지국은 수신된 초기 레인징 심볼을 이용해서 각 사용자가 송신한 레인징 부호와 주파수 및 심볼 동기 오차를 추정할 수 있어야 한다. 기지국 수신기에 수신되는 k명의 사용자가 전송한 초기 레인징 심볼은 다음의 수학식 2와 같이 기저대역 심볼로 나타낼 수 있다.
Figure 112007018680442-PAT00003
수학식 2의
Figure 112007018680442-PAT00004
는 k번째 사용자의 전송 심볼에 대한 n번째 부반송파 주파수 fn에 대한 채널의 주파수 응답이다. 그리고 Δfk는 기지국 수신기와 각 사용자의 반송파 주파수 옵셋(CFO: Carrier Frequency Offset)이고, τk는 각 사용자의 각기 다른 시간지연이다. n(t)는 전력밀도함수가 N0/2로 정의되는 복소 부가백색 가우시안잡음(AWGN: Additive White Gaussian Noise)을 나타낸다.
기지국 수신기는 최초로 수신되는 사용자의 심볼에 정확히 심볼 동기화하였다고 가정하고, 수신 심볼을 t=mTu간격으로 샘플링하면 다음 수학식 3과 같은 샘플링된 기저대역 심볼로 표현할 수 있다.
Figure 112007018680442-PAT00005
여기서, N은 OFDMA 심볼의 부반송파 수이고, δk는 기지국 수신기의 심볼 동기 시간과 k번째 사용자의 시간 지연 오차를 정규화한 심볼 시간 옵셋(STO)이다. εk는 각 사용자의 정규화된 반송파 주파수 옵셋(CFO)이다.
각 사용자의 정규화된 STO가 레인징 부호 검출 성능에 미치는 영향을 분석한다. 이를 위해 수학식 3에서 εk=0으로 가정하면, 다음 수학식 4와 같이 간략하게 표현할 수 있다.
Figure 112007018680442-PAT00006
수학식 4와 같이 단순화된 수신 심볼이 고속푸리에변환(FFT)을 수행하게 되면, 수학식 5와 같이 다중 경로 환경의 영향 이외에도 각 사용자의 정규화된 심볼 시간 옵셋(STO)으로 인한 각 부반송파의 데이터 신호에 선형적인 위상 성분이 발생함을 확인할 수 있다.
Figure 112007018680442-PAT00007
기지국 수신기가 다중 사용자 검출을 위해서 수학식 5와 기지국 레인징 부호 집합 CR{R=1,…,M}의 상관도를 취하여 일정 임계값 이상 나오는 레인징 부호를 사용자가 송신한 레인징 부호로 선택할 수 있고, 이를 다음 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007018680442-PAT00008
수학식 6에 사용되는 레인징 부채널 상관 수신기의 상관값을 분석하기 위해 다음과 같이 가정한다. 레인징 부호로 사용되는 PN 부호가 수학식 7과 같이 이상적인 PN 부호의 상관 특성을 가지고, 레인징 부채널간의 상호 간섭은 고려하지 않는 다. 하나의 레인징 부채널에 tR명의 사용자가 초기 레인징 심볼을 전송할 때, 실제 전송한 l번째 레인징 부호에 대한 기지국 상관 수신기의 출력과 전송하지 않은 레인징 부호에 대한 기지국 상관 수신기의 출력은 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007018680442-PAT00009
Figure 112007018680442-PAT00010
레인징 부호 검출에 사용되는 임계값은 다음 수학식 9와 같이 수신 레인징 부호와 기지국 레인징 부호 집합의 상관도를 취한 상관값의 평균에 임의의 가중치(th_level)를 곱하여 사용한다.
Figure 112007018680442-PAT00011
수학식 8과 수학식 9를 통해서 동시에 같은 레인징 부채널로 전송된 사용자들의 초기 레인징 심볼들은 각 사용자의 STO에 따른 위상 성분이 실제 전송된 레인징 부호에 대한 상관기 출력값과 레인징 부호 검출을 위한 임계값에 많은 영향을 주는 것을 알 수 있다. 또한 다른 레인징 부채널을 사용하여 초기 레인징 과정을 수행하는 사용자들의 STO에 따른 추가적인 영향을 예상할 수 있다.
기지국이 수학식 6과 같은 방법으로 레인징 부호를 검출할 경우 각 사용자의 STO에 의한 위상 성분이 레인징 부호 검출 성능에 영향을 주는 것을 수학식 8과 수학식 9를 통해 알 수 있었다.
레인징 부호 검출 성능을 향상시키기 위해서는 각 사용자의 STO에 의한 위상 성분을 추정해서 보상해 주어야 한다. 그러나 각 사용자가 전송하는 레인징 부호는 기지국 레인징 부호 집합에서 임의로 선택되기 때문에, 기지국은 각 사용자가 전송한 레인징 부호가 어떤 것인지 알 수 없어, 위상 성분의 추정 및 보상이 불가능하다.
이와 같이 다중 접속 간섭(MAI)이 존재하는 다중 사용자 환경에서 각 사용자가 초기 레인징 심볼을 전송할 때, 기지국 수신기는 각 사용자가 송신한 레인징 부호를 정확히 찾아낼 수 있는 방법이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 각 사용자의 동기화된 시간과의 오차인 심볼 시간 옵셋(STO)만큼 발생하는 위상 성분의 추정 및 보상을 위한 공통 레인징 부호를 사용하는 초기 레인징 심볼 구조를 이용하여, 각 사용자의 심볼 시간 옵셋(STO)에 의해 발생한 위상 성분의 평균을 추정하고 보상함으로써, 다중 접속 간섭(MAI)의 영향을 억제하여 레인징 부호 검출 성능을 향상시킬 수 있는 OFDMA 시스템에서 공통 레인징 부호를 이용해 레인징 부호를 검출하기 위한 송신 및 수신 장치와, 레인징 부호 검출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 레인징 부호 검출 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수신 장치는, 직교주파수 분할 다중접속(OFDMA) 시스템에서 단말기로부터 전송된 레인징 부호를 검출하기 위해, 수신된 초기 레인징 심볼에서 CP와 CS를 제거하는 수단과, CP와 CS가 제거된 초기 레인징 심볼을 병렬로 변환하는 수단과, 병렬로 변환된 초기 레인징 심볼을 푸리에 변환하는 수단과, 푸리에 변환된 심볼을 각 레인징 부채널별로 역다중화하는 역다중화수단과, 각 레인징 부채널별로 기지국 레인징 부호 집합과 상관도를 계산하는 상관수단과, 상기 계산된 상관도와 임계값을 비교하여 레인징 부호를 검출하는 레인징 부호 검출수단을 포함하는 기지국의 수신장치에 있어서, 모든 사용자 단말기들이 동일하게 사용하는 공통 레인징 부호가 정해진 공통 레인징 부채널에 할당되 어 초기 레인징 부호와 함께 수신되면, 상기 역다중화수단에 의해 역다중화된 부채널 정보 중 상기 공통 레인징 부채널에 할당된 상기 공통 레인징 부호를 이용해 다수 사용자 단말기들 간의 심볼 시간 옵셋에 의한 다중 접속 간섭(MAI) 성분을 추정하는 추정수단; 및 상기 추정수단에 의해 추정된 다중 접속 간섭 성분을 이용해 각 레인징 부채널에 대한 간섭 보상을 수행하여, 간섭 성분이 보상된 초기 레인징 심볼을 상기 상관수단으로 전달하는 간섭 보상수단을 포함한다.
바람직하게는, 상기 추정수단은, 상기 공통 레인징 부채널의 부반송파 위치와 공통 레인징 부호(CC)에 대한 정보를 가지고 있고, 이를 이용해 공통 레인징 부채널에 발생한 위상 성분을 추정하는 위상 성분 추정수단; 및 상기 위상 성분 추정수단에 의해 추정된 공통 레인징 부채널의 위상 성분으로 부반송파 간의 위상 성분의 평균을 구하고, 상기 구한 부반송파 간의 위상 성분의 평균을 이용해 레인징 부채널의 위상 성분의 추정치를 계산하여 상기 간섭 보상수단으로 전달하는 위상 성분 추정치 계산수단을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 송신 장치는, 직교주파수 분할 다중접속(OFDMA) 시스템에서 레인징 부호를 송신하기 위해, 사용자에 의해 선택된 초기 레인징 부호를 레인징 부채널에 할당하는 레인징 부채널 할당수단과, 상기 레인징 부채널 할당수단에 의해 할당된 레인징 부호에 대한 심볼 생성을 위한 역푸리에변환수단과, 상기 역푸리에변환수단의 출력 심볼에 CP와 CS를 추가하는 CP CS 추가수단과, 병직렬 변환수단을 포함하는 단말기의 송신장치에 있어서, 기지국 수신장치에서 공통 레인징 부채널에 할당된 공통 레인징 부호를 이용해 다수 사용자 단말기들 간의 심볼 시간 옵셋에 의한 다중 접속 간섭(MAI) 성분을 추정하고, 상기 추정된 다중 접속 간섭 성분을 이용해 각 레인징 부채널에 대한 간섭 보상을 수행하도록 하기 위해, 모든 사용자 단말기들이 동일하게 사용하는 상기 공통 레인징 부호를 정해진 상기 공통 레인징 부채널에 할당하여 상기 초기 레인징 부호와 함께 전송되도록 상기 역푸리에변환수단으로 제공하는 공통 부채널 할당수단을 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레인징 부호 검출방법은, 직교주파수 분할 다중접속(OFDMA) 시스템에서 단말기로부터 전송된 레인징 부호를 검출하기 위한 방법에 있어서, 모든 사용자 단말기들이 동일하게 사용하는 공통 레인징 부호가 정해진 공통 레인징 부채널에 할당되어 사용자에 의해 선택된 초기 레인징 부호와 함께 수신되면, 고속 푸리에 변환을 수행한 후, 레인징 부채널별로 역다중화하는 제1 단계; 상기 역다중화된 부채널 정보 중 상기 공통 레인징 부채널에 할당된 상기 공통 레인징 부호를 이용해 다수 사용자 단말기들 간의 심볼 시간 옵셋에 의한 다중 접속 간섭(MAI) 성분을 추정하는 제2 단계; 상기 추정된 다중 접속 간섭 성분을 이용해 각 레인징 부채널에 대한 간섭 보상하는 제3 단계; 상기 간섭 성분이 보상된 초기 레인징 심볼에 대해 기지국의 레인징 부호 집합과의 상관도를 계산하는 제4 단계; 및 상기 상관도와 임계값을 비교하여 상기 사용자 단말기로부터 전송된 레인징 부호를 검출하는 제5 단계를 포함한다.
바람직하게는 상기 제2 단계는, 알고 있는 상기 공통 레인징 부채널의 부반 송파 위치와 공통 레인징 부호(CC)에 대한 정보를 이용해 공통 레인징 부채널에 발생한 위상 성분을 추정하는 위상 성분 추정 단계; 및 상기 추정된 공통 레인징 부채널의 위상 성분으로 부반송파 간의 위상 성분의 평균을 구하고, 상기 구한 부반송파 간의 위상 성분의 평균을 이용해 레인징 부채널의 위상 성분의 추정치를 계산하는 위상 성분 추정치 계산 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 직교주파수 분할 다중접속(OFDMA) 시스템에서 단말기로부터 전송된 레인징 부호를 검출하기 위해 프로세서에서, 모든 사용자 단말기들이 동일하게 사용하는 공통 레인징 부호가 정해진 공통 레인징 부채널에 할당되어 사용자에 의해 선택된 초기 레인징 부호와 함께 수신되면, 고속 푸리에 변환을 수행한 후, 레인징 부채널별로 역다중화하는 제1 단계; 상기 역다중화된 부채널 정보 중 상기 공통 레인징 부채널에 할당된 상기 공통 레인징 부호를 이용해 다수 사용자 단말기들 간의 심볼 시간 옵셋에 의한 다중 접속 간섭(MAI) 성분을 추정하는 제2 단계; 상기 추정된 다중 접속 간섭 성분을 이용해 각 레인징 부채널에 대한 간섭 보상하는 제3 단계; 상기 간섭 성분이 보상된 초기 레인징 심볼에 대해 기지국의 레인징 부호 집합과의 상관도를 계산하는 제4 단계; 및 상기 상관도와 임계값을 비교하여 상기 사용자 단말기로부터 전송된 레인징 부호를 검출하는 제5 단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 각 사용자의 STO에 따른 위상 성분을 보상하기 위해 사용자 각자가 임의로 선택한 레인징 부호 이외에 모든 사용자가 동일하게 전송하는 공통 레인징 부호를 추가하여 위상 성분의 보상이 가능한 공통 레인징 부호를 사용하는 초기 레인징 심볼 구조를 제안한다.
본 발명에서 제안하는 공통 레인징 부호를 사용하는 초기 레인징 심볼 구조는 한 OFDMA 심볼 내에서 각 사용자의 정규화된 STO에 따라 선형적인 위상 성분의 변화가 나타나는 특징을 이용하여 위상 성분을 추정 및 보상한다. 공통 레인징 부호를 사용하는 방식은 위상 성분의 추정을 위해서 모든 사용자가 동일한 특정 레인징 부호 CC를 정해진 레인징 부채널의 부반송파 인덱스 집합 Ic에 할당하여 각 사용자가 임의로 선택한 레인징 부호와 함께 전송하는 방식이다. 이에 대해 첨부된 도 5 이하를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 5 및 도 6은 각각 주파수축 상에서 기존 초기 레인징 심볼 구조와 공통 레인징 부호를 사용하는 초기 레인징 심볼 구조를 개념적으로 나타낸 것이다.
도 5의 기존 초기 레인징 심볼 구조는 3명의 초기 레인징 과정을 수행하는 사용자들이 각자 임의로 레인징 부호를 선택하여 임의의 레인징 부채널에 할당한다. 도 6의 공통 레인징 부호를 사용하는 초기 레인징 부호 구조는 3명의 초기 레인징 과정을 수행하는 사용자들이 각자 임의로 레인징 부호를 선택하여 임의의 레인징 부채널에 할당하고, 공통 레인징 부호를 정해진 공통 레인징 부채널에 할당하여 초기 레인징 심볼을 구성한다.
도 7a는 본 발명에 따른 단말기에서 공통 레인징 부호 구조를 사용하는 초기 레인징 수행 과정을 나타낸 흐름도이고, 도 7b는 기지국에서 공통 레인징 부호 구조를 사용하는 초기 레인징 수행 과정을 나타낸 흐름도이다.
본 발명에 따른 공통 레인징 구조를 사용함으로써, 기존 초기 레인징 과정에 몇 개의 과정이 추가된다. 단말기 측에서는 공통 레인징 부호를 공통 레인징 부채널에 할당하는 과정이 추가되고, 기지국 수신기 측에서는 공통 레인징 부호를 사용하여 다중 접속 간섭(MAI)을 추정 및 보상하는 과정이 추가된다.
이에 따라 기지국 수신기는 공통 레인징 부호와 공통 레인징 부채널의 부반송파 인덱스 집합을 알고 있으므로, 이를 이용하여 한 OFDMA 심볼 내에서 선형적으로 변하는 위상 성분을 추정하고 보상할 수 있다.
먼저, 단말기에서 초기 레인징 과정을 설명한다.
시스템에 처음 접속한 사용자 단말기는 하향링크 프리앰블의 수신을 대기한 상태에서(101), 하향링크 프리앰블이 수신되면 하향 프리앰블 심볼을 이용하여 하향링크 동기를 획득한다(102, 103). 그리고 하향링크 제어 정보를 통해서 상향링크 전송 파라미터(예를 들어, 상향링크 전송시간, 기지국 레인징 부호 집합, 레인징 부채널 정보 등)를 획득한다(104).
그런 다음, 사용자 단말기는 기지국 레인징 부호 집합에서 임의의 한 레인징 부호를 선택하고(105), 모든 사용자 단말기가 동일하게 사용하는 공통 레인징 부호를 정해진 공통 레인징 부채널에 할당하여(106), 이진 위상 전이 키(BPSK) 변조를 통해 초기 레인징 심볼을 생성한다. 그리고 생성된 초기 레인징 심볼을 상향 제어심볼 구간의 임의로 선택된 레인징 부채널로 전송한다(108).
이후 사용자 단말기는 기지국으로부터 다음 프레임의 초기 레인징 심볼 응답 메시지가 수신되기를 기다린다(108).
기지국으로부터 응답 메시지가 수신되면(109), 사용자 단말기는 하향링크 제어 정보를 확인해서 자신이 전송한 레인징 부호에 대한 정보를 획득하여 시간 동기 및 전력 제어를 수행하고(110), 자신에게 할당된 상향 무선링크의 대역폭을 이용하여 기지국과 협상 과정을 진행한다(111).
한편, 도 7b에 도시된 기지국에서의 초기 레인징 수행 과정을 설명하면 다음과 같다.
기지국 수신 장치는 사용자 단말기로부터 초기 레인징 심볼이 수신되기를 대기한 상태에서(201), 사용자 단말기로부터 초기 레인징 심볼이 수신되면, 수신된 심볼에서 CP CS를 제거하고, 직렬 심볼을 병렬로 변환한 후, 레인징 심볼을 각 부채널별로 추출하기 위해서 고속 푸리에 변환을 수행하고, 각 레인징 부채널별 정보로 역다중화한다(202).
역다중화를 통해 공통 레인징 부호를 획득할 수 있으며, 이 역다중화된 부채 널 정보 중에서 공통 레인징 부채널에 할당된 공통 레인징 부호를 사용하여 다중 사용자들간의 심볼 시간 옵셋(STO)에 의한 다중 접속 간섭(MAI) 성분을 수학식 14 내지 수학식 16과 같은 방식으로 추정한다(203). 이 추정된 다중 접속 간섭 정보 수학식 16을 사용하여 각 레인징 부채널에 대한 MAI 성분을 수학식 17과 같이 보상한다(204). 상기 공통 레인징 부호를 이용해 다중 접속 간섭 성분을 추정하고, 이 추정된 다중 간섭 성분을 이용해 레인징 부채널에 대한 보상하는 과정에 대해 후술된 도 8을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
간섭 성분이 보상된 OFDMA 심볼 정보는 각 레인징 부채널별 상관 수신기를 통해서 기지국 레인징 부호 집합과 상관도가 검출되고(205), 이 상관값들의 평균과 가중치(th_level)를 곱한 임계값을 계산한 후(206), 이 임의의 임계값과 상관 결과값을 비교하여 상관 결과값이 이 임계값 이상이면(207) 사용자가 전송한 초기 레인징 심볼들을 복조하여 전송된 레인징 부호들을 검출한다(208).
이후, 기지국 수신 장치는 검출된 레인징 부호에 대한 시간, 주파수 동기 오차 및 전력 제어 정보를 추정하고(209), 다음 상향 무선링크 프레임에 검출된 레인징 부호를 전송한 사용자들을 위한 대역폭을 할당한다(210), 그런 다음, 다음 프레임의 하향링크 제어 정보에 검출된 레인징 부호, 시간 오차 정보, 전력제어 정보 그리고 할당된 대역폭 정보를 전송한다(211). 이후, 단말기로부터 응답을 대기한 후(212), 응답 메시지가 수신되면(213), 추가적인 협상 과정을 진행한다(214).
도 8은 본 발명에 따른 공통 레인징 심볼을 사용하는 OFDMA 시스템의 상향 링크의 송수신 장치의 블록 구성도이다.
도 8에서 공통 부채널 할당 블록(31)에 의해 공통 레인징 부호가 미리 정해진 공통 레인징 부채널에 할당된다. 상기 공통 레인징 부호는 모든 사용자가 동일하게 사용하는 부호이다. 또한, 사용자가 선택한 레인징 부호는 레인징 부채널 할당 블록(32)에 의해 각 사용자가 선택한 레인징 부채널에 할당된다.
주파수축 상에서 배치된 OFDMA 부반송파들은 역푸리에 변환기(33)를 통해서 시간축 상의 OFDMA 심볼이 된다. 다른 OFDMA 심볼들간의 간섭을 막기 위해서 CP CS 추가 블록(34)은 심볼에 CP와 CS를 추가하여, 두 심볼 구간의 초기 레인징 심볼을 구성하고, 이렇게 구성된 초기 레인징 심볼은 병직렬변환기(35)를 통해 시간축 상에서 순서열의 심볼이 수학식 10과 같이 전송된다.
각 사용자가 전송한 초기 레인징 심볼은 각 사용자마다 각기 다른 다중경로 채널(36)을 통해 전송되고, 기지국 수신기에서 합성어와 잡음이 추가되면 수학식 11과 같은 신호가 수신된다.
기지국 수신기에서는 우선 CP CS 제거 블록(37)을 통해 수신된 심볼에서 CP, CS를 제거하고, CP CS가 제거된 심볼은 직병렬 변환기(38)를 통해서 시간축 상에서 병렬 정보로 변환된다. 이 시간축 상의 OFDMA 심볼을 각 부채널별로 추출하기 위해서 고속 푸리에 변환기(39)를 통해 고속 푸리에 변환을 수행하면 주파수축 상의 OFDMA 심볼인 수학식 12와 수학식 13과 같이 공통 레인징 부채널의 정보와 레인징 부채널들의 정보를 얻을 수 있다. 주파수축 상의 OFDMA 심볼은 역다중화기(40)에 의해서 각 레인징 부채널별 정보로 역다중화된다.
공통 레인징 부호를 사용한 추정부(41)는 이 역다중화된 부채널 정보 중에서 공통 레인징 부채널에 할당된 공통 레인징 부호를 사용하여 다중 사용자들간의 심볼 시간 옵셋(STO)에 의한 다중 접속 간섭(MAI) 성분을 수학식 14 내지 수학식 16과 같은 방식으로 추정한다. 이 추정된 다중 접속 간섭 정보를 사용하여 간섭 보상부(42)에서 각 레인징 부채널에 대한 MAI 성분을 수학식 17과 같이 보상한다.
간섭 성분이 보상된 OFDMA 심볼 정보는 각 레인징 부채널별 상관수신기(43)를 통해서 기지국 레인징 부호 집합과 수학식 18과 같이 상관도가 계산된다. 이 상관수신기(43)의 출력값을 레인징 부호 검출 블록(44)에서 임의의 임계값과 비교하여 사용자가 전송한 레인징 부호를 판별 검출한다.
본 발명에 따른 공통 레인징 부호를 사용하는 OFDMA 시스템은 기존 초기 레인징 심볼을 사용하는 OFDMA 시스템에 공통 레인징 부호 할당 부분과 공통 레인징 부호를 통한 추정 및 보상 부분이 추가된 것이다. 공통 레인징 부호를 사용하는 사용자의 초기 레인징 심볼은 수학식 10과 같이 표현된다.
Figure 112007018680442-PAT00012
이는 기존 초기 레인징 심볼 방식과 동일한 환경으로 공통 레인징 부호를 사용한 경우 각 사용자의 정규화된 STO가 레인징 부호 검출 성능에 미치는 영향을 확인한다.
기지국 수신기에 수신되는 k명의 사용자의 초기 레인징 심볼은 다음 수학식 11과 같이 t=mTu 간격으로 샘플링된 기저대역 심볼로 나타낼 수 있다.
Figure 112007018680442-PAT00013
주파수축 상에서 위상 성분을 추정하기 위해 수학식 11을 고속 푸리에 변환기(FFT)에 입력하면 공통 레인징 부채널과 각 사용자가 전송한 레인징 부호의 레인징 부채널에 대한 출력은 각각 다음 수학식 12와 수학식 13와 같이 표현된다.
Figure 112007018680442-PAT00014
Figure 112007018680442-PAT00015
수학식 12 및 수학식 13은 기 공지된 공식을 이용해 나타낸 것이다. 수학식 12는 각 사용자의 심볼 시간 옵셋(STO)에 의해 발생한 공통 레인징 부채널 내의 위상 변이 정보를 가지고 있다.
기지국 수신기는 공통 레인징 부채널의 부반송파 위치(IC)와 공통 레인징 부호(CC)를 이미 알고 있다. 즉, 공통 레인징 부호는 모든 사용자들이 동일하게 사용하는 것이고, 공통 레인징 부호는 정해진 공통 레인징 부채널에 할당되기 때문에, 기지국 수신기는 공통 레인징 부채널의 부반송파 위치(IC)와 공통 레인징 부호(CC)를 이미 알고 있다. 따라서, 기지국 수신기의 공통 레인징 부호를 사용한 추정부(41)는 수학식 14와 같이 공통 레인징 부채널에 발생한 위상 성분을 추정할 수 있다. 추정부(41)에서 공통 레인징 부채널에 발생한 위상 성분을 추정하는 구체적인 과정은 공지의 OFDMA 시스템에서 위상 성분을 추정하는 과정과 실질적으로 동일하기 때문에, 여기서는 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
Figure 112007018680442-PAT00016
한 OFDMA 심볼 내에서 다중 경로 환경과 잡음의 영향을 충분히 무시할 수 있다고 가정하면, 수학식 14로 추정된 공통 레인징 부채널의 위상 성분은 다중 사용자의 정규화된 STO에 의해 선형적으로 변화하는 위상 성분의 평균이라 할 수 있다. 추정된 공통 레인징 부채널의 위상 성분으로 부반송파 간의 위상 성분의 평균을 구하면, 정규화된 STO와 한 OFDMA 심볼 내에서 선형적으로 변화하는 위상 성분을 추정하여 각 사용자가 보낸 레인징 부채널의 위상 성분을 보상해 줄 수 있다.
길이가 L인 공통 레인징 부반송파를 이용해서 추정한 평균 위상 성분은 수학식 15와 같이 표현할 수 있고, 이를 이용한 레인징 부채널의 위상 성분의 추정치는 수학식 16과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007018680442-PAT00017
Figure 112007018680442-PAT00018
수학식 16과 같이 추정된 공통 레인징 부채널에 할당된 부반송파의 위상 성분 추정치로 수학식 13과 같이 표현한 각 레인징 부채널의 출력값을 보상하면 수학식 17과 같이 위상 성분이 보상된 레인징 부채널의 출력값을 얻을 수 있다.
Figure 112007018680442-PAT00019
기지국 수신기는 전술한 초기 레인징 심볼 방식과 동일한 상관 수신기를 이용한 방식으로 다중 사용자의 레인징 부호를 검출한다. 레인징 부채널의 상관 수신기는 수학식 17과 같이 위상 성분이 보상된 레인징 부채널의 레인징 부호와 기지국 레인징 부호 집합 CR의 상관도를 취하여 일정 임계값 이상 나오는 초기 레인징 부호를 사용자가 송신한 레인징 부호로 선택한다. 이는, 다음 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007018680442-PAT00020
수학식 18에 사용되는 레인징 부채널 상관 수신기의 상관값을 분석하기 위해 상기와 동일하게 가정한다. 하나의 레인징 부채널에 tR명의 사용자가 공통 레인징 부호를 사용한 초기 레인징 심볼을 전송할 때, 실제 전송한 l번째 레인징 부호에 대한 기지국 상관 수신기의 출력과 전송하지 않은 레인징 부호에 대한 기지국 상관 수신기의 출력은 수학식 19와 같다.
Figure 112007018680442-PAT00021
레인징 부호 검출에 사용되는 임계값은 수학식 20과 같다. 수학식 19과 수학식 20에서 알 수 있듯이 공통 레인징 부호를 사용하여 위상 성분을 추정해서 각 사용자의 STO의 영향을 억제할 수 있다. 그래서 공통 레인징 부호를 사용하여 레인징 부채널에 존재하는 각 사용자의 STO에 의한 위상 성분을 정확히 추정해서 보상하면 MAI의 영향을 억제하여 레인징 부호 검출 성능을 효과적으로 향상할 수 있다.
Figure 112007018680442-PAT00022
이상에서 살펴본 바와 같이 공통 레인징 부호를 사용하는 초기 레인징 심볼 의 레인징 부호 검출 방식이 상기에서 분석한 기존 초기 레인징 심볼의 레인징 부호 검출 방식보다 효과적으로 MAI의 영향을 억제하여 레인징 부호 검출 성능이 우수함을 확인할 수 있었다.
초기 레인징 심볼의 레인징 부호 검출 성능과 본 발명에서 제안한 공통 레인징 부호를 사용하는 초기 레인징 심볼의 레인징 부호 검출 성능을 시뮬레이션을 통해 검증한다.
시뮬레이션에 사용되는 OFDMA 시뮬레이션 파라미터는 표 1과 같이 유사 시스템인 국내 WiBro 시스템을 기준으로 설정한다.
Figure 112007018680442-PAT00023
본 시뮬레이션은 사용자 수와 다중 경로 채널 환경을 변화시키며, 각 사용자의 정규화된 STO에 따른 두 방식의 레인징 부호 검출 확률과 검출 오류 성능으로 성능을 확인한다.
기지국 수신기의 잡음 환경은 Eb/No = 15 dB로 고정하고, 다중 경로 채널 환경은 ITU-R M.1225에서 정의된 Pedestrian 환경과 Vehicular 환경을 사용한다. 시뮬레이션에서 각 사용자의 이동 속도는 Pedestrian 환경에서 3 ~ 10 Km/h 사이에서 그리고 Vehicular 환경에서 60 ~ 100 Km/h 사이에서 임의로 정해진다. 기지국에서 사용하는 레인징 부호 집합은 32개의 레인징 부호로 구성되어 있고, 그 중 하나의 레인징 부호는 공통 레인징 부호로 사용되고, 나머지 31개의 레인징 부호가 초기 레인징 과정에 사용된다.
이 시뮬레이션에서는 각 사용자의 STO에 따른 레인징 부호 검출 성능을 확인하기 위해서 하나의 OFDMA 심볼 전체를 초기 레인징용 부채널로 할당한다. 그래서 레인징 부채널은 전체 6개의 채널이 생성되고, 그 중 1개의 레인징 부채널은 공통 레인징 부호를 위한 공통 레인징 부채널로 할당하며, 나머지 5개의 레인징 부채널을 사용하여 사용자들은 초기 레인징 심볼을 전송한다. 사용자는 각 레인징 부채널에 균등하게 분포하고, 초기 레인징 과정을 수행하는 사용자의 수는 [5, 15, 25]로 10명씩 증가하며, 성능을 확인한다. 기지국 수신기의 임계값을 위한 가중치(th_level)는 [2, 2.5]로 두 가지의 경우를 시뮬레이션한다.
각 사용자의 정규화된 STO는 [0, Max Normalzed STO]의 범위에서 임의적으로 발생한다. 기지국 수신기는 최초로 수신되는 사용자의 OFDMA 심볼에 심볼 동기화 됨으로, 나머지 사용자들은 동기화된 시간과의 오차만큼 정규화된 STO가 존재하는 환경이다.
레인징 부호 검출 확률은 각 사용자의 레인징 부호 검출 확률을 평균한 값으로 레인징 부호 검출 확률이 1인 경우는 기지국 수신기가 초기 레인징 심볼을 전송한 모든 사용자의 레인징 부호를 정확히 검출함을 뜻한다. 레인징 부호 검출 오류 성능은 기지국 수신기가 실제 사용자가 전송하지 않은 레인징 부호를 검출한 경우를 뜻하고, 한 번의 초기 레인징 과정에 발생하는 각 부채널당 잘못 검출된 레인징 부호의 수를 평균한 값이다. 즉 레인징 부호 검출 오류 성능이 1인 경우는 한번의 초기 레인징 과정에서 한 레인징 부채널당 하나의 실제 전송되지 않은 레인징 부호가 검출됨을 뜻한다. 상기에서 설명한 바와 같이 기지국은 검출된 레인징 부호를 전송한 사용자들을 위한 대역폭을 다음 상향 무선링크 프레임에 할당하기 때문에 레인징 부호 검출 오류 성능이 높을수록 전체 시스템 대역폭 효율이 낮아지는 문제가 발생한다.
도 9와 도 10은 Pedestrian Channel-B 환경, 도 11과 도 12는 Vehicular Channel-B 환경, 그리고 도 13과 도 14는 Pedestrian Channel과 Vehicular Channel의 다중 경로 환경이 혼재되어 있는 환경에서 레인징 부호 검출 확률과 레인징 부호 검출 오류 성능의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
레인징 부호 검출 확률은 모두 본 발명이 기존 방식보다 성능이 우수함을 확인할 수 있다. 모든 환경에서 15명의 사용자를 기준으로 비교시 본 발명이 기존 방식보다 최대 15 % 이상의 검출 성능을 향상을 보였고, 이는 기존 방식의 레인징 부호 검출 확률과 비교시 가중치(th_level)가 0.5 낮을 때의 성능과 유사하다. 이 결과는 본 발명이 기존 방식과 동일한 레인징 부호 검출 확률을 가지면서 낮은 레인징 부호 검출 오류 성능을 가지도록 가중치(th_level)의 조정이 가능함을 의미한다.
전반적인 결과를 통해서 본 발명이 각 사용자의 STO에 의한 다중 접속 간섭(MAI)을 효율적으로 감소시켜서 레인징 부호 검출 성능을 향상시킴을 확인할 수 있다. 특히 각 사용자의 STO의 범위가 넓어져도 본 발명이 기존 방식에 비해 레인징 부호 검출 확률이 우수하다. 이런 레인징 부호를 검출할 수 있는 STO 범위의 확장은 초기 레인징 과정이 상향링크 동기가 획득되지 않은 상태에서 이루어지는 것을 고려할 때, 본 발명을 사용한다면 기존 초기 레인징 심볼만을 사용한 경우보다 기지국에서 유연한 동기 검출이 가능할 수 있다.
각 사용자의 다중 경로 환경의 변화에 따른 검출 성능의 변화는 25명의 사용자를 가정한 환경에서 확인할 수 있다. 동기 오차가 없는 경우에도 각 사용자의 다중 경로 환경에 의한 신호의 열화에 의해서 검출 성능이 점점 낮아짐을 확인할 수 있다.
레인징 부호 검출 오류 성능의 경우는 전반적으로 기존 방식과 본 발명이 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있고, 가중치(th_level)에 따라서 전체적인 레인징 부호 검출 확률과 레인징 부호 검출 오류 성능이 반비례함을 알 수 있다. 이는 레인징 부호 검출 확률과 대역폭 효율이라는 관점에서 적절한 가중치(th_level)의 설정이 필요함을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 공통 레인징 부호를 사용하여 위상 성분을 추정해서 각 사용자의 STO의 영향을 억제할 수 있으며, 공통 레인징 부호를 사용하여 레인징 부채널에 존재하는 각 사용자의 STO에 의한 위상 성분을 정확히 추정해서 보상함으로써, 다중 접속 간섭(MAI)의 영향을 억제하고 레인징 부호 검출 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
모든 환경에서 15명의 사용자를 기준으로 비교시 본 발명이 기존 방식보다 최대 15 % 이상의 검출 성능을 향상시키고, 이는 기존 방식의 레인징 부호 검출 확률과 비교시 가중치(th_level)가 0.5 낮을 때의 성능과 유사하다. 이 결과는 본 발명이 기존 방식과 동일한 레인징 부호 검출 확률을 가지면서 낮은 레인징 부호 검 출 오류 성능을 가지도록 가중치(th_level)의 조정이 가능함을 의미한다. 전반적인 결과를 통해서 본 발명이 각 사용자의 STO에 의한 MAI를 효율적으로 감소시켜서 레인징 부호 검출 성능을 향상시킬 수 있다. 특히 각 사용자의 STO의 범위가 넓어져도 본 발명이 기존 방식에 비해 레인징 부호 검출 확률이 우수하다. 이런 레인징 부호를 검출할 수 있는 STO 범위의 확장은 초기 레인징 과정이 상향링크 동기가 획득되지 않은 상태에서 이루어지는 것을 고려할 때, 본 발명을 사용한다면 기존 초기 레인징 심볼만을 사용한 경우보다 기지국에서 유연한 동기 검출이 가능하다.
또한, 본 발명은 기존 방식에 비해서 잘못된 레인징 부호를 검출할 확률이 떨어지고 이는 잘못 검출된 레인징 부호에 대한 대역폭 할당으로 손실되는 대역폭 효율을 감소시킬 수 있는 장점을 가지기 때문에 공통 레인징 부채널 할당에 따른 대역폭 손실을 감쇠할 수 있다.

Claims (15)

  1. 직교주파수 분할 다중접속(OFDMA) 시스템에서 단말기로부터 전송된 레인징 부호를 검출하기 위해, 수신된 초기 레인징 심볼에서 CP와 CS를 제거하는 수단과, CP와 CS가 제거된 초기 레인징 심볼을 병렬로 변환하는 수단과, 병렬로 변환된 초기 레인징 심볼을 푸리에 변환하는 수단과, 푸리에 변환된 심볼을 각 레인징 부채널별로 역다중화하는 역다중화수단과, 각 레인징 부채널별로 기지국 레인징 부호 집합과 상관도를 계산하는 상관수단과, 상기 계산된 상관도와 임계값을 비교하여 레인징 부호를 검출하는 레인징 부호 검출수단을 포함하는 기지국의 수신장치에 있어서,
    모든 사용자 단말기들이 동일하게 사용하는 공통 레인징 부호가 정해진 공통 레인징 부채널에 할당되어 초기 레인징 부호와 함께 수신되면, 상기 역다중화수단에 의해 역다중화된 부채널 정보 중 상기 공통 레인징 부채널에 할당된 상기 공통 레인징 부호를 이용해 다수 사용자 단말기들 간의 심볼 시간 옵셋에 의한 다중 접속 간섭(MAI) 성분을 추정하는 추정수단; 및
    상기 추정수단에 의해 추정된 다중 접속 간섭 성분을 이용해 각 레인징 부채널에 대한 간섭 보상을 수행하여, 간섭 성분이 보상된 초기 레인징 심볼을 상기 상관수단으로 전달하는 간섭 보상수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레인징 부호 검출을 위한 수신 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 추정수단은,
    상기 공통 레인징 부채널의 부반송파 위치와 공통 레인징 부호(CC)에 대한 정보를 가지고 있고, 이를 이용해 공통 레인징 부채널에 발생한 위상 성분을 추정하는 위상 성분 추정수단; 및
    상기 위상 성분 추정수단에 의해 추정된 공통 레인징 부채널의 위상 성분으로 부반송파 간의 위상 성분의 평균을 구하고, 상기 구한 부반송파 간의 위상 성분의 평균을 이용해 레인징 부채널의 위상 성분의 추정치를 계산하여 상기 간섭 보상수단으로 전달하는 위상 성분 추정치 계산수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레인징 부호 검출을 위한 수신 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 성분 추정수단은,
    상기 공통 레인징 부채널의 부반송파 위치와 상기 공통 레인징 부호(CC)를 이용해 하기 수학식에 의해 위상 성분을 추정하는 것을 특징으로 하는 레인징 부호 검출을 위한 수신 장치.
    Figure 112007018680442-PAT00024
    여기서, Y(n1)은 공통 레인징 부채널의 고속 푸리에 변환 출력을, δk는 기지국 수신장치의 심볼 동기 시간과 k번째 사용자 단말기의 시간 지연 오차를 정규화한 심볼 시간 옵셋을, N은 부반송파 수를,
    Figure 112007018680442-PAT00025
    는 사용자가 선택한 레인징 부호의 주파수 응답을 각각 나타낸다.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 위상 성분 추정치 계산수단은,
    상기 위상 성분의 평균을 하기 수학식에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 레인징 부호 검출을 위한 수신 장치.
    Figure 112007018680442-PAT00026
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 위상 성분 추정치 계산수단은,
    상기 레인징 부채널의 위상 성분의 추정치를 하기 수학식에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 레인징 부호 검출을 위한 수신 장치.
    Figure 112007018680442-PAT00027
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 간섭 보상수단은,
    상기 추정된 레인징 부채널에 할당된 부반송파의 위상 성분 추정치로 각 레인징 부채널의 고속 푸리에 변환 출력값을 하기 수학식에 의해 보상하는 것을 특징으로 하는 레인징 부호 검출을 위한 수신 장치.
    Figure 112007018680442-PAT00028
    여기서, Y(n2)는 사용자에 의해 선택된 레인징 부호의 레인징 부채널에 대한 출력을, Ck(n2)는 사용자에 의해 선택된 레인징 부호를 각각 나타낸다.
  7. 직교주파수 분할 다중접속(OFDMA) 시스템에서 레인징 부호를 송신하기 위해, 사용자에 의해 선택된 초기 레인징 부호를 레인징 부채널에 할당하는 레인징 부채널 할당수단과, 상기 레인징 부채널 할당수단에 의해 할당된 레인징 부호에 대한 심볼 생성을 위한 역푸리에변환수단과, 상기 역푸리에변환수단의 출력 심볼에 CP와 CS를 추가하는 CP CS 추가수단과, 병직렬 변환수단을 포함하는 단말기의 송신장치에 있어서,
    기지국 수신장치에서 공통 레인징 부채널에 할당된 공통 레인징 부호를 이용해 다수 사용자 단말기들 간의 심볼 시간 옵셋에 의한 다중 접속 간섭(MAI) 성분을 추정하고, 상기 추정된 다중 접속 간섭 성분을 이용해 각 레인징 부채널에 대한 간섭 보상을 수행하도록 하기 위해,
    모든 사용자 단말기들이 동일하게 사용하는 상기 공통 레인징 부호를 정해진 상기 공통 레인징 부채널에 할당하여 상기 초기 레인징 부호와 함께 전송되도록 상기 역푸리에변환수단으로 제공하는 공통 부채널 할당수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레인징 부호 검출을 위한 송신 장치.
  8. 직교주파수 분할 다중접속(OFDMA) 시스템에서 단말기로부터 전송된 레인징 부호를 검출하기 위한 방법에 있어서,
    모든 사용자 단말기들이 동일하게 사용하는 공통 레인징 부호가 정해진 공통 레인징 부채널에 할당되어 사용자에 의해 선택된 초기 레인징 부호와 함께 수신되면, 고속 푸리에 변환을 수행한 후, 레인징 부채널별로 역다중화하는 제1 단계;
    상기 역다중화된 부채널 정보 중 상기 공통 레인징 부채널에 할당된 상기 공통 레인징 부호를 이용해 다수 사용자 단말기들 간의 심볼 시간 옵셋에 의한 다중 접속 간섭(MAI) 성분을 추정하는 제2 단계;
    상기 추정된 다중 접속 간섭 성분을 이용해 각 레인징 부채널에 대한 간섭 보상하는 제3 단계;
    상기 간섭 성분이 보상된 초기 레인징 심볼에 대해 기지국의 레인징 부호 집합과의 상관도를 계산하는 제4 단계; 및
    상기 상관도와 임계값을 비교하여 상기 사용자 단말기로부터 전송된 레인징 부호를 검출하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레인징 부호 검출 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    알고 있는 상기 공통 레인징 부채널의 부반송파 위치와 공통 레인징 부호(CC)에 대한 정보를 이용해 공통 레인징 부채널에 발생한 위상 성분을 추정하는 위상 성분 추정 단계; 및
    상기 추정된 공통 레인징 부채널의 위상 성분으로 부반송파 간의 위상 성분의 평균을 구하고, 상기 구한 부반송파 간의 위상 성분의 평균을 이용해 레인징 부채널의 위상 성분의 추정치를 계산하는 위상 성분 추정치 계산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레인징 부호 검출 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 위상 성분 추정 단계는,
    상기 공통 레인징 부채널의 부반송파 위치와 상기 공통 레인징 부호(CC)를 이용해 하기 수학식에 의해 위상 성분을 추정하는 것을 특징으로 하는 레인징 부호 검출 방법.
    Figure 112007018680442-PAT00029
    여기서, Y(n1)은 공통 레인징 부채널의 고속 푸리에 변환 출력을, δk는 기지국 수신장치의 심볼 동기 시간과 k번째 사용자 단말기의 시간 지연 오차를 정규화한 심볼 시간 옵셋을, N은 부반송파 수를,
    Figure 112007018680442-PAT00030
    는 사용자가 선택한 레인징 부호의 주파수 응답을 각각 나타낸다.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 위상 성분 추정치 계산 단계에서, 상기 위상 성분의 평균은, 하기 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 레인징 부호 검출 방법.
    Figure 112007018680442-PAT00031
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 위상 성분 추정치 계산 단계에서, 상기 레인징 부채널의 위상 성분의 추정치는, 하기 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 레인징 부호 검출 방법.
    Figure 112007018680442-PAT00032
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 추정된 레인징 부채널에 할당된 부반송파의 위상 성분 추정치로 각 레인징 부채널의 고속 푸리에 변환 출력값을 하기 수학식에 의해 보상하는 것을 특징으로 하는 레인징 부호 검출 방법.
    Figure 112007018680442-PAT00033
    여기서, Y(n2)는 사용자에 의해 선택된 레인징 부호의 레인징 부채널에 대한 출력을, Ck(n2)는 사용자에 의해 선택된 레인징 부호를 각각 나타낸다.
  14. 직교주파수 분할 다중접속(OFDMA) 시스템에서 단말기로부터 전송된 레인징 부호를 검출하기 위해 프로세서에서,
    모든 사용자 단말기들이 동일하게 사용하는 공통 레인징 부호가 정해진 공통 레인징 부채널에 할당되어 사용자에 의해 선택된 초기 레인징 부호와 함께 수신되면, 고속 푸리에 변환을 수행한 후, 레인징 부채널별로 역다중화하는 제1 단계;
    상기 역다중화된 부채널 정보 중 상기 공통 레인징 부채널에 할당된 상기 공통 레인징 부호를 이용해 다수 사용자 단말기들 간의 심볼 시간 옵셋에 의한 다중 접속 간섭(MAI) 성분을 추정하는 제2 단계;
    상기 추정된 다중 접속 간섭 성분을 이용해 각 레인징 부채널에 대한 간섭 보상하는 제3 단계;
    상기 간섭 성분이 보상된 초기 레인징 심볼에 대해 기지국의 레인징 부호 집합과의 상관도를 계산하는 제4 단계; 및
    상기 상관도와 임계값을 비교하여 상기 사용자 단말기로부터 전송된 레인징 부호를 검출하는 제5 단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    알고 있는 상기 공통 레인징 부채널의 부반송파 위치와 공통 레인징 부호(CC)에 대한 정보를 이용해 공통 레인징 부채널에 발생한 위상 성분을 추정하는 위상 성분 추정 단계; 및
    상기 추정된 공통 레인징 부채널의 위상 성분으로 부반송파 간의 위상 성분의 평균을 구하고, 상기 구한 부반송파 간의 위상 성분의 평균을 이용해 레인징 부채널의 위상 성분의 추정치를 계산하는 위상 성분 추정치 계산 단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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