KR20070115328A - 단일 반송파 주파수 영역 등화 시스템에서 트렐리스 부호화변조를 이용한 전송 방법 및 장치 - Google Patents

단일 반송파 주파수 영역 등화 시스템에서 트렐리스 부호화변조를 이용한 전송 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일 반송파 전송 방식을 사용하는 무선 통신 시스템에서 다이버시티 이득을 향상시킬 수 있는 전송 방법 및 장치에 대한 것으로서, 본 발명에 따른 단일 반송파-주파수 영역 등화(SC-FDE) 시스템의 송신기에서 무선 신호의 전송 방법은 전송 신호에 대해 유클리디안 거리가 최대가 되도록 트렐리스 부호화 변조(TCM)를 수행하는 과정과, 상기 TCM 처리된 전송 신호를 복수의 안테나 경로별로 각각 직교하도록 인터리빙하는 과정과, 상기 안테나 경로별 전송 신호에 각각 보호 구간 신호를 삽입하는 과정과, 상기 보호 구간 신호가 삽입된 전송 신호를 상기 무선 신호로 변환하여 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 의하면, SC-FDE 시스템에서 TCM을 이용하면서 다중 안테나 경로에 각각 구비된 인터리버를 통해 전송되는 신호의 직교성을 유지하여 다이버시티 이득을 향상시킬 수 있다.
single carrier, multiple antenna, TCM, Frequency Domain Equalization, diversity, interleaving

Description

단일 반송파 주파수 영역 등화 시스템에서 트렐리스 부호화 변조를 이용한 전송 방법 및 장치{TRANSMISSION METHOD AND APPARATUS BASED ON TRELLIS CODED MODULATION IN SINGLE CARRIER-FREQUENCY DOMAIN EQUALIZER SYSTEM}
도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 단일 반송파와 단일 안테나를 이용하는 SC-FDE 전송 방식이 적용된 무선 통신 시스템의 송신기 구성을 나타낸 블록도
도 2는 도 1에 도시된 인터리버의 동작을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 단일 반송파와 단일 안테나를 이용하는 SC-FDE 전송 방식이 적용된 무선 통신 시스템의 송신기 구성을 나타낸 블록도
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 SC-FDE 시스템에서 송신 방법을 나타낸 순서도
도 5는 도 3의 송신기 구성에 대응되는 수신기의 구성을 나타낸 블록도
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 SC-FDE 전송 방식의 성능을 종래 SC-FDE 전송 방식과 비교하여 설명한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
본 발명은 무선 통신 시스템에서 다이버시티 이득을 제공하기 위한 전송 방법 및 장치에 대한 것으로서, 특히 단일 반송파 전송 방식을 사용하는 무선 통신 시스템에서 다이버시티 이득을 향상시킬 수 있는 전송 방법 및 장치에 대한 것이다.
일반적으로 무선 통신 시스템에서 전송 방식은 반송파의 이용 형태에 따라 단일 반송파(single carrier) 전송 방식과 다중 반송파(multiple carrier) 전송 방식으로 구분할 수 있다.
상기 다중 반송파(Multiple Carrier : MC) 전송 방식의 대표적인 예로 다수의 직교하는 부반송파(sub-carrier)들을 중첩시켜 전송하는 이른바 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM) 방식이 1970년대부터 발전하기 시작하였다. 상기 OFDM 방식은 직렬로 입력되는 심벌(Symbol)열을 병렬 신호로 변환하여 이들 각각을 상호 직교성을 갖는 다수의 부반송파들을 통해 변조하여 전송하는 방식으로 다중 반송파간의 직교 변조의 구현에 어려움이 있어 실제 시스템 적용에 한계가 있었다.
그러나 1971년 Weinstein 등이 DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용하여 상기 OFDM 방식의 변복조가 효율적으로 처리 가능함을 발표하였다. 그리고 보호 구간(Guard Interval : GI)의 사용과 삽입 방식이 알려지면서 다중 경로 및 지연 확산에 대한 OFDM 방식의 부정적 영향이 더욱 감소되었으며, 하드웨어적인 복잡도(Complexity)를 해결하는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT)과 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform: IFFT)을 포함한 디지털 신호 처리 기술이 발전함으로써 OFDM 방식의 실현 가능성이 높아졌다.
상기 OFDM 방식은 주파수 사용 효율이 좋고 보호 구간을 이용하여 심벌간 간섭(Inter Symbol Interference : ISI) 영향을 줄일 수 있으며, 다중 경로 페이딩(Multi-path fading)에 강한 특성이 있다. 즉 상기 OFDM 방식에서 주파수 선택적(frequency selectivity) 채널을 협대역 서브 밴드로 구분하는 것은 다중 접속의 효율을 촉진하며, 부가적으로 무선 채널들에 있어서 전파성(dispersiveness)으로 인한 ISI를 제거한다. 그러나 상기 OFDM 방식은 다수의 부반송파 간의 중첩으로 인하여 OFDM 심볼간에 큰 최대 전력 대 평균 전력비(Peak to Average Power Ratio : PAPR) 특성으로 인한 성능 손실을 겪는다.
상기 OFDM 방식과 대비되는 전송 기술로서 단일 반송파(Single Carrier : SC) 전송 방식은 허용할 수 있는 정도의 PAPR을 가지며, 전력 증폭의 요구 범위가 적절하다. 그러나 상기 SC 전송 방식은 PAPR 특정은 좋은 반면 ISI로 인한 손실이 발생되는 단점이 있다. 비록 수신단에서 적절한 등화(equalization)를 통해 ISI를 극복할 수 있다 하더라고 SC 전송에서 ISI는 주파수 선택성을 발생시킨다. 이와 관련하여 OFDM 전송에서 주파수 선택성을 이용하도록 개발된 기술들은 ISI 재생성 처리로서 생각될 수 있다.
상기 ISI는 주파수 다이버시티를 이용할 기회를 제공할 수 있다. 그러나 종래 주파수 영역 등화(Frequency Domain Equalization : FDE)를 이용하는 SC 전송(이하, SC-FDE 전송) 방식의 경우 주파수 선택성으로부터 다이버시티 이득(diversity gain)을 충분히 제공하지 못한다는 연구 결과가 제시되어 있다. 또한 종래 SC-FDE 전송 방식에서 다이버시티 이득을 높이고자 예컨대, 공간-시간 부호화(Space-Time Block Coded : STBC) 기술을 사용하는 것을 고려할 수 있으나 이 경우 수신기의 구성이 복잡해지는 또 다른 문제점이 발생된다. 따라서 SC-FDE 전송 방식에서도 높은 다이버시티 이득을 제공하면서도 수신기의 복잡도를 간소화할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명은 단일 반송파 주파수 영역 등화 시스템에서 다이버시티 이득을 향상시킬 수 있는 트렐리스 부호화 변조를 이용한 전송 방법 및 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 단일 반송파 주파수 영역 등화 시스템에서 수신기의 복잡도를 간소화시키면서도 다이버시티 이득을 향상시킬 수 있는 트렐리스 부호화 변조를 이용한 전송 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 단일 반송파-주파수 영역 등화 시스템의 송신기에서 무선 신호의 전송 방법은 전송 신호에 대해 유클리디안 거리가 최대가 되도록 트렐리스 부호화 변조(TCM)를 수행하는 과정과, 상기 TCM 처리된 전송 신호를 복수의 안테나 경로별로 각각 직교하도록 인터리빙하는 과정과, 상기 안테나 경로별 전송 신호에 각각 보호 구간 신호를 삽입하는 과정과, 상기 보호 구간 신호가 삽입된 전송 신호를 상기 무선 신호로 변환하여 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 단일 반송파-주파수 영역 등화 시스템의 송신 장치는 전송 신호에 대해 유클리디안 거리가 최대가 되도록 트렐리스 부호화 변조(TCM)를 수행하는 TCM 부호화기와, 복수의 안테나 경로별로 입력된 상기 TCM 처리된 전송 신호가 서로 직교하도록 인터리빙하는 복수의 인터리버가 구비된 송신 모듈을 포함함을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
먼저 본 발명의 기본 개념을 설명하면, 본 발명은 공간 다이버시티(spatial diversity)를 활용할 수 있으며, 부호화 이득을 향상시키도록 다중 안테나를 위한 인터리빙과 트렐리스 부호화 변조(Trellis Coded Modulation : TCM) 기술을 접목하여 송신단을 구성하는 단일 캐리어 다중 송신 안테나 시스템을 제안한 것이다. 상기 TCM 기술은 알려진 것처럼 오류정정과 변조를 조합하여 전력과 대역폭이 제한된 무선 환경에서 전송 특성을 개선한 부호화 기술이다.
이하 설명에서 SC 전송은 SC-FDE 전송과 동일한 의미로 이해하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 단일 반송파와 단일 안테나를 이용하는 SC-FDE 전송 방식이 적용된 무선 통신 시스템의 송신기 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1의 송신기에서 TCM 부호화기(101)는 전송 데이터에 대해 오류 정정을 위한 부호화와 변조를 결합하여 수행한다. 상기 TCM 부호화기(101)에서 부호화 방식 은 컨벌루션 부호화(Convolution Coding) 방식을 이용하며, 변조 방식으로는 예컨대, BPSK(binary phase-shift keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 등을 이용할 수 있다. 송신기에서 TCM 부호화를 이용하는 경우 수신기에서는 비터비 복호화기(Viterbi decoder)를 이용함으로써 부호화 이득(coding gain)을 얻을 수 있다. 이를 위해 TCM 부호화기(101)는 최대의 유클리디안 거리(Euclidian Distance)를 갖도록 설계된다.
도 1에서 인터리버(103)는 상기 TCM 부호화기(101)를 통해 컨벌루션 부호화된 전송 데이터의 버스트 에러를 분산시킬 수 있도록 도 2와 같은 블록 인터리빙(block interleaving)을 수행한다. 도 2에서 L은 다중 경로의 수, N은 전송 심볼의 블록 사이즈, P는 인터리버의 사이즈를 의미한다. 도 2에서 인터리버(103)의 컬럼(column) 수는 상기 다중 경로의 수 L 보다 큰 값을 갖는다. 도 2에서 인터리빙 방식을 설명하면, 전송 데이터의 쓰기(입력)은 가로 방향으로 읽기(출력)은 세로 방향으로 하게 된다. 그리고 CP 삽입기(105)는 상기 인터리빙된 전송 데이터에 보호 구간 신호로서 CP를 삽입하고, CP가 삽입된 전송 신호는 RF(Radio Frequency) 처리기(107)를 통해 주파수 상향 변환되어 안테나(109)를 통해 무선 채널로 전송된다.
이하에서는 두 개의 송신 안테나와 하나의 수신 안테나를 사용하는 SC-FDE 시스템을 가정하여 본 발명의 실시 예를 설명하기로 한다.
도 3는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 단일 반송파와 다중 안테나를 이용하는 SC-FDE 전송 방식이 적용된 무선 통신 시스템의 송신기 구성을 나타낸 블록도로 서, 이는 도 1의 송신기 구성에서 두 개의 송신 안테나를 적용한 예이다. 본 실시 예에서는 편의상 두 개의 송신 안테나를 가정하였으나 둘 이상의 송신 안테나를 사용하는 것도 가능하다.
도 3에서 송신기에서 TCM 부호화기(301)는 전송 데이터에 대해 오류 정정을 위한 부호화와 변조를 결합하여 수행한다. 상기 TCM 부호화기(301)는 도 1의 TCM 부호화기(101)와 동일한 동작을 수행한다. 따라서 도 3의 송신기에 대응되는 후술할 도 5의 수신기에서는 비터비 복호화기(Viterbi decoder)를 이용함으로써 부호화 이득(coding gain)을 얻을 수 있으며, 상기 TCM 부호화기(301)는 오류 벡터(error vector)의 부호화 이득이 최대의 유클리디안 거리(Euclidian Distance)를 갖도록 설계된다.
도 3에서 상기 TCM 부호화기(301)는 안테나 경로별로 인터리버(313, 333)가 포함된 복수의 송신 모듈(310, 330)을 구비한다.
본 실시 예에서는 송신 안테나가 두 개인 경우를 가정하였으므로 이하 설명에서는 편의상 TCM 부호화된 신호가 두 개의 인터리버(313, 333)를 통해 인터리빙되어 전송되는 과정을 설명하기로 한다. 여기서 상기 두 개의 인터리버(313, 333)는 모두 컬럼(column) 수가 다중 경로의 수 L 보다 큰 값을 갖지만 그 컬럼 수는 서로 다르게 설정된다. 그리고 상기 두 개의 인터리버(313, 333)를 통해 인터리빙된 전송 신호는 거의 직교하게 된다.
즉 송신 모듈(310)로 입력된 TCM 부호화기(301)의 출력 신호는 인터리버(313)을 통해 인터리빙되어 CP 삽입기(315)에서 보호 구간 신호로 CP가 삽입된 후, RF 처리기(317)을 통해 주파수 상향 변환되어 안테나(319)를 통해 무선 신호로 송출된다. 동일한 방식으로 다른 송신 모듈(330)로 입력된 TCM 부호화기(301)의 출력 신호는 다른 인터리버(333)을 통해 인터리빙된 후, CP 삽입기(335), RF 처리기(337) 및 안테나(339)를 경유하여 무선 신호로 송출되며, 송신 전력은 두 개의 송신 안테나(319, 339)로 분배된다.
이하 도 4를 참조하여 도 3의 구성을 갖는 SC-FDE 시스템의 송신 방법을 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 SC-FDE 시스템에서 송신 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저 401 단계에서 도 3의 TCM 부호화기(301)는 전송 신호가 입력된 경우 그 유클리디안 거리가 최대가 되도록 TCM 부호화를 수행한다. 그리고 403 단계에서 각 송신 모듈(310, 330)의 인터리버(313, 333)는 서로 다른 안테나 경로상에서 전송 신호가 서로 직교하도록 인터리빙을 수행한다. 이때 인터리버(313, 333)의 컬럼 수는 다중경로 길이(L) 이상이며, 그 컬럼 수는 바람직하게 서로 다르게 설정된다. 그리고 이와 같은 인터리버 조건에서 신호의 전송 패턴은 안테나의 개수 만큼 반복된다. 405 단계에서 각 송신 모듈(310, 330)은 각 안테나 경로별 전송 신호로 보호 구간 신호로서 CP를 삽입하고, 407 단계에서 RF 처리기(317, 337)는 보호 구간 신호가 삽입된 안테나 경로별 신호를 주파수 상향 변환하여 무선 신호로 전송한다.
도 5는 도 3의 송신기 구성에 대응되는 수신기의 구성을 나타낸 블록도로서, 이는 하나의 수신 안테나를 사용한 경우를 가정한 것이다.
도 5에서 안테나(501)를 통해 수신된 신호는 RF 처리기(503)를 통해 주파수 하향 변환되어 기저 대역 신호로 출력된다. 그리고 CP 제거기(505)는 수신 신호로부터 보호 구간 신호 즉, CP를 제거하고, 등화기(Equalizer)(507)는 수신 신호로부터 간섭 신호를 제거한다. 간섭 신호가 제거된 수신 신호는 비터비 복호화기(Viterbi Decoder)(509)를 원래 신호로 복원된다. 도 5의 수신기 구성에서 상기 비터비 복호화기(509)는 도 3의 송신기 구성에서 TCM 부호화기(301)가 구비됨에 따라 구비된 것으로 이는 소프트(soft) 디코딩과 하드(hard) 디코딩을 모두 포함한다.
이하 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 SC-FDE 전송 방식의 성능 시뮬레이션 결과를 종래 SC-FDE 전송 방식과 비교하여 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 SC-FDE 전송 방식에서 TCM 부호화와 인터리빙을 수행한 경우와 그렇지 않은 경우 수신기에서 성능 실험 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
도 6의 시뮬레이션에서 TCM은 QPSK 변조를 이용하였고, 송신기의 TCM 부호화기에 대해 수신기에 구비되는 비터디 복호화기의 전단에 MMSE(Minimum Mean Square Error) 등화기를 사용한 경우(참조부호 a, b, c) ZF(Zero Focing) 등화기를 사용한 경우 보다 좋은 BER(Bit Error Rate)를 보임을 알 수 있었다. 그리고 MMSE 등화기를 사용한 경우는 송신단에서 TCM 부호화만 수행한 경우(참조번호 b) 보다 TCM 부호화와 인터리빙을 함께 수행한 경우에(참조번호 c) 보다 향상된 BER 성능을 보임을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 SC-FDE 전송 방식에서 송신기에 단일 안테나를 사용한 경우와 다중 안테나를 사용한 경우를 구분하여 수신기에서 성능 실험 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
도 7을 살펴보면, 송신기에서 TCM과 인터리빙을 사용한 경우(Coded)와 그렇지 않은 경우로 구분하여 단일 안테나를 사용한 경우(A, B) 보다는 다중 안테나를 사용한 경우(C, D)에 수신기에서 보다 좋은 BER 성능을 보임을 알 수 있다. TCM을 사용한 경우 2dB 정도의 성능 향상이 있으며, 인터리빙을 함께 사용한 경우 부가적으로 0.5dB 정도의 성능 향상이 있음을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, SC-FDE 시스템에서 TCM을 이용하면서 다중 안테나 경로 상에 각각 구비된 인터리버를 통해 전송되는 신호의 직교성을 유지하는 방식으로 다이버시티 이득을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, SC-FDE 시스템에서 수신기의 복잡도를 간소화시키면서도 다이버시티 이득을 향상시킬 수 있는 TCM과 인터리빙을 결합한 방식의 전송 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 단일 반송파-주파수 영역 등화 시스템의 송신기에서 무선 신호의 전송 방법에 있어서,
    전송 신호에 대해 유클리디안 거리가 최대가 되도록 트렐리스 부호화 변조(TCM)를 수행하는 과정과,
    상기 TCM 처리된 전송 신호를 복수의 안테나 경로별로 각각 직교하도록 인터리빙하는 과정과,
    상기 안테나 경로별 전송 신호에 각각 보호 구간 신호를 삽입하는 과정과,
    상기 보호 구간 신호가 삽입된 전송 신호를 상기 무선 신호로 변환하여 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 무선 신호의 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터리버의 컬럼 수는 상기 안테나 경로별로 서로 다르게 설정됨을 특징으로 하는 무선 신호의 전송 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 인터리버의 컬럼 수는 다중 경로의 길이 이상이 되도록 설정됨을 특징 으로 하는 무선 신호의 전송 방법.
  4. 단일 반송파-주파수 영역 등화 시스템의 송신 장치에 있어서,
    전송 신호에 대해 유클리디안 거리가 최대가 되도록 트렐리스 부호화 변조(TCM)를 수행하는 TCM 부호화기와,
    복수의 안테나 경로별로 입력된 상기 TCM 처리된 전송 신호가 서로 직교하도록 인터리빙하는 복수의 인터리버가 구비된 송신 모듈을 포함함을 특징으로 하는 송신 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 송신 모듈은
    상기 안테나 경로별 전송 신호에 각각 보호 구간 신호를 삽입하는 보호 구간 삽입기를 포함함을 특징으로 하는 송신 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터리버의 컬럼 수는 상기 안테나 경로별로 서로 다르게 설정됨을 특징으로 하는 송신 장치.
  7. 제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 인터리버의 컬럼 수는 다중 경로의 길이 이상이 되도록 설정됨을 특징으로 하는 송신 장치.
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