KR20080052256A - 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 ｐａｐｒ감소를 위한송신장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 송신장치가 가지는 PAPR(Peak to Average Power Ratio) 현상을 극복하기 위한 송신장치 및 그 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명에서는 직교 주파수 분할 다중화 시스템의 송신신호 처리 방법에 있어서 시간 영역 신호에 대해서는 클리핑을 사용하여 원하는 PAPR을 갖는 신호를 발생시키고 이로 인해 발생하는 대역내 왜곡 (in-band distortion)과 대역외 왜곡 (out-of-band distortion)을 주파수 영역에서 클리핑과 필터링을 사용하여 감소시킨다. 이때, 대역내 왜곡은 성상도 오차를 초래하므로 이 오차는 성상도의 오차 벡터 크기 (error vector magnitude: EVM)에 의해서 정해지는 오차 한계내로 제한하는 주파수 영역 클리핑을 수행하고, 대역외 왜곡은 강제적으로 대역외 밴드에 영을 삽입함으로써 제거한다. 이러한 방식의 PAPR 감소기법을 통해 기존의 수신기 구조를 그대로 사용할 수 있으며 계산량이나 구현 방법이 간단하게 된다.

무선 시스템, PAPR, 성상도, 최적화 기법

Description

직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 ＰＡＰＲ감소를 위한 송신장치 및 방법{METHOD FOR REDUCTION OF PEAK TO AVERAGE POWER RATIO AT ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING SYSTEM}

도 1은 종래 기술에 따른 PAPR 감소기법을 사용하는 OFDM 송신단 구조 예시도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 PAPR 감소기법을 사용하는 OFDM 송신단 구조 예시도,

도 3a 내지도 3f는 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 시스템의 송신신호 실험 결과 그래프 예시도.

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM) 시스템에 관한 것으로, 직교 주파수 분할 다중화 시스템의 송신장치가 가지는 PAPR 현상을 극복하기 위한 송신장치 및 그 방법에 관한 것이다.

직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM) 통신 시스템은 단일 반송파 시스템에 비해 우수한 장점들을 가지고 있지만 복소 가우시안 분포 형태의 출력 샘플들은 높은 PAPR을 발생시키는 특징을 가지고 있다. 이러한 신호의 높은 첨두값으로 인한 비선형 왜곡을 피하기 위하여 일반적으로 송신기에서는 상당한 크기의 백오프 (back-off)를 사용하여야 한다. 이로 인하여 증폭기의 출력이 낮아지며 또한 효율이 감소한다. 즉, 기존의 코드 분할 다중화 방식에서는 송신기의 선형 구간을 확장시키는 백오프 방법을 사용하였으나 PAPR이 큰 OFDM 시스템의 경우에는 송신 전력 증폭기의 선형성 확보에 어려움이 있어 이를 적용하기 어렵다.

이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 PAPR 감소기법들이 제안되었는데, 큰 PAPR을 발생시키는 주된 원인은 심볼이 부채널들에서 일렬로 위상이 정렬되면서 시간 영역상의 신호에서 최대값을 초래한다. 이미 알려진 데이터 스크램블링이나 위상 최적화등의 위상 조작 방법들을 통해 이러한 문제를 완화시킬 수 있지만 이러한 기술들은 많은 부가적인 정보의 전송을 필요로 한다. 따라서 기존의 수신기 구조도 변경되어야 하는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 PAPR 현상을 감소시키는 송신장치 및 송신신호 처리 방법을 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 직교 주파수 분할 다중화 통신 시스템에서 송신신호의 PAPR을 줄이는 송신장치로서, 입력되는 데이터 스트림을 역 퓨리어 변환하여 시간 영역 데이터 스트림을 생성하는 역퓨리어 변환기와, 상기 역퓨 리어 변환기에서 생성된 상기 시간 영역 데이터 스트림을 미리 시간 영역 신호의 특성에 의해 결정된 클리핑 레벨로 클리핑하는 시간 영역 클리핑부와, 상기 시간 영역에서 클리핑된 신호를 퓨리어 변환하는 퓨리어 변환기와, 상기 퓨리어 변환된 신호를 주파수 영역에서 클리핑하는 주파수 영역 클리핑부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 직교 주파수 분할 다중화 통신 시스템에서 송신신호의 PAPR을 줄이는 송신신호 처리방법으로서, (a)입력되는 데이터 스트림을 역퓨리어 변환하여 시간 영역 데이터 스트림을 생성하는 단계와, (b)상기 시간 영역 데이터 스트림을 시간 영역에서 적정한 클리핑 레벨에 의해 신호를 클리핑하는 단계와, (c)상기 시간 영역에서 클리핑된 신호를 퓨리어 변환하여 주파수 영역에서 클리핑하는 단계와, (d)상기 주파수 영역에서 클리핑된 신호를 역퓨리어 변환하여 시간 영역의 송신신호로 재생성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 먼저 PAPR 감소 문제를 최적화 문제로 표현하고 기존의 최적화 해법이 갖는 높은 복잡도를 해결하기 위하여 클리핑 기반의 준최적화 방법을 개발하였다. 이 방법은 시간 영역 신호에 대하여 클리핑을 사용하여 원하는 PAPR을 갖는 신호를 발생시키고 이로 인해 발생하는 대역내 왜곡과 대역외 왜곡을 주파수 영역에서 클리핑과 필터링을 사용하여 감소시킨다. 대역내 왜곡은 성상도 오차를 초래하므로 이 오차는 성상도의 오차 벡터 크기에 의해서 정해지는 오차 한계 내로 제한하는 주파수 영역 클리핑을 적용한다. 대역외 왜곡은 강제적으로 대역외 밴드 에 영을 삽입함으로써 제거한다. 이러한 방식의 PAPR 감소기법은 기존의 수신기 구조를 그대로 사용할 수 있으며 계산량이나 구현 방법이 간단하게 된다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

도 1은 종래 기술에 따른 PAPR 감소기법을 사용하는 OFDM 송신단의 구조를 도시한 것으로, 종래 OFDM 송신단은 블록 엔코더(101), QAM엔코더(102), 직렬/병렬 변환기(103), PAPR 저감기(104), 역퓨리어 변환기(105), 병렬/직렬 변환기(106) 등으로 구성된다.

동작을 살펴보면, 위 도 1에 도시된 바와 같이, 입력되는 비트 스트림은 블록 인코드를 통과하고, 변조기를 거친 후 주파수 영역에서 PAPR 감소기법이 적용된 PAPR 저감기를 통과한다. 이때 사용되는 PAPR 저감기법은 데이터 스크램블링이나 위상 최적화등의 위상 조작 방법이 사용될 수 있다.

그러나, 위와 같은 종래 OFDM 송신단에서의 PAPR 저감기법은 스크램블링이나 위상 최적화 등의 위상 조작 방법들을 통해 PAPR 현상문제를 완화시킬 수 있지만 많은 부가적인 정보의 전송을 필요로 하여 기존의 수신기 구조가 변경되어야 하는 문제점이 있었음은 전술한 바와 같다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 PAPR 감소기법을 사용하는 OFDM 송신단의 구성도를 도시한 것이다.

위 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 전송해야 할 OFDM 심볼에 대하여 과표본화율

로 과표본화하고 IFFT를 수행하여 시간 영역 신호를 만든다. 이 신호에 대하여 클리핑 레벨로 시간 영역에서 클리핑을 수행하고 이를 퓨리어 변환하여 주파수 영역 신호로 다시 변환한다. 이 변환된 OFDM 심볼의 성상도 왜곡 중에서 허용 오차

를 넘는 것에 대하여 주파수 영역에서 클리핑을 적용하여 왜곡된 주파수 영역 OFDM 심볼을 만들고 이를 역퓨리어 변환하여 전송한다.

상기의 과정을 수학식을 통해 설명하면, OFDM 신호는 인접한 부반송파들 사이가 주파수 간격이 1/T로 동일한 대역폭을 갖는 부채널들의 변조된 N개의 독립적인 직교 크기 변조 신호들의 합이며 여기서 T는 시간 영역에서의 OFDM 심볼 간격을 의미한다. 입력 비트열은 M-QAM 심볼들로 맵핑되어 복소 심볼 벡터

을 구성한다. 이러한 복소 심볼 벡터는 다시 역퓨리어 변환 과정을 통하여 이산시간 신호

로 변환된다.

실제 시스템에서는 OFDM 심볼

에 대하여

배의 과표본화와 더불어 역 퓨리 어 변환을 수행하여 이산시간 신호

를 만든다. 주어진 OFDM 심볼의 성상도

에 대하여 다음의 평균 오차 벡터 크기(EVM)의 제한을 충족하는 성상도

을 고려할 수 있다.

위 식에서 정규화 인자

는 BPSK, QAM, 16QAM, 64QAM과 같은 성상도

에서 사용되는 반송파 변조 방식의 평균 전력을 나타낸다.

는 OFDM 심볼을 전송하는 부반송파의 개수를 나타낸다.

는 성상도의 복잡도, 오류정정 코드의 성능정도, 데이터 전송율에 의하여 결정되며, 전송 신호가

의 제한을 만족한다면 수신기는 데이터를 정확하게 복조할 수 있다. 수식의 표현을 좀 더 간단히 하기 위해 다음과 같은 성상도 오차 계수

을 다음과 같이 정의한다.

성상도

을 특정 OFDM 성상도의 하나라고 가정하면, 본 발명에서 PAPR 최소화 문제는 이 주어진

에 대하여 EVM 제한을 만족하는 성상도들

중에서 PAPR을 최소화하는 성상도를 찾는 문제이다. 즉 시간 영역에서의 첨두값을 최소화함과 동시에 데이터의 평균전력을 제한 범위 내에서 유지하면서 PAPR을 최적화한다. 따라서 PAPR 최소화는 이차 콘 프로그램(second-order cone program : SOCP)으로 알려진 convex 최적화 문제로서 다음과 같이 나타낼 수 있다.

상기 [수학식 4]에서 행렬

는 대각 행렬로

번째 부반송파가 정보를 전송하는 경우

는 1이며 그렇지 않은 경우

=0이다. 주어진 대역외의 반송파들은 과표본화 역퓨리어 변환에 의해서 강제로 영이 된다. 상기 [수학식 4]는 항상 최적의 해

를 갖는다. 이 최적의 해는 기존의 알려진 알고리즘들을 사용하여 구할 수 있다. 상기 [수학식 4]의 해를 구하는 방법은 반복 연산을 사용하여야 한다. 따라서 상기 [수학식 4]의 해를 구하는 알고리즘의 복잡도는 반복 연 산의 횟수에 비례한다.

상기 [수학식 4]를 만족하는 최적의 성상도

은 주어진 OFDM 심볼의 성상도

에 대하여 PAPR을 최소화하는 동시에

은

제한을 만족하므로 추가적인 정보 (side information)의 전송을 필요로 하지 않는다. 따라서 기존의 수신기를 사용하여 배경잡음이 없는 경우 오류없이 복조할 수 있는 장점을 갖는다.

본 발명에서는 상기 [수학식 4]의 PAPR 감소 문제를 해결함에 있어서 계산의 복잡도를 낮추면서 PAPR을 최소화하는 준최적의 방법을 사용한다. 준최적의 감소 기법은 [수학식 4]에서 찾은 최적의 최소 PAPR 보다는 높지만 원래 신호의 PAPR 보다 낮으며, 찾는 과정이 최적의 해를 찾는 방법보다 상대적으로 간단하여 계산의 복잡도를 낮출 수 있는 방법을 의미한다. [수학식 4]에서 성상도 오차

를 다음과 같이 정의한다.

시간 영역의 원래 신호

와 PAPR이 감소된 신호

과의 관계는 다음과 같이 표현할 수 있다.

위 식에서 나타난 것처럼 PAPR이 감소된 시간 영역 신호

과 원래 신호

와의 오차에 대한 FFT가 성상도 오차

를 나타낸다. 여기서 PAPR이 감소된 시간 영역 신호

을 찾아내는 것이 우선 해결해야 할 문제이다. 가장 쉽게 PAPR을 낮추는 방법으로는 원래 신호

에서 첨두값들을 특정 PAPR이 되도록 클리핑 시키는 방법이다. 이 경우 클리핑은 신호의 대역내와 대역외 왜곡을 초래하여 비트오율과 스펙트럼의 재성장 (regrowth)을 초래한다. 본 발명에서는 이러한 점을 개선하고

을 만족하는 성상도의 오차

를 만들기 위하여

에 대하여 FFT을 적용하여 이중에서 성상도 오차가 허용

범위를 벗어나는 오차 성분이

번째 반송파 성분에서 발생한 것을

라고 하면

범위 내로 들어가게 스케일링한다. 즉 허용

을 벗어나는 오차 성분

에 대하여 다음과 같이 클리핑을 수행한다.

이러한 클리핑을 주파수 영역 클리핑이라 하고 이를 통하여 얻어진 새로운 오차 성분을

라고 하면 이것은 다음 조건을 만족한다.

이 경우 배경잡음이 없는 경우 수신 단에서는 오류 없이 복조 할 수 있다.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시 예에 따른 모의 실험 결과를 도시한 것이다.

도 3a는 4QAM에 대하여 시간영역 전송신호

와 원신호

의 진폭 (amplitude)을 비교하고 있다. 본 실험에서는 64개의 반송파에 대하여 데이터가 변조된 반송파의 수가 64인 경우에 대하여 QAM 변조를 사용하였다. 클리핑되는 경우 일반적으로 첨두값들이 일정한 값을 유지하지만 본 발명에서 제안하는 방법은 비록 클리핑을 사용하지만 주파수 영역에서 오차신호에 대하여 심볼의 결정경계 내에 있도록 성상도 오차 제한

를 사용하여 주파수 영역 클리핑 적용하므로 시간 영역 파형의 첨두값이 균일하지 않다. 여기서는 심볼간 최소 거리의 20%에 해당하는 범위

를 허용 오차 범위로 설정하였다. 도 3에 원신호

의 PAPR은 9.8dB 이었으며 제안된 방법으로 만든 전송신호

의 PAPR은 5.0dB로 약 4.8 dB를 개선하였다. 여기서 사용된 클리핑 레벨은 5dB이다.

도 3b는 도 3a의 파형에서 사용된 4QAM OFDM 심볼의 성상도를 보여주고 있다. 도 3b에서 원은 QAM 심볼의 위치를 나타내며 x는 전송하기 위하여 허용 오차 범위에서 왜곡된 성상도를 나타낸다. 잡음이 없이 전송하는 경우 왜곡된 심볼이 결정경계 내에 있기 때문에 비트오율이 영이다.

도 3c는 QAM에 대하여 N=64개의 반송파에 대하여 데이터가 변조되는 반송파의 수가 64인 경우에 대하여 클리핑 레벨을 9dB에서 3dB까지 변화시키며 실제 전송되는 신호

의 PAPR에 대하여 다음과 같이 정의되는 누적분포도를 측정하였다.

이때 사용된 허용 오차범위

는 심볼 간의 최소거리의 50%

에 대하여 수행하였으며 반복회수는 1회만 적용하였다. 도 3c에 나타난 것처럼 QAM 방식은 클리핑 레벨이 낮아지면서 PAPR이 개선되는 것을 관측할 수 있다.

도 3d는 허용되는 오차

를 심볼간 최소거리의 50%, 30%, 20%로 설정하였을 때 AWGN 채널에서 신호대잡음비에 따른 비트오율을 측정하였다. 이 실험에서는 클리핑 레벨을 7dB로 설정하였으며 반복회수는 1회로 제한하였다. QAM의 경우

의 값에 영향을 받지 않고 원신호와 제안된 방법으로 PAPR이 감소한 신호간에 비슷한 비트오율을 보여주고 있다. 이것은 QAM 심볼의 결정경계가 넓기 때문에 허용 오차 범위

의 영향을 받지 않는 것으로 나타나고 있다.

반면 도 3e에 도시된 64QAM 의 경우 낮은 신호대잡음비에서는

의 변화에 대한 영향이 나타나지 않다가 잡음의 영향이 적은 경우에서

가 클수록 비트오율의 성능이 악화되는 것으로 나타나고 있다. 이것은 변조 레벨이 증가함에 따라 상대적으로 결정경계가 작아지기 때문에 PAPR을 낮추기 위하여 추가된 성상도 오차 성분들이 작은 잡음에 대해서도 영향을 받아 비트오율을 초래하기 때문이다.

도 3f는 QAM에 대하여 클리핑 레벨 3dB를 적용하였으며

는 20%를 사용하였고, 반복횟수로 1, 2, 4, 8, 16회를 적용한 결과와 원신호의 PAPR 누적분포도를 도시하였다. 도시된 것처럼 1회 반복에서 PAPR의 개선이 두드러지게 나타나며 2회 반복 이후부터는 PAPR의 개선이 그다지 크게 나타나지 않는다.

도면과 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 직교 주파수 분할 시스템에서 송신신호의 처리에 있어서, 종래 송신신호에서 발생하는 PAPR 현상 감소를 위해 PAPR 감소 문제를 주어진 성상도 오차 범위의 제한을 만족시키면서 첨두값을 최소화하는 최적화 문제로 보고 최적의 해를 찾는데 있어서 소요되는 시간 또는 복잡도를 낮출 수 있는 새로운 PAPR 감소기법을 통해 송신신호를 처리함으로써, 기존의 수신기 구조를 그대로 사용할 수 있으며 계산량이나 구현 방법이 간단하게 되는 이점이 있다.

Claims (7)

1. 직교 주파수 분할 다중화 통신 시스템에서 송신신호의 PAPR을 줄이는 송신장치로서,

   입력되는 데이터 스트림을 역퓨리어 변환하여 시간 영역 데이터 스트림을 생성하는 역퓨리어 변환기와,

   상기 역퓨리어 변환기에서 생성된 상기 시간 영역 데이터 스트림을 미리 시간영역 신호의 특성에 의해 결정된 클리핑 레벨로 클리핑하는 시간 영역 클리핑부와,

   상기 시간 영역에서 클리핑된 신호를 퓨리어 변환하는 퓨리어 변환기와,

   상기 퓨리어 변환된 신호를 주파수 영역에서 클리핑하는 주파수 영역 클리핑부

   를 포함하는 직교 주파수 분할 다중화 통신 시스템에서 송신장치
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 역퓨리어 변환기는,

   상기 입력되는 데이터 스트림의 OFDM 심볼에 대하여 과표본화율로 과표본화하고 역퓨리어 변환을 수행하여 시간영역 데이터 스트림을 생성하는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중화 통신 시스템에서 송신장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 주파수 영역 클리핑부는,

   상기 시간 영역 클리핑부를 통해 생성된 신호의 대역내 성상도 오차 성분을 성상도의 오차 벡터 크기에 의해서 정해지는 오차 한계내로 제한하는 주파수 영역에서 클리핑을 수행하고, 대역외 신호의 왜곡 성분은 주파수 영역에서 "0"을 삽입하여 제거시키는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중화 통신 시스템에서 송신장치.
4. 직교 주파수 분할 다중화 통신 시스템에서 송신신호의 PAPR을 줄이는 송신신호 처리방법으로서,

   (a)입력되는 데이터 스트림을 역퓨리어 변환하여 시간 영역 데이터 스트림을 생성하는 단계와,

   (b)상기 시간 영역 데이터 스트림을 시간 영역에서 적정한 클리핑 레벨에 의해 신호를 클리핑하는 단계와,

   (c)상기 시간 영역에서 클리핑된 신호를 퓨리어 변환하여 주파수 영역에서 클리핑하는 단계와,

   (d)상기 주파수 영역에서 클리핑된 신호를 역퓨리어 변환하여 시간 영역의 송신신호로 재 생성시키는 단계

   를 포함하는 직교 주파수 분할 다중화 통신 시스템에서 송신신호 처리 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 (b)단계는,

   (b1)상기 입력되는 데이터 스트림의 OFDM 심볼에 대하여 과표본화율로 과표본화하고 역퓨리어 변환을 수행하여 시간 영역 데이터 스트림을 생성하는 단계와,

   (b2)시간 영역에서 신호의 클리핑은 클리핑 레벨을 미리 신호의 특성에 의해 결정한 후 일정한 클리핑 레벨로 시간 영역의 신호를 클리핑하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중화 통신 시스템에서 송신신호 처리 방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 (c)단계는,

   (c1)상기 시간 영역 클리핑 후 생성된 신호의 대역내 성상도 오차 성분을 성상도의 오차 벡터 크기에 의해서 정해지는 오차 한계내로 제한하는 주파수 영역 클리핑을 수행하는 단계와,

   (c2)대역외 신호의 왜곡 성분은 주파수 영역에서 "0"영을 삽입하여 제거하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중화 통신 시스템에서 송신신호 처리 방법.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 (d)단계에서 주파수 영역에서 클리핑된 신호에 대한 역퓨리어 변환 후, 상기 (a)∼(d)단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중화 통신 시스템에서 송신신호 처리 방법.

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