KR20120071454A

KR20120071454A - 멀티 캐리어 변복조 방식의 케이블 시스템에서 동적 데이터 속도 할당 및 가변 변조 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20120071454A
Application number: KR1020100133004A
Authority: KR
Inventors: 이재호
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-07-03

Abstract

본 발명은 케이블 시스템에서 케이블 모뎀들에 대해 상향 스트림 및 하향 스트림을 수신 및 송신하는 헤드엔드에서 동적 데이터 속도 할당 및 가변 변조 방법을 개시한다. 상기 동적 데이터 속도 할당 및 가변 변조 방법은 상기 케이블 모뎀들로부터 수신되는 각 서브채널 신호의 신호대 잡음비(Si/Ni)를 추정하는 단계와, 상기 추정된 각 서브채널의 신호대잡음비에 기초하여 각 서브 채널의 전송 가능한 채널 용량을 계산하는 단계와, 상기 계산된 각 서브 채널의 전송 가능한 채널 용량에 따라 서브 채널당 비트 수를 할당하여는 단계와, 상기 서브 채널당 비트 수에 관한 정보를 포함한 메시지를 생성하여 상기 케이블 모뎀에 전송하는 단계를 포함한다.

Description

멀티 캐리어 변복조 방식의 케이블 시스템에서 동적 데이터 속도 할당 및 가변 변조 방법 및 장치{Apparatus and method for a dynamic allocation of data rate and adaptive modulation control in cable system of using multi-carrier demodulation}

본 발명은 멀티 캐리어 변복조 방식을 사용하는 케이블 시스템에서 각 서브 채널로 수신된 신호의 신호 대 잡음비(SNR, Signal-to-Noise power Ratio)를 계산하여 동적으로 데이터 속도를 할당하고 가변적으로 변조 방식을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

멀티 캐리어 방식은 전체 대역폭을 여러 개의 서브 채널로 분할하여 사용하는 방식이므로 전체 데이터 속도는 각 서브 채널의 데이터 속도의 합이 된다. 섀넌의 한계(Shannon limit)에 의하면 데이터 속도는 채널의 SNR에 의해 결정된다. 각 서브 채널은 채널 환경에 따라 서로 다른 SNR을 가지므로 각 서브 채널에 동적으로 데이터 속도를 할당할 수 있다. 즉, 멀티 캐리어 방식을 사용하는 시스템에서는 채널 환경에 따라 각 서브 채널의 SNR이 각각 다른 값을 가질 수 있다.

또한 변조 방식에는 QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM과 같은 고차 QAM방식이 사용되고 있는데, 일반적으로 고차 QAM 일수록 요구되는 SNR은 증가한다.

종래 기술로서 2008년 12월 01일에 출원된 국내 출원번호 2008-0120351의 통신시스템에서 대역폭 요청을 처리하기 위한 장치 및 방법”는 무선 통신시스템에서 대역폭 요청을 수행하기 위한 방법에 있어서, 채널 상황과 단말의 최대 전력 가용량을 고려하여 할당이 가능한 서브캐리어 수를 계산하고 상기 서브채널 수를 기지국에 요청하는 구조이다.

이러한 방식은 단말의 이동 속도에 따라 채널 상황이 자주 바뀌므로 서브 캐리어 수를 자주 계산해야 한다는 문제점이 있으며 또한 빈번하게 서브 캐리어 수를 기지국에 요청함으로써 채널 용량이 줄어든다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 SNR이 좋은 채널에는 고차 QAM을 적용하고 SNR이 낮은 서브 채널에 대해서는 낮은 QAM을 적용하는 가변적인 변조 제어 방법 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 동적 데이터 속도 할당 및 가변 변조 방법에 있어서, 상기 케이블 모뎀들로부터 수신되는 각 서브채널 신호의 신호대 잡음비(Si/Ni)를 추정하는 단계와, 상기 추정된 각 서브채널의 신호대잡음비에 기초하여 각 서브 채널의 전송 가능한 채널 용량을 계산하는 단계와, 상기 계산된 각 서브 채널의 전송 가능한 채널 용량에 따라 서브 채널당 비트 수를 할당하여는 단계와, 상기 서브 채널당 비트 수에 관한 정보를 포함한 메시지를 생성하여 상기 케이블 모뎀에 전송하는 단계를 포함한다.

따라서, 본 발명에 따라, 서로 다른 SNR 정보를 이용하여 SNR값이 큰 서브채널은 많은 비트를 할당하고 SNR값이 작은 서브채널은 적은 비트를 동적으로 할당할 수 있다.

또한 본 발명에 따라, SNR값이 큰 서브채널은 고차 QAM변조 방식을 사용하고 SNR값이 적은 서브채널에 대해서는 QAM 차수가 낮은 방식을 가변적으로 사용한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 케이블 시스템의 구성도이다.
도 2는 상향 스트림의 경우 케이블 모뎀과 헤드엔드의 내부구조를 나타낸다.
도 3은 헤드엔드와 케이블 모뎀 사이의 시그널링을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동적 데이터 속도 할당 및 가변 변조 방법을 나타낸 플로우차트이다.
도 5는 QPSK의 경우, 수신된 심벌의 에러 벡터인 e_ij에 대한 예를 나타낸다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명은 수신된 서브 채널의 SNR을 계산하고 이 정보를 송신부에 알려주어 서브채널별로 동적으로 비트를 할당하고 가변적으로 QAM차수를 제어한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 케이블 시스템의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 케이블 시스템은 헤드엔드(10), 광동축 혼합망(Hybrid Fiber Coax(HFC) network)(20) 및 하나 이상의 케이블 모델(30, 40)을 포함한다.

광동축 혼합망(20)은 접속망 구성의 한 방식으로, 동축 종합 유선 방송(CATV) 전송망의 주요 트렁크 부분을 광섬유 케이블로 개선한 망이다. CATV 방송국에서 가입자 광망 종단 장치(ONU)까지는 광선로를 이용하고, ONU에서 가입자 단말까지는 동축 케이블을 이용하는 구성 방식이다. 광동축 혼합망(20)은 가입자 단에 케이블모뎀(30, 40)을 시설하여 고속으로 데이터를 접속서비스를 제공한다.

케이블 시스템의 데이터 흐름은 헤드엔드(10)에서 케이블 모뎀(30,40)로 가는 하향 스트림과 케이블 모뎀에서 헤드엔드로 가는 상향 스트림으로 구성된다.

헤드엔드(10)는 CMTS(12, Cable Modem Termination System), 하향 송신부(14) 및 상향 수신부(16)로 구성된다. 하향 송신부(14)는 광동축 혼합망(20)을 통해 케이블 모델(30,40)으로 하향 스트림을 송신하고, 상향 수신부(16)는 광동축 혼합망(20)을 통해 케이블 모델(30,40)으로부터 상향 스트림을 수신한다.

케이블 모뎀(30,40)은 하향 수신부(32)와 상향 송신부(34)로 구성된다. 하향 수신부(32)는 광동축 혼합망(20)을 통해 헤드엔드(10)로부터 하향 스트림을 수신하고, 상향 송신부(34)는 광동축 혼합망(20)을 통해 헤드 엔드(10)로 상향 스트림을 송신한다.

도 2는 상향 스트림의 경우 케이블 모뎀(30)과 헤드엔드(10)의 내부구조를 나타낸다.

케이블 모뎀(30)은 CM MAC(101)과 상향 송신부(34)로 구성되며 상향 송신부(34)는 FEC 인코더(121), 인터리버(Interleaver)(122), 심볼 맵퍼(symbol mapper)(123), 직렬-병렬 변환기(S/P)(124, Serial-to-Parallel conversion), 멀티-캐리어 변조기(Multi-carrier modulation)(125) 그리고 병렬-직렬 변환기(P/S)(126, Parallel-to-Serial conversion)으로 구성된다.

FEC(Forward Error Correction) 인코더(121)는 전송할 데이터에 부가적 정보를 부가하여 인코딩한다. 수신측이 에러를 발견시 이 부가적 정보로 에러검출 및 에러정정을 할 수 있다. 인터리버(Interleaver)(122)는 전송할 데이터에 대해 인터리빙을 수행한다.

심볼 맵퍼(symbol mapper)(123)는 데이터 비트 정보를 데이터 심볼 정보로 변환해준다. S/P(직렬-병렬 변환기)(124)는 데이터 심볼을 반송파에 싣기 위해 병렬화하는 역할을 담당한다. 멀티-캐리어 변조기(125)는 직렬-병렬 변환기(124)로부터 제공되는 데이터 심볼을 각각의 반송파 신호에 싣는다. 개별 반송파는 협대역이지만 전체 신호는 광대역이 된다. 그리고, 병렬-직렬 변환기(P/S)(126)는 멀티-캐리어 변조기(125)로부터 신호를 전송을 위해 직렬화하여 출력한다. 병렬-직렬 변환기(P/S)(126)로부터 출력된 신호는 광동축 혼합망(20)을 통해 헤드엔드(10)로 송신된다.

헤드엔드(1)는 CMTS MAC(12)과 상향 수신부(16)로 구성된다.

상향 수신부(16)는 직렬-병렬 변환기(S/P)(241), 멀티-캐리어 복조기(Multi-carrier demodulation)(242), 병렬-직렬 변환기(P/S)(243), 심볼 디맵퍼(symbol demapper)(244), 디인터리버(Deinterleaver)(245), FEC 디코더(decoder)(246)를 포함한다.

직렬-병렬 변환기(S/P)(241)는 수신 신호를 다수의 반송파에 따라 병렬화하는 역할을 담당한다. 멀티-캐리어 복조기(242)는 다수의 반송파로부터 데이터 심볼을 복원한다. 병렬-직렬 변환기(P/S)(243)는 멀티-캐리어 복조기(242)로부터 제공되는 병렬화된 데이터 심볼을 직렬화하는 역할을 담당한다.

심볼 디맵퍼(symbol demapper)(244)는 병렬-직렬 변환기(P/S)(243)로부터 출력되는 데이터 심볼 정보로부터 데이터 비트 정보를 복원한다. 디인터리버(Deinterleaver)(245)는 심볼 디맵퍼(244)로부터 출력되는 데이터 비트에 대해 대해 디인터리빙 처리를 수행한다.

FEC(Forward Error Correction) 디코더(246)는 디인터리버(225)로부터 출력되는 데이터 비트를 디코딩한다.

도 3은 헤드엔드(10)와 케이블 모뎀(30) 사이의 시그널링을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 먼저 헤드엔드(10)와 케이블 모뎀(30)과의 동기를 맞추기 위해 헤드엔드(10)는 단계 310에서 하향 스트림을 통해 케이블 모뎀(30)으로 SYNC 메시지와 케이블 모뎀(30)의 상향 송신부(34)의 데이터 속도와 QAM 차수의 정보를 가지고 있는 UCD_init(Upstream Channel Descriptor) 메시지를 전송한다.

그 다음, 케이블 모뎀(30)은 단계 320에서 상향 스트림을 통해 헤드엔드(10)로 타이밍 옵셋, 주파수 옵셋, 파워 옵셋 등을 보정하기 위한 레인징(ranging)을 한다.

만약 UCD_init에 명시된 데이터 속도와 QAM차수를 변경할 필요가 있으면, 헤드엔드(10)는 단계 320에서 레인징(ranging) 과정에서 추정된 채널정보들을 가지고 하향 스트림을 통해 케이블 모뎀(30)으로 UCD_change 메시지를 전송한다.

이를 위해 헤드엔드(10)의 상향 스트림 수신부(16)는 상향 스트림 수신부(16)에 의해 수신되는 각 서브 채널 신호의 신호대 잡음비(S_i/N_i)를 추정한다. 그리고 헤드엔드(10)는 각 서브채널 신호의 신호대 잡음비를 이용하여 각 서브채널의 채널 용량을 계산한 후 케이블 모뎀(30, 40)을 위한 비트 수를 할당한다. 헤드엔드(10)는 서로 다른 SNR 정보를 이용하여 SNR값이 큰 서브채널은 많은 비트를 할당하고 SNR값이 작은 서브채널은 적은 비트를 동적으로 할당하도록 한다.

한편, 변조 방식에는 QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM과 같은 고차 QAM방식이 사용되며 일반적으로 고차QAM일수록 요구되는 SNR은 증가한다. 따라서 헤드엔드(10)는 SNR이 좋은 채널에는 고차 QAM을 적용하고 SNR이 낮은 서브 채널에 대해서는 낮은 QAM을 적용하도록 가변적으로 QAM차수를 제어한다.

그리고 헤드엔드(10)는 채널 용량 즉, 비트 수 할당 정보 및 QAM 차수 정보를 UCD_change 메시지에 포함시켜 케이블 모뎀(30, 40)으로 전송한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동적 데이터 속도 할당 및 가변 변조 방법을 나타낸 플로우차트이다.

헤드엔드(10)는 서브 채널당 SNR을 계산하여 UCD_change 메시지를 전송한다.

구체적으로 헤드엔드(10)는 단계 410에서 상향 스트림 수신부(16)에 의해 수신되는 각 서브 채널 신호의 신호대 잡음비(Si/Ni)를 추정한다.

서브 채널당 SNR은 심볼 디맵퍼(symbol demapper)(44)의 출력에서 추정될 수 있으며, [수학식 1]에 따라 추정될 수 있다.

여기서 SNRi는 i번째 서브 채널의 SNR이며, N은 서브 채널 수이고, E_i는 서브 채널의 심볼 맵퍼(123)의 평균 에너지이고, M은 수신된 심벌 수이고 e_ij는 수신된 심벌의 에러 벡터이다. QPSK의 경우, e_ij에 대한 예는 도 5와 같다.

헤드엔드(10)는 서브 채널당 SNR을 추정한 후, 단계 420에서 추정된 각 서브채널의 Si/Ni에 기초하여 각 서브 채널의 전송 가능한 채널 용량(Ci)를 계산한다. 각 서브 채널의 전송 가능한 채널 용량(Ci)은 서브 채널당 비트수로 나타낼 수 있으며, 다음 [수학식 2]와 같이 계산될 수 있다.

여기서 C_i는 i번째 서브 채널의 비트 수이고, B는 대역폭이다. 따라서, 전체 데이터 속도는 각 C_i의 합이 된다.

헤드엔드(10)는 각 서브 채널의 전송 가능한 채널 용량을 계산한 후 계산된 전송 가능한 채널 용량 C_i를 기준으로 서브 채널당 비트 수를 할당하고, 이에 관한 정보를 포함한 UCD_change 메시지를 발생하여 케이블 모뎀(30)으로 전송한다.

또한 헤드엔드(10)는 또한, SNR_i가 높은 서브 채널에서는 고차 QAM을 적용하고 SNR_i가 낮은 서브 채널에서는 저차 QAM을 가변적으로 적용한다. 헤드엔드(10)는 QAM 차수 정보도 UCD_change 메시지에 포함시켜 케이블 모뎀(30)으로 전송한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 헤드엔드
14: 하향 스트림 송신부
16: 상향 스트림 수신부
20: 광동축 혼합망
30, 40: 케이블 모뎀
32: 하향 스트림 수신부
34: 상향 스트림 송신부

Claims

케이블 시스템에서 케이블 모뎀들에 대해 상향 스트림 및 하향 스트림을 수신 및 송신하는 헤드엔드에서 동적 데이터 속도 할당 및 가변 변조 방법에 있어서,
상기 케이블 모뎀들로부터 수신되는 각 서브채널 신호의 신호대 잡음비(Si/Ni)를 추정하는 단계와,
상기 추정된 각 서브채널의 신호대잡음비에 기초하여 각 서브 채널의 전송 가능한 채널 용량을 계산하는 단계와,
상기 계산된 각 서브 채널의 전송 가능한 채널 용량에 따라 서브 채널당 비트 수를 할당하여는 단계와,
상기 서브 채널당 비트 수에 관한 정보를 포함한 메시지를 생성하여 상기 케이블 모뎀에 전송하는 단계를 포함하는 동적 데이터 속도 할당 및 가변 변조 방법.