KR20090074459A

KR20090074459A - 적응적 톤 예약 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20090074459A
Application number: KR1020080000252A
Authority: KR
Inventors: 노종선; 신동준; 임대운; 노형석; 허석중
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2008-01-02
Filing date: 2008-01-02
Publication date: 2009-07-07
Also published as: KR100909694B1

Abstract

본 발명은 적응적 톤 예약 장치 및 방법에 대하여 개시한다. 본 발명은 시간영역 OFDM 데이터 심볼을 입력받아 제1 PRT 집합을 사용한 톤 예약 기법을 적용하고, 상기 기법 적용으로 OFDM 신호의 첨두치를 제한하여 최대 전력 대 평균 전력비를 개선하는 제1 톤 예약 기법 제공부; 상기 제1 톤 예약 기법 제공부 출력 신호의 최대 전력 대 평균 전력비가 목표 임계치 이하인지를 비교하는 임계치 비교부; 상기 비교결과 목표 임계치 이하이면, 이를 전송하는 전송부; 상기 비교결과 목표 임계치 이상이면, 제2 PRT 집합을 사용한 톤 예약 기법을 재적용하여 최대 전력 대 평균 전력비를 재개선하는 제2 톤 예약 기법 제공부를 포함하고, 상기 제2 톤 예약 기법 제공부 출력은 상기 전송부를 통해 전송되는 점에 그 특징이 있다.

본 발명은 톤 예약 기법 적용시 적응적으로 PRT 집합을 적용함으로써 효율적이면서 유연한 PAPR 감소 성능을 제공하는 효과가 있다.

OFDM, 톤 예약 기법, 최대 전력 대 평균 전력비, PRT

Description

적응적 톤 예약 장치 및 방법 { Providing Apparatus of Adaptive Tone Reservation technique and Method thereof }

본 발명은 적응적 톤 예약 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 OFDM 신호의 PAPR 값에 따라 적응적 크기의 PRT 집합을 사용하고, 적응적 임계치를 적용하여 PAPR 감소에 효율적인 적응적 톤 예약 장치 및 방법에 관한 것이다.

단일 반송파 시스템에 비해 다중 반송파 시스템은 주파수 선택적 채널에서 더 좋은 성능을 보인다고 알려져 있으나, 일반적인 주파수 분할 다중화 방법 사용시에는 시스템 성능은 개선되나, 주파수 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

그런데, 직교 주파수 분할 다중 반송파(Orthogonal Frequency Division Multiplexing 이하, OFDM) 시스템은 주파수 효율이 높으면서도 다중 경로 페이딩 환경에서 효율적인 고속 데이터 전송이 가능하기 때문에 차세대 무선 통신 시스템 표준으로 각광받고 있다.

상세하게는, OFDM 시스템은 부반송파들 사이의 간격이 심볼 주기

의 역수 값의 정수 배가 되게 하여 부반송파 간 직교성을 유지함으로써, 부반송파간의 간섭을 방지하고 주파수 효율을 최대화한다.

그리고, OFDM의 시스템은 사용하는 주파수 대역을 다수의 부채널(sub-channel)로 나누고, 각 부채널 해당 부반송파(sub-carrier)에 데이터를 실어서 병렬로 전송하며, 송신기는 다수의 부채널을 역고속푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform 이하, IFFT)하고, 수신기는 이를 고속푸리에 변환(Fast Fourier Transform 이하, FFT)하는 신호처리를 한다.

OFDM 시스템에서 주파수 스펙트럼은 각 부반송파들의 합으로 나타낼 수 있다.

개의 부반송파를 사용하는 OFDM 시스템에서는 입력 심볼 시퀀스

에 대한 이산 시간

에서의 OFDM 송신 신호 시퀀스

는 다음 수학식 1과 같이 표현된다.

OFDM 시스템의 송신 신호는 주파수 스펙트럼을 IFFT 하여 나타나는 부채널 신호의 합으로 이루어지는데, 부채널 신호가 동위상을 갖는 경우 순시 파워가 매우 커질 수 있어 최대 순시 파워 대 평균 파워 비(Peak to Average Power Ratio 이하, PAPR)를 계산하여 순시 파워의 정도를 판단한다.

OFDM 신호

에 대한 PAPR은 다음 수학식 2에 의해 산출된다.

여기서,

는

의 기대 값 (expected value)을 의미하고,

는 심볼의 주기이다.

그런데, OFDM 시스템은 단일 반송파(Single Carrier) 변조방식에 비해 최대

배까지 PAPR이 커질 수 있어 PAPR에 의해 고전력 증폭기(High Power Amplifier 이하 HPA)에서 비선형 왜곡이 발생하고, 이로 인해 대역 내 왜곡(In-Band Distortion)과 대역 외 방사(Out of Band Radiation)가 발생할 수 있다.

그렇다고, 이러한 문제점을 줄이기 위해서 고전력 증폭기를 선형 구간에서만 동작시키면, 고전력 증폭기의 효율이 매우 감소한다는 문제가 있다.

최근에는 OFDM 신호의 PAPR을 줄임으로써 PAPR 관련한 문제를 줄이기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 종래기술에 따른 PAPR 감소 기법으로 신호의 크기를 제한하여 OFDM 신호의 PAPR을 정해진 임계값 이하로 줄이는 클리핑(clipping) 기법이 널리 상용화되어 사용되고 있으나, 이 기법은 대역 내 왜곡과 대역 외 방사가 잔존한다는 문제가 있다.

종래기술에 따른 다른 PAPR 감소 기법인 선택 사상 기법(select mapping)은 입력 데이터 심볼 시퀀스에 여러 가지 위상 시퀀스를 곱해서 서로 다른 입력 데이터 심볼 시퀀스를 생성하고 이 중 가장 낮은 PAPR을 갖는 심볼 시퀀스를 선택하여 전송하는 기법이다. 선택 사상 기법은 위상 시퀀스의 생성 방법에 따라 PAPR 감소성능에 많이 차이가 있고, 위상 시퀀스의 수만큼 IFFT 연산량이 증가해서 계산 복잡도가 커지며, 일정 수준 이상 PAPR의 감소는 불가능하다는 단점이 있다.

종래기술에 따른 또 다른 PAPR 감소 기법인 부분전송시퀀스기법(partial transmit sequence)은 다음 수학식 3와 같이 입력 심볼 시퀀스

를 겹치지 않는

개의 부심볼 시퀀스(sub-symbol sequence)

로 나눈 다음, 다음 수학식 4와 같이 각각의 부심볼 시퀀스들을 IFFT하여 신호를 생성하여 각 신호에 해당 위상 인자

(rotating Factor)를 곱하여 OFDM 신호들을 모두 더한 다음 수학식 4로 표현되는

를 전송한다.

이때, 송신기는 PAPR을 최소화시키는 위상 인자의 색인을 함께 보내어 수신기가 원래의 심볼 시퀀스

를 복원할 수 있게 한다.

한편, 부분전송시퀀스기법에서 위상 인자 는 OFDM 신호

의 PAPR이 최소가 되는 것을 찾아서 적용하나, 계산상 편의를 위해

과

값을 사용하는 것이 일반적이다.

그런데, 부분전송시퀀스기법은 선택사상기법에 비하여 IFFT 연산량이 적긴 하지만, 색인 전송을 위해서 많은 심볼을 사용한다는 단점이 있다.

종래기술에 따른 또 다른 PAPR 감소 기법인 Tellado에 의해 제안된 톤 예약(Tone Reservation)기법은 전체 톤(데이터 전송을 위한 부반송파)을 데이터 전송을 위한 톤과 PAPR을 감소하기 위한 톤(Peak Reduction Tone 이하, PRT)(데이터 전송에 사용되지 않는 부반송파)으로 구분하여 사용하고, 데이터 신호의 PAPR을 감소시키기 위해서 PRT에 적절한 값을 할당하여 PAPR 감소 신호를 생성하고 이를 데이터 신호와 합하여 전송한다.

이때, 데이터 전송을 위한 톤은 일정한 성좌(Constellation)를 이용해서 심볼을 할당하지만 PRT에는 성좌와는 무관하게 임의의 값을 할당한다.

도 1은 종래기술에 따른 톤 예약 기법을 도시한 블록도이다. 도 1에 도시된 종래기술에 따른 톤 예약 기법은 시간 영역 커널

를 이용해 반복적으로 OFDM 신호의 PAPR을 감쇠시킴으로써, 대역 내 왜곡과 대역 외 방사 발생을 방지한다.

개의 톤을 사용한다고 하면, 전체 심볼들의 위치는 집합

,

개의 PRT의 위치는 집합

이며, 입력 심볼

은 다음 수학식 5와 같이 표현된다.

여기서,

는

의 여집합이며,

은 데이터 심볼,

은 PRT에 할당되는 심볼이다.

도 1에서

,

는

,

를 각각 IFFT한 결과 벡터로

,

로 표현된다.

OFDM 신호

에 대하여

번 반복적으로 톤 예약 기법을 적용한 OFDM 신호를

이라 하면,

번째 반복에서 더해지는 PAPR 감소 신호

와 전송 신호는

는 다음 수학식 6에 의해 산출된다.

여기서, FFT는 선형 변환이기 때문에 상기 수학식 1에 의한 OFDM 신호 를 대체하는 PAPR 계산(PAPR Calculation)결과 신호

는 데이터 신호

와 PAPR의 감소를 위한 PRT 신호

의 합으로 이루어진다.

이때,

는 주파수 영역 커널

를 IFFT한 시간 영역 커널

를 원순환 거리 다음 수학식 7에 의해 산출되는

만큼 원순환한 신호이며,

는 PAPR 감소의

번째 반복에서 첨두치를 줄이도록 결정된 계수 값으로, 다음 수학식 8과 같이 미리 설정한 임계치

와 현재의 첨두치 값

로부터 결정된다.

여기서, FFT의 기본 성질에 의해서 시간 영역 신호의 원순환은 주파수 영역에서의 선형 위상 회전과 같다. 즉, 주파수 영역에서 크기가

인 심볼은 시간 영역에서의 원순환 이후에도 계속

으로 남는다.

이때, 각 반복 시에는 최대 첨두치를 최소화하는 것만을 고려하기 때문에 1회 반복을 하면 다른 표본의 크기가 이전의 첨두치보다 커질 수가 있어 매 반복 시마다 이전의 최소 첨두치 값과 비교하여 가장 작은 첨두치를 갖는 OFDM 신호를 저장한다.

또한,

번째 반복 후에 PAPR이 임계치 이하이면 반복을 멈춘 후 신호를 전 송하고, 그렇지 않으면 최대 반복 횟수 이하까지 반복을 계속 진행하며 PAPR이 임계치 이하인지 비교하여 임계치 이하로 줄이지 못하는 경우에는 저장된 최소의 PAPR을 갖는 OFDM 신호를 전송한다.

한편, 주파수 영역 커널

는

에 대해서

이고,

인 경우에는

인 특징을 갖는 벡터이며, 시간 영역 커널

는 주파수 영역 커널

를 IFFT한 다음 정규화한 결과로 생성된다.

종래 톤 예약 기법에서 첨두치 감소 신호(peak canceling signal)는 POCS (projection onto convex set) 및 active-set approach 등의 방법으로 생성된다.

톤 예약 기법에서 PAPR 감소성능은 시간 영역 커널

의 형태에 의해 좌우되며,

로 한 위치에서 하나의 값만 변경시키고 다른 위치의 값들에 영향을 주지 않으며 하나의 첨두치만을 갖는 단위 충격 함수(unit impulse function)를 사용할 때가 PAPR 감소성능이 가장 좋다. 하지만,

를 단위 충격 함수 형태로 만들기 위해서는

의 모든 위치에 같은 값을 할당해야 하는데, 이 경우에는 데이터를 전송할 수 있는 톤이 하나도 남지 않게 된다는 모순이 발생한다. 때문에, 대안으로 PRT 비율을 전체 톤의 15% 이하로 사용하고, PRT 집합을 선택시

의 이차 첨두치가 가능한 작도록 하는 방법을 사용하고 있다.

도 2는 종래기술에 따른 톤 예약 기법 적용시 PRT 비율에 따른 PAPR 성능을 도시한 그래프이다. 도 2에서는 PRT 비율이 0%(210), 5%(220), 8%(230), 30%(240)일 때 상보 누적 함수 (complementary cumulative distribution function 이하, CCDF)를 이용하여 PAPR의 성능을 나타내었다.

도 2에 적용된 톤 예약 기법에서 사용된 톤은 1024개, 변조방식은 16-QAM, IFFT 신호는 4배 과표본하여 아날로그로 표현하였으며, PAPR을 감쇠 최대 반복 횟수는 40회, 목표 임계치는 6.0dB이다.

도 2를 해석하면, 종래기술에 따른 톤 예약 기법은 PRT의 비율이 증가할수록 PAPR 감소성능이 향상되며, 그래프 상에서 PRT 비율이 30%인 경우(240)에는 PAPR가 6.0dB이하로 감소함을 알 수 있다.

이와 같이, 종래기술에 따른 톤 예약 기법은 PRT(예약된 톤) 수가 증가할수록 PAPR 감소성능이 좋아지나, PRT 수를 증가시킬수록 데이터 전송을 위한 톤의 수가 줄어들어 데이터 전송 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

또한, 종래기술에 따른 톤 예약 기법은 PAPR 값에 상관없이 고정적 PRT 집합을 사용하므로, OFDM 시스템은 PAPR가 큰 OFDM 신호가 상대적으로 적어 입력 심볼 시퀀스 대부분은 PAPR을 감소할 필요가 없거나 매우 적은 PAPR 감소만을 필요로 한다는 점을 고려하지 못하므로 PRT 집합 이용 면에서도 비효율적이라는 단점이 있다.

본 발명은 OFDM 신호의 PAPR 값에 따라 적응적 크기의 PRT 집합을 사용하고, 적응적 임계치를 적용하여 PAPR 감소에 효율적인 적응적 톤 예약 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 장치는, 시간영역 OFDM 데이터 심볼을 입력받아 제1 PRT 집합을 사용한 톤 예약 기법을 적용하고, 상기 기법 적용으로 OFDM 신호의 첨두치를 제한하여 최대 전력 대 평균 전력비를 개선하는 제1 톤 예약 기법 제공부; 상기 제1 톤 예약 기법 제공부 출력 신호의 최대 전력 대 평균 전력비가 목표 임계치 이하인지를 비교하는 비교부; 상기 비교결과 목표 임계치 이하이면, 이를 전송하는 전송부; 상기 비교결과 목표 임계치 이상이면, 제2 PRT 집합을 사용한 톤 예약 기법을 재적용하여 최대 전력 대 평균 전력비를 재개선하는 제2 톤 예약 기법 제공부를 포함하고, 상기 제2 톤 예약 기법 제공부 출력은 상기 전송부를 통해 전송되는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 제2 톤 예약 기법 제공부는 상기 제2 톤 예약 기법 적용 전에 상기 제2 PRT 집합과 상기 제1 PRT 집합 차 위치에 해당하는 데이터 심볼을 저장하는 저장부를 더 포함한다.

또한, 상기 제2 PRT 집합은 상기 제1 PRT 집합의 부분 집합이며, 상기 목표 임계치는 상기 제1 톤 예약 기법 제공부 내부 비교에 사용되는 임계치 이하인 것 이 바람직하다.

이때, 상기 제1 톤 예약 기법 제공부 및 상기 제2 예약 톤 기법 제공부는 입력 신호의 최대 전력 대 평균 전력비를 산출하는 최대 전력 대 평균 전력비 계산부; 상기 산출한 최대 전력 대 평균 전력비가 내부 임계치 이하인지를 비교하는 내부 임계치 비교부; 상기 비교결과 내부 임계치 이하이면, 상기 입력 신호에서 최대 첨두치 발생지점을 검출하는 첨두치 색인 검출부; 상기 검출된 발생지점을 참조하여 최대 전력 대 평균 전력비 감쇠에 사용되는 첨두치 감쇠 신호를 생성하는 상기 첨두치 PRT 신호 생성부; 이전 첨두치 색인 검출부 입력 및 상기 PRT 신호 생성부 출력의 합산하는 합산기를 포함하고, 상기 합산기 출력은 상기 최대 전력 대 평균 전력 계산부에 재입력되어 반복적으로 최대 전력 대 평균 전력비를 개선하며, 상기 제2 예약 톤 기법 제공부는 상기 내부 임계치가 상기 목표 임계치와 동일하다.

본 발명의 다른 특징에 따른, OFDM 신호의 최대 전력 대 평균 전력비를 고려하여 적응적으로 톤 예약 기법을 적용하는 방법에 있어서, (a) 제1 PRT 집합

을 사용한 제1 단계 톤 예약 기법을 적용하여 OFDM 신호의 최대 전력 대 평균 전력비가 감소되는 단계; (b) 상기 제1 단계 톤 예약 기법 적용 OFDM 신호의 최대 전력 대 평균 전력비가 목표 임계치 이하인지 판단하는 단계; (c) 상기 판단결과 목표 임계치 이하이면, 상기 제1 단계 톤 예약 기법 적용 OFDM 신호를 전송하는 단계를 포함하고, (d) 상기 판단결과 목표 임계치 이상이면, 제2 PRT 집합

를 사용한 제2 단계 톤 예약 기법을 적용하여 상기 제1 단계 톤 예약 기법 적용 OFDM 신호의 최대 전력 대 평균 전력비를 재감소하고, 이를 전송하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있는 적응적 톤 예약 방법이 제공된다.

여기서, 상기 (a)단계 이전에 주파수 영역에서 데이터 심볼을 변조하는 단계; 상기 데이터 심볼을 IFFT하여 시간영역 심볼로 변환하는 단계를 더 포함하며, 상기 제1 PRT 집합

과 제2 PRT 집합

의 관계는 다음 수학식

으로 산출되고, 상기 목표 임계치는 상기 제1 단계 톤 예약 기법 적용 임계치보다 소정수치 높게 설정된다.

여기서, 상기 (d)단계는 (d-1) 상기 제1 단계 톤 예약 기법을 적용한 OFDM 신호에서 상기

과 상기

의 차집합

해당 위치의 데이터 심볼을 저장하는 단계; (d-2) 상기 제2 PRT 집합의 위치가 아닌 곳에 순차적으로 데이터 심볼을 할당하는 단계; (d-3) 상기

과 상기

의 차집합 위치에 상기 할당된 데이터 심볼 이후의 데이터 심볼을 순차적으로 할당하는 단계를 포함하고, 상기 저장한 데이터 심볼은 다음 패킷으로 송신된다.

이때, 상기 (d-1) 단계에서 저장하는 데이터 심볼은 상기 제1 단계 톤 예약 기법 적용 OFDM 신호 출력 또는 상기 차집합

해당 위치의 데이터 심볼을 제거하고, 상기 제1 단계 톤 예약 기법 적용 전의 OFDM 신호를 재 IFFT한 신호에서 상기 차집합

해당 위치의 데이터 심볼을 추출하여 사용한다.

한편, 상기 전송시의 전송 효율은 다음 수학식

에 의해 산출된다. (여기서,

는 제1 단계 톤 예약 기법의 전송 효율,

는 제2 단계 톤 예약 기법의 전송 효율,

는 제1 단계 톤 예약 기법을 거친 OFDM 신호의 최대 전력 대 평균 전력비,

는 제1 단계 톤 예약 기법 적용 임계치,

는 목표 임계치임)

그리고, 상기 제1 및 상기 제2 단계 톤 예약 기법에서 첨두치는, 반복적으로 최대 첨두치를 클리핑하는 방법으로 감소된다.

본 발명에 따른 적응적 톤 예약 장치 및 방법은 OFDM 신호의 PAPR 값에 따라 적응적 크기의 PRT 집합을 사용하고, 적응적 임계치를 적용하여 PAPR 감소에 효율적이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예에서는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 적응적 톤 예약 장치를 도시한 블록도이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 시간영역 OFDM 데이터 심볼을 입력받아 제1 PRT 집합을 사용한 톤 예약 기법을 적용하고, 기법 적용으로 OFDM 신호의 첨두치를 제한하여 최대 전력 대 평균 전력비를 개선하는 제1 톤 예약 기법 제공부(310); 제1 톤 예약 기법 제공부(310) 출력 신호의 최대 전력 대 평균 전력비가 목표 임계치 이하인지를 비교하는 비교부(320); 비교결과 목표 임계치 이하이면, 이를 전송하는 전송부(340); 비교결과 목표 임계치 이상이면, 제2 PRT 집합을 사용한 톤 예약 기법을 재적용하여 최대 전력 대 평균 전력비를 재개선하는 제2 톤 예약 기법 제공부(330)를 포함한다.

제1 톤 예약 기법 제공부(310)는 시간영역 OFDM 데이터 심볼을 입력받아 제1 PRT 집합을 사용한 톤 예약 기법을 적용하고, 기법 적용으로 OFDM 신호의 첨두치를 제한하여 최대 전력 대 평균 전력비를 개선한다.

비교부(320)는 출력 신호의 최대 전력 대 평균 전력비가 목표 임계치 이하인지를 비교한다.

전송부(340)는 송신회로를 포함하여 적응적 톤 예약 기법이 적용되어 최대 전력 대 평균 전력비가 개선된 OFDM 신호를 송신한다.

제2 톤 예약 기법 제공부(330)는 비교결과 목표 임계치 이상이면, 제1 PRT 집합의 부분 집합인 제2 PRT 집합을 사용한 톤 예약 기법을 재적용하여 최대 전력 대 평균 전력비를 재개선한다.

이때, 제2 톤 예약 기법 제공부(330)는 저장부(미도시)를 더 포함하고, 제2 톤 예약 기법 적용 전에 예약 톤이 제2 PRT 집합 추가로 인해 전송이 불가해진 제2 PRT 집합과 제1 PRT 집합 차 위치에 존재하는 데이터 심볼을 미리 저장한다.

한편, 제2 톤 예약 기법 제공부(330)에 의한 최대 전력 대 평균 전력비 개선을 위해서 목표 임계치는 제1 톤 예약 기법 제공부(310) 내부 비교에 사용되는 임계치 이하인 것이 바람직하다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 톤 예약 기법 제공부(310) 및 제2 예약 톤 기법 제공부(330)는 입력 신호의 최대 전력 대 평균 전력비를 산출하는 최대 전력 대 평균 전력비 계산부(350); 산출한 최대 전력 대 평균 전력비가 내부 임계치 이하인지를 비교하는 내부 임계치 비교부(320); 비교결과 내부 임계치 이하이면, 입력 신호에서 최대 첨두치 발생지점을 검출하는 첨두치 색인 검출부(370); 검출된 발생지점을 참조하여 최대 전력 대 평균 전력비 감쇠에 사용되는 첨두치 감쇠 신호를 생성하는 PRT 신호 생성부(380); 이전 첨두치 색인 검출부 입력 및 PRT 신호 생성부 출력의 합산하는 합산기(390)를 포함하며, 제2 예약 톤 기법 제공부(330)의 내부 임계치는 목표 임계치와 동일하다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 적응적 톤 예약 방법을 도시한 흐름도이다. 이하, 도 4를 참조하여 설명한다.

먼저, QAM 변조된(S410) 주파수 영역 데이터 심볼을 IFFT하여 시간영역 변환한 다음(S420), 낮은 비율의 제1 PRT 집합

을 사용한 톤 예약 기법을 적용하여OFDM 신호의 PAPR을 감소시킨다(S430).

이어서,

을 사용한 톤 예약 기법을 적용한 OFDM 신호의 PAPR이 소정의 임 계치

이하인지 판단하여 임계치 이하이면(S440), 이를 그대로 전송한다(S450).

반면, 임계치 이상이면(S440), 제2 PRT 집합

를 사용한 톤 예약 기법을 적용하여

를 사용한 톤 예약 기법 적용 OFDM 신호의 PAPR를 재감소시킨 다음(S460), 이를 전송한다(S450).

여기서, 제1 PRT 집합

는 제2 PRT 집합

의 부분집합 (

) 관계이며, PRT 집합의 특성 순열(characteristic sequence)인 주파수 영역 커널

은 다음 수학식 9에 의해 산출된다.

또한,

을 사용한 톤 예약 기법에서 사용하는 임계치

는 최종적으로 원하는 신호의 PAPR 임계치

보다 약 1.0dB 가량 낮게 설정하는 것이 바람직하다.

이 같은 두 단계의 톤 예약 기법에서 임계치

보다 목표 임계치

를 낮게 설정하는 이유는 톤 예약 기법이 첨두치를 갖는 표본 및 표본의 PAPR을 최대 임계치 수준까지 줄일 수 있기 때문이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 시간 영역 커널

,

을 각각 도시한 그래프이다. 여기서,

,

는

,

의 톤 개수를 각각

,

으로 적용하였을 때 임의로 선택한

,

을 1024 IFFT한 후에 4배 과표본하여 정규화한 결과이다.

이때, 도 5a는 전체 1024 톤에 51 개의 PRT를 적용하였으므로 예약 톤 비율이 약 5%이며, 도 5b는 전체 1024 톤에 301 개의 PRT를 적용하였으므로 예약 톤 비율이 약 30%인데, 본 그래프를 통해 도 5b 그래프에 도시된 시간 영역 커널

가 단위 충격 함수 형태에 더 가까움을 해석할 수 있다.

이로부터, PRT 집합에 포함된 톤 개수가 많을수록 시간 영역 커널 형태가 단위 충격 함수에 가깝게 되므로 원하는 첨두치만을 선택적으로 개선할 수 있게됨을 알 수 있으나, PRT 집합의 톤 수가 많아지면 데이터 전송 효율이 나빠지므로 전송 효율을 고려하여 PRT 톤 수를 적정하게 결정하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 적응적 톤 예약 기법의 임계치 설정관련 실험결과를 도시한 그래프이다. 도 6의 그래프는 톤 예약 기법 적용시에 5% 비율의 동일한 PRT를 사용하고, 임계치만을

(6.0dB),

(7.0dB)로 달리 적용하였을 때의 PAPR 감소성능 차이를 도시하였다.

도 6에서 해석되듯이, PAPR이 7.0dB를 넘을 확률이 임계치가 6.0dB일 때는 7%인 반면, 임계치가 7.0dB일 때는 35%로 증가하여 임계치가 높으면 PAPR 감소성능이 향상됨을 알 수 있다.

개의 PRT를 사용한다고 가정할 때 종래기술에 따른 톤 예약 기법의 데이터 전송 효율

은 다음 수학식 10과 같이 표현되며, 본 발명에 적응적 톤 예약 기 법의 평균 전송 효율

은 다음 수학식 11과 같이 표현된다.

여기서, G는 보호 대역(Guard Band)을 위한 톤 수이다.

여기서,

,

는 두 단계의 톤 예약 기법의 전송 효율이며,

는 제1 단계 톤 예약 기법을 거친 신호

의 PAPR이다.

이때, 상기 수학식 11에서 알 수 있듯이 평균 전송 효율에서 제2 단계 톤 예약 기법 전송 효율

가 큰 영향을 주지 못하므로, 평균 전송 효율을 높이기 위해서는 제2 단계 톤 예약 기법 관련 블록을 사용할 확률을 낮추는 것이 바람직하다.

제1 단계 톤 예약 기법 적용 임계치

의 수준 결정시에 제2 단계 톤 예약 기법 적용 임계치

에서 낮은 확률을 보일 수 있도록 설정하여 전송 효율 감소를 최소화하면서 PAPR을 목표로 하는 값 이하로 감소시킨다.

한편, 본 발명에서는 제2 단계 톤 예약 기법을 적용하기 위해서 PRT 크기가 늘어남으로 인하여 동시에 전송이 불가한 데이터 할당을 고려해야 하므로, 제2 단 계 톤 예약 기법 적용 전에

과

의 차집합

에 해당하는 위치에 할당된 데이터 심볼을 저장해 두었다가 다음 패킷에 전송한다.

이때, 데이터 심볼을 톤에 순차적으로 할당하면, 수신단은 해당 데이터 심볼을 받기 위해 다음 패킷 수신 때까지 기다려야 한다는 문제가 있다. 이 같은 지연을 방지하게 위해서 데이터 심볼을 톤에 순차적으로 할당하지 않고, PRT의 위치가 아닌 곳에 먼저 데이터 심볼을 할당한 후 E의 위치에 데이터 심볼을 할당하는 방법을 사용한다. 이하, 도 7과 함께 데이터 심볼 할당 방법을 설명한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 심볼 할당 방법을 도시한 예시도다. 도 7에 도시된 데이터 심볼 할당 방법은

개의 톤, 낮은 비율의 제1 PRT 집합

, 높은 비율의 제2 PRT 집합

,

일 때의 예이다.

먼저,

가 아닌 위치에

부터

까지 10개의 데이터 심볼을 순서대로 할당한다.

그리고,

가 아닌 위치에 데이터 심볼을 추가할 위치가 남아있지 않으면,

의 위치에

부터

까지 4개의 데이터 심볼을 추가로 할당한다.

여기서, 이 같이 데이터 심볼을 순차적으로 할당하여 제2 단계 톤 예약 기법을 진행한 다음 전송된 데이터 심볼들이 모두 앞뒤의 데이터들과 연속적으로 이어질 수 있다.

본 발명에서는

의 위치에 있는 심볼들을 첫 번째 톤 예약 기법 적용시에는 데이터로 사용하고, 두 번째 톤 예약 기법 적용시에는 PRT로 사용하는데 이는 다음의 두 가지 방법으로 처리될 수 있다.

첫 번째 방법은

위치에 있는 데이터 심볼들의 완전히 제거한 후 다시 IFFT해서 제2 단계 톤 예약 기법을 적용하는 방법이다.

두 번째 방법은 제1 단계 톤 예약 기법 출력 신호를 그대로 제2 단계 톤 예약 기법의 입력으로 사용하는 방법이다.

왜냐면, 제2 단계 톤 예약 기법에서는

위치에 있는 심볼들을 더 이상 데이터 값으로 간주하지 않기 때문에 이전 값이 남아있어도 현재 값을 다음 반복에서 PAPR을 감소하기 위한 새로운 값으로 갱신하기 때문이다.

모의실험 결과에서는 동일 반복 횟수 적용시 후자의 방법이 PAPR 감소 성능에 더 우수하다는 결론이 도출되었으나, 이는 모의실험 환경이 실제 환경에 비해 변수가 적은 정적 환경이므로 제1 단계 톤 예약 기법 적용결과로 다수의 첨두치가 목표 임계치 이하로 줄어 제2 단계 톤 예약 기법을 적용한 표본들이 많지 않았기 때문일 수도 있다. 이하, 도 8a 및 도 8b 그래프와 함께 이에 대해 더 세부적으로 살펴본다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 할당 방법 적용 모의실험 결과를 비교한 그래프이다. 도 8의 모의실험은 16-QAM 변조한 1024개의 톤 사용, 4배 과표본한 OFDM 시스템을 가정하여 실험한 결과이다.

여기서, 도 8a 및 도 8b 그래프는 종래기술에 따른 톤 예약 기법과 제1 PRT 집합을 각각

및

, 제2 PRT 집합을 모두

로 적용한 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 기법 적용에 따른 실험 결과를 비교하였다. 이때, 발명에서 제1 단계 톤 예약 기법 및 제2 단계 톤 예약 기법의 임계치는 각각

,

, 각 단계의 최대 반복횟수는 40번으로 제한하였다.

도 8a의 그래프에서 종래기술에 따른 톤 예약 기법 적용시에는 약 7.8dB PAPR을 갖고, 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 기법 적용시에는 확률 10^-6에서의 PAPR이 7.0dB를 넘지 않으므로 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 기법 적용시 PAPR이 개선됨을 알 수 있다.

두 기법의 데이터 전송 효율은 종래기술에 따른 톤 예약 기법이

, 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 기법이

이므로, 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 기법 전송 효율이

만큼 낮긴 하지만 PAPR 감소 성능 개선을 감안하면 전송 효율의 감소는 무시할만한 수준이다.

도 8b의 그래프에서 종래기술에 따른 톤 예약 기법 적용시에는 약 7.4dB의 PAPR을 갖고, 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 기법 적용시에는 7.4dB의 PAPR을 가지므로 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 기법 적용시 PAPR이 개선됨을 알 수 있다.

마찬가지로, 데이터 전송 효율은 종래기술에 따른 톤 예약 기법이

, 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 기법이

이므로, 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 기법 적용함으로 인해 낮아진 전송 효율이

만큼 낮긴 하지만, PAPR 감소 성능 개선을 감안하면 전송 효율의 감소는 무시할만한 수준이다.

이와 같이, 도 8a 및 도 8b의 실험결과 그래프에서 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 기법 적용시에 종래기술에 따른 톤 예약 기법과 유사한 전송 효율로 PAPR 성능이 크게 향상됨을 확인할 수 있다.

이상 바람직한 실시예 및 첨부 도면을 통해 본 발명의 구성에 대하여 설명하였다. 그러나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 본 기술 분야의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 톤 예약 기법을 도시한 블록도.

도 2는 종래기술에 따른 톤 예약 기법 적용시 PRT 비율에 따른 PAPR 성능을 도시한 그래프.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 장치를 도시한 블록도.

도 4는 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 방법을 도시한 흐름도.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 시간 영역 커널

,

을 각각 도시한 그래프.

도 6은 본 발명에 따른 적응적 톤 예약 기법의 임계치 설정관련 실험결과를 도시한 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 데이터 심볼 할당 방법을 도시한 예시도.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 데이터 할당 방법 적용 모의실험 결과를 비교한 그래프.

Claims

시간영역 OFDM 데이터 심볼을 입력받아 제1 PRT 집합을 사용한 톤 예약 기법을 적용하고, 상기 기법 적용으로 OFDM 신호의 첨두치를 제한하여 최대 전력 대 평균 전력비를 개선하는 제1 톤 예약 기법 제공부;

상기 제1 톤 예약 기법 제공부 출력 신호의 최대 전력 대 평균 전력비가 목표 임계치 이하인지를 비교하는 비교부;

상기 비교결과 목표 임계치 이하이면, 이를 전송하는 전송부;

상기 비교결과 목표 임계치 이상이면, 제2 PRT 집합을 사용한 톤 예약 기법을 재적용하여 최대 전력 대 평균 전력비를 재개선하는 제2 톤 예약 기법 제공부를 포함하고,

상기 제2 톤 예약 기법 제공부 출력은 상기 전송부를 통해 전송되는 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 장치.
제1항에 있어서, 상기 제2 톤 예약 기법 제공부는,

상기 제2 톤 예약 기법 적용 전에 상기 제2 PRT 집합과 상기 제1 PRT 집합 차 위치에 해당하는 데이터 심볼을 저장하는 저장부

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 장치.
제1항에 있어서, 상기 제2 PRT 집합은,

상기 제1 PRT 집합의 부분 집합인 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 장치.
제1항에 있어서, 상기 목표 임계치는,

상기 제1 톤 예약 기법 제공부 내부 비교에 사용되는 임계치 이하인 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 톤 예약 기법 제공부 및 상기 제2 예약 톤 기법 제공부는,

입력 신호의 최대 전력 대 평균 전력비를 산출하는 최대 전력 대 평균 전력비 계산부;

상기 산출한 최대 전력 대 평균 전력비가 내부 임계치 이하인지를 비교하는 내부 임계치 비교부;

상기 비교결과 내부 임계치 이하이면, 상기 입력 신호에서 최대 첨두치 발생지점을 검출하는 첨두치 색인 검출부;

상기 검출된 발생지점을 참조하여 최대 전력 대 평균 전력비 감쇠에 사용되는 첨두치 감쇠 신호를 생성하는 상기 첨두치 PRT 신호 생성부;

이전 첨두치 색인 검출부 입력 및 상기 PRT 신호 생성부 출력의 합산하는 합산기를 포함하고,

상기 합산기 출력은 상기 최대 전력 대 평균 전력 계산부에 재입력되어 반복적으로 최대 전력 대 평균 전력비를 개선하는 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 장치.
제5항에 있어서, 상기 제2 예약 톤 기법 제공부는,

상기 내부 임계치가 상기 목표 임계치와 동일한 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 장치.
OFDM 신호의 최대 전력 대 평균 전력비를 고려하여 적응적으로 톤 예약 기법을 적용하는 방법에 있어서,

(a) 제1 PRT 집합
을 사용한 제1 단계 톤 예약 기법을 적용하여 OFDM 신호의 최대 전력 대 평균 전력비가 감소되는 단계;

(b) 상기 제1 단계 톤 예약 기법 적용 OFDM 신호의 최대 전력 대 평균 전력비가 목표 임계치 이하인지 판단하는 단계;

(c) 상기 판단결과 목표 임계치 이하이면, 상기 제1 단계 톤 예약 기법 적용 OFDM 신호를 전송하는 단계를 포함하고,

(d) 상기 판단결과 목표 임계치 이상이면, 제2 PRT 집합
를 사용한 제2 단계 톤 예약 기법을 적용하여 상기 제1 단계 톤 예약 기법 적용 OFDM 신호의 최대 전력 대 평균 전력비를 재감소하고, 이를 전송하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 방법.
제7항에 있어서, 상기 (a)단계 이전에,

주파수 영역에서 데이터 심볼을 변조하는 단계;

상기 데이터 심볼을 IFFT하여 시간영역 심볼로 변환하는 단계

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 방법.
제7항에 있어서, 상기 제1 PRT 집합
과 제2 PRT 집합
의 관계는,

다음 수학식
으로 산출되는 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 방법.
제7항에 있어서, 상기 목표 임계치는,

상기 제1 단계 톤 예약 기법 적용 임계치보다 소정수치 높은 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 방법.
제7항에 있어서, 상기 (d)단계는,

(d-1) 상기 제1 단계 톤 예약 기법을 적용한 OFDM 신호에서 상기
과 상기
의 차집합
해당 위치의 데이터 심볼을 저장하는 단계;

(d-2) 상기 제2 PRT 집합의 위치가 아닌 곳에 순차적으로 데이터 심볼을 할당하는 단계;

(d-3) 상기
과 상기
의 차집합
위치에 상기 할당된 데이터 심볼 이후의 데이터 심볼을 순차적으로 할당하는 단계를 포함하고,

상기 저장한 데이터 심볼은 다음 패킷으로 송신되는 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 방법.
제11항에 있어서, 상기 (d-1) 단계에서 저장하는 데이터 심볼은,

상기 제1 단계 톤 예약 기법 적용 OFDM 신호 출력 또는

상기 차집합
해당 위치의 데이터 심볼을 제거하고, 상기 제1 단계 톤 예약 기법 적용 전의 OFDM 신호를 재 IFFT한 신호

에서 상기 차집합
해당 위치의 데이터 심볼을 추출하여 사용하는 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 방법.
제7항에 있어서, 상기 전송시의 전송 효율은,

다음 수학식

에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 방법.

(여기서,
는 제1 단계 톤 예약 기법의 전송 효율,
는 제2 단계 톤 예약 기법의 전송 효율,
는 제1 단계 톤 예약 기법을 거친 OFDM 신호의 최대 전력 대 평균 전력비,
는 제1 단계 톤 예약 기법 적용 임계치,
는 목표 임계치임)
제7항에 있어서, 상기 제1 및 상기 제2 단계 톤 예약 기법에서 첨두치는,

반복적으로 최대 첨두치를 클리핑하는 방법으로 감소되는 것을 특징으로 하는 적응적 톤 예약 방법.