KR20120109161A - 케이블 네트워크에서 가입자 장치의 역고속 퓨리에 변환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 케이블 네트워크에서 가입자 장치에 관한 것으로, 단말의 송신데이터 전송과정에서의 오류를 정정하는 채널부호화를 하여 신호를 생성하는 채널부호화부, 상기 채널부호화부의 출력신호를 입력 받아 변조신호로 매핑하여 신호를 생성하는 매핑부, 상기 매핑부의 출력신호를 입력 받아 여러 가지 가변적인 크기의 IFFT의 계산을 수행하여 신호를 생성하는 가변IFFT장치, 상기 가변IFFT장치의 출력신호를 입력 받아 CP를 삽입하여 신호를 생성하는 CP삽입부, 상기 CP삽입부의 출력신호를 입력 받아 아날로그신호로 변환하여 RF 송신부에 보내는 DAC, 상기 DAC의 출력신호를 입력 받아 원하는 주파수 채널로 업컨버젼하고 증폭하여 케이블 네트워크로 전송하는 RF 송신부를 포함한다. 따라서, 여러 가지 가변적인 크기의 IFFT의 계산을 수행하여, 기존의 DICSIS MAC에 대해 역호환성을 유지하고, 시스템의 복잡도를 거의 증가시키지 않으면서, 상향링크채널의 낭비를 줄일 수 있다.

Description

케이블 네트워크에서 가입자 장치의 역고속 퓨리에 변환 장치{subscriber apparatus of Inverse Fast Fourier Transform in a cable network}

본 발명은 케이블 네트워크에 관한 것으로, 보다 상세하게는 케이블 네트워크에서 가입자 장치의 역고속 퓨리에 변환 장치에 관한 것이다.

케이블, 광섬유(fiber optic), 무선과 같은 광대역(broadband) 접속 기술이 널리 배치되고 있다. 가입자(subscriber)와 서비스 제공자(service provider) 간의 통신 네트워크에 있어서, 신뢰성 있는 높은 품질의 음성/비디오 서비스를 제공하는 것은 쉬운 작업이 아니다.

케이블 네트워크는 케이블 모뎀, 헤드엔드(headend), 및 CMTS(cable modem termination system)를 포함한다. 상향링크 전송을 위해, 케이블 모뎀은 디지털 스트림을 상향링크 RF(radio frequency) 신호로 변조한다. 하향링크 수신을 위해 케이블 모뎀은 수신되는 하향링크 RF 신호로부터 디지털 형태로 복조한다. 케이블 네트워크의 헤드엔드 내의 CMTS는 하향링크 디지털 스트림을 하향링크 RF 신호로 복조한다. 하향링크/상향링크 RF 신호는 광 및 동축(coaxial) 라인을 통해 전송된다.

DOCSIS(Data Over Cable Service Interface Specification)는 케이블 모뎀을 위한 표준 인터페이스 프로토콜을 정의한다. DOCSIS는 OSI(Open Systems Interconnection) 계층 1 및 2, 물리 계층(physical layer)과 데이터 링크(data link layer)를 개시한다. DOCSIS 3.0 규격은 2006년 4월에 개시되었다.

최근 진화한 DOCSIS 규격은 대용량 고품질의 데이터 전송을 위하여 채널 본딩, 멀티캐스팅 지원 기능 강화 등을 제공하고 있다. IP(Internet protocol) 기반 전송으로 방송과 통신의 융합화가 진행됨에 따라 DOCSIS 규격은 케이블 네트워크를 위한 규격에서 방송 통신 융합형 멀티미디어 전송 서비스를 수용할 수 있는 인프라로서 자리잡고 있다.

현재 케이블 네트워크의 상향링크채널자원을 여러 가입자가 공유할 경우, DOCSIS(Data-Over-Cable Service Interface Specifications) MAC(Medium Access Control)에서 정의하는 바와 같이, 전체 주파수 대역에 대해서는 FDMA(Frequency Division Multiple Access) 방식을 사용하고, 정해진 하나의 주파수채널에서는 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식을 사용한다.

상기 경우 하나의 주파수채널에서의 물리계층 전송방법으로 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex) 방식을 사용한다고 하자. OFDM 방식은 하나의 주어진 주파수 채널에서 고정된 샘플링 주파수를 운용한다. 그러나, 한 가입자가 보내고자 하는 데이터는 시간에 따라 다양한 길이로 전송된다. 보내고자 하는 데이터의 길이가 짧은데 정해진 포인트 수가 큰 역고속 퓨리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform; 이하 IFFT)를 수행하여 보낼 경우, IFFT출력의 OFDM 심볼의 길이를 필요이상으로 차지하여 시간영역의 자원을 낭비하는 결과를 가져온다. 반대로, 처음부터 모든 데이터의 IFFT 포인트 수를 줄여 사용하는 경우, CP(Cyclic Prefix) 삽입에 따른 전송률 감소가 커 바람직하지 못하다. 따라서, 보내고자 하는 데이터의 길이가 다양한 상태에서 자원의 낭비를 줄일 수 있도록 다양한 길이의 IFFT가 준비되는 것이 바람직하나, 이는 시스템의 복잡도를 증가시킨다는 문제가 있다.

본 발명의 기술적 과제는 케이블 네트워크에서 상향링크채널자원의 공유 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 여러 가지 가변적인 크기의 IFFT의 계산을 수행하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

일 양태에 있어서, 케이블 네트워크에서 가입자 장치의 IFFT 장치가 제공된다. 상기 IFFT 장치는 보내고자 하는 신호에 다수개의 제로를 삽입하여 IFFT 포인트 수 M 신호를 생성하는 제로삽입부, 상기 제로삽입부의 출력신호를 입력 받아 M포인트 IFFT의 계산을 수행하여 신호를 생성하는 IFFT부, 및 상기 IFFT부의 출력신호를 입력 받아 동일하게 반복되는 부분을 삭제하여 신호를 생성하는 반복신호삭제부를 포함한다.

다른 양태에서, 케이블 네트워크에서 가입자 장치가 제공된다. 상기 가입자 장치는 단말의 송신데이터 전송과정에서의 오류를 정정하는 채널부호화를 하여 신호를 생성하는 채널부호화부, 상기 채널부호화부의 출력신호를 입력 받아 변조신호로 매핑하여 신호를 생성하는 매핑부, 상기 매핑부의 출력신호를 입력 받아 여러 가지 가변적인 크기의 IFFT의 계산을 수행하여 신호를 생성하는 가변IFFT장치, 상기 가변IFFT장치의 출력신호를 입력 받아 CP를 삽입하여 신호를 생성하는 CP삽입부, 상기 CP삽입부의 출력신호를 입력 받아 아날로그신호로 변환하여 RF(Radio frequency)송신부에 보내는 DAC, 상기 DAC의 출력신호를 입력 받아 원하는 주파수 채널로 업컨버젼하고 증폭하여 케이블 네트워크로 전송하는 RF 송신부를 포함한다.

상향링크채널자원의 낭비를 줄일 수 있다.

기존의 DOCSIS MAC에 대해 역호환성을 유지할 수 있고, 시스템의 복잡도를 거의 증가시키지 않을 수 있다.

도 1은 기존의 케이블 네트워크 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가입자 장치의 송신기를 나타낸 블록도이다.
도 3는 도 1의 가변IFFT장치를 상세히 나타낸 블록도이다.
도 4은 도 3의 제로삽입부의 일 예를 나타낸다.
도 5는 도 3의 반복신호삭제부의 일 예를 나타낸다.
도 6는 제안방식 시간자원이용 효과 설명도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 서비스 제공자의 수신기를 나타낸 블록도이다.
도 8은 도 7의 가변FFT장치를 나타낸 블록도이다.
도 9은 도 8의 신호반복부의 일 예를 나타낸다.
도 10는 도 8의 제로제거부의 일 예를 나타낸다.

현재 케이블 네트워크의 상향링크채널자원을 여러 가입자가 공유할 경우, DOCSIS(Data-Over-Cable Service Interface Specifications) MAC(Medium Access Control)에서 정의하는 바와 같이, 전체 주파수 대역에 대해서는 FDMA(Frequency Division Multiple Access) 방식을 사용하고, 정해진 하나의 주파수채널에서는 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식을 사용한다.

상기 경우 하나의 주파수채널에서의 물리계층 전송방법으로 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex) 방식을 사용한다고 하자. OFDM은 하나의 주어진 주파수 채널에서 고정된 샘플링 주파수를 운용한다. 그러나, 한 가입자가 보내고자 하는 데이터는 시간에 따라 다양한 길이로 전송된다. 보내고자 하는 데이터의 길이가 짧은데 정해진 포인트 수가 큰 역고속 퓨리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform; 이하 IFFT)를 수행하여 보낼 경우, IFFT출력의 OFDM 심볼의 길이를 필요이상으로 차지하여 시간영역의 자원을 낭비하는 결과를 가져온다. 반대로, 처음부터 모든 데이터의 IFFT 포인트 수를 줄여 사용하는 경우, CP(Cyclic Prefix) 삽입에 따른 전송률 감소가 커 바람직하지 못하다. 따라서, 보내고자 하는 데이터의 길이가 다양한 상태에서 자원의 낭비를 줄일 수 있도록 다양한 IFFT가 준비되는 것이 바람직하나, 이는 시스템의 복잡도를 증가시킨다는 문제가 있다.

한편 이러한 자원의 낭비를 줄이기 위하여 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 방식을 사용할 수 있다. OFDMA는 여러 사용자가 하나의 OFDM의 많은 서브채널들을 주파수 영역에서 그때그때 적당하게 나누어 가지도록 하여 자원의 공유를 효율적으로 수행한다.

그러나 OFDMA를 사용하기 위해서는 여러 사용자들의 전송타이밍이 서로 정확히 일치해야 하며, 전력 레벨도 서로 동일하게 보낼 수 있도록 하여야 한다. 이런 정확한 동작을 하도록 위해서는 고도의 구현기술이 요구되므로, 이는 단말의 가격상승으로 이어질 수 있다. 1024QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 4096QAM과 같은 고차 변조를 이용하는 경우 더욱 그렇다.

또한 이렇게 자원공유를 하기 위한 제어는 상위계층인 MAC에서 이루어지는데, 현재 사용중인 DOCSIS MAC에는 이러한 정해진 주파수 채널에서 TDMA 외에 주파수영역의 자원공유를 위한 기능이 없다.

본 발명은 케이블 네트워크의 상향링크채널에서 물리계층 전송방법으로 OFDM을 사용하는 경우, 기존의 DOCSIS MAC에 대해 역호환성을 유지하면서 다양한 길이의 데이터를 보내고자 할 때, OFDM의 샘플링 주파수를 고정한 상태에서 하나의 IFFT를 이용하여 여러 가지 가변적인 크기의 IFFT의 계산을 수행하게 함으로써 적은 복잡도로 전체적인 시스템 전송효율을 높일 수 있도록 하는 케이블 네트워크의 상향링크채널자원 공유 방법 및 장치를 제공한다.

도 1은 기존의 HFC(Hybrid Fiber-Coaxial) 케이블 네트워크 시스템을 나타낸 블록도이다.

헤드엔드(102)는 CMTS(Cable Modem Termination System)(104)를 포함한다. CMTS(104)는 외부 소스(100)로부터 신호를 수신하고, 이 신호를 케이블 네트워크를 통해 전송될 RF 신호로 변환한다. CMTS(104)는 케이블 네트워크에 의해 수신되고 송신되는 스트림에 대한 MAC 계층을 제공한다. CMTS(104)는 케이블 네트워크에 의해 수신되고 송신되는 스트림에 대한 변조/복조를 수행한다.

헤드엔드(102)는 광섬유 라인(106)을 통해 광 노드(108)와 연결된다. 각 광 노드(108)는 동축 케이블(110)을 통해 증폭기(112)와 연결된다. 증폭기(112)는 중계선(tunk line)을 통해 분배 증폭기(disribution amplifier)(114)와 연결된다. 광 노드(103), 동축 케이블(110), 증폭기(112), 분배 증폭기(114) 및 브랜치 라인(branch line)(118)이 HFC 네트워크의 분배 시스템을 구성한다. 브랜치 라인(118)은 케이블 모뎀(120)과 연결된다. 케이블 모뎀(120)은 가입자 단말(122)과 연결된다.

케이블 모뎀(120) 및/또는 가입자 단말(122)이 가입자 장치(subscriber device)가 된다.

하향링크는 헤드엔드(102)에서 가입자 장치로의 통신을 말하고, 상향링크는 가입자 장치에서 헤드엔드(102)로의 통신을 말한다.

하향링크 채널은 헤드엔드(102)에서 가입자 장치로의 채널을 말하고, 상향링크 채널은 가입자 장치에서 헤드엔드(102)로의 채널을 말한다.

도 2은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가입자 장치의 송신기를 나타낸 블록도이다.

송신기(200)는 채널부호화부(210), 매핑부(220), 가변IFFT장치(230), CP(Cyclic Prefix) 삽입부(240), DAC(Digital-to-Analog convert)(250), RF(radio frequency) 송신부(260)를 포함한다.

채널부호화부(210)는 디지털 전송 신호에 어떤 부수적인 잉여 비트를 삽입하여 전송 시 채널에 가해지는 각종 잡음으로 인한 에러를 검출·정정하는 기능을 하는 채널부호화를 하는데, 인터리버(interleaver) 같은 것을 포함하기도 한다. 케이블 네트워크에서 말하는 인터리버란, 페이딩 등 집중 비트 에러(Burst Error)가 발생되기 쉬운 무선 채널 환경에서 집중적인 비트 에러를 분산(비트 오류 발생을 랜덤하게 분산)시키는 장치를 말한다.

매핑부(220)는 채널부호화부(210)의 출력신호를 전송매체의 채널 특성에 맞게 256QAM, 1024QAM과 같은 변조신호에 적응하여 맞춘다.

가변IFFT장치(230)는 IFFT를 수행하되, 보내고자 하는 데이터의 길이가 짧을 경우, 샘플링 레이트(sampling rate)를 그대로 유지하면서 IFFT의 결과의 시간영역에서의 심볼길이가 줄어들도록 한다. 가변IFFT장치의 보다 자세한 내부구성과 동작에 대하여는 도 3을 통하여 설명하기로 한다.

CP삽입부(240)는 채널 간 간섭을 방지하기 위하여 가드 인터벌(GI) 구간에 CP를 삽입한다. OFDM전송 방식에서 다중 경로에 의한 심볼 간 간섭을 제거하기 위해 GI를 삽입한다. 그러나 GI 구간에 신호가 없으면 서브캐리어의 직교성이 무너져 채널 간 간섭이 발생한다. 이를 방지하기 위하여 심볼 구간 뒷부분의 신호 일부를 복사하여 삽입하며, 이 신호를 CP라고 한다.

DAC(250)는 이산적인 디지털 신호를 연속적인 아날로그 신호로 변환시켜 주는 기계적 또는 전기적인 장치로, CP삽입부의 출력을 아날로그 신호로 변환하여 RF 송신부(160)에 보낸다.

RF 송신부(260)는 DAC 출력을 원하는 주파수 채널로 업컨버젼하여 적당한 레벨로 증폭하여 케이블 네트워크로 전송한다.

도 3는 도 1의 가변IFFT장치(230)를 상세히 나타낸 블록도이다.

가변IFFT장치(230)는 파일롯삽입부(231), 제로삽입부(232), IFFT부(233), 반복신호삭제부(234)를 포함한다.

파일롯삽입부(231)는 채널의 왜곡을 보상하고, 시스템의 타이밍, 주파수 동기 등을 위하여 크기 및 위상이 알려진 신호를 추가로 삽입한다.

제로삽입부(232)는 제로를 삽입하여 M포인트 신호를 만든다. 제로삽입부의 보다 자세한 동작에 대하여는 도 4을 통하여 설명하기로 한다.

IFFT부(233)는 제로 삽입부의 출력신호를 입력 받아, 이를 통하여 M포인트 Inverse Fast Fourier Transform을 수행한다.

반복신호삭제부(234)는 동일하게 반복되는 부분을 삭제하여 CP 삽입부(140)에 출력한다. 반복신호삭제부의 보다 자세한 동작에 대하여는 도 5을 통하여 설명하기로 한다.

도 4은 제로삽입부의 일 예를 나타낸다.

보내고자 하는 데이터의 길이가 IFFT 포인트 수 M의 1/N 일 때, 파일롯삽입부 출력신호(401) 사이에 N-1 개의 제로(402)를 삽입한다.

도 5는 반복신호삭제부의 일 예를 나타낸다.

IFFT부의 출력신호(500)를 보면 동일한 시퀀스가 N개 반복하여 나타난다. 첫 부분(501)만 남기고 나머지 동일하게 반복되는 부분(502)을 삭제한다.

도 6는 제안방식의 시간자원이용 효과를 설명하고 있다.

(A)는 기존의 방식인 IFFT 포인트 고정방식 출력 시간 점유를 나타낸다. 보내고자 하는 데이터(601, 602, 603, 604, 605)가 있고, 각 데이터의 IFFT출력의 OFDM 심볼의 길이를 1ms라고 할 경우 총 5ms의 출력 시간을 점유한다.

(B)는 제안방식의 출력 시간 점유를 나타낸다. 본 발명에 의하면 상기 데이터(601, 602, 603, 604, 605)중 일부의 데이터(602, 603, 604)의 길이가 IFFT의 포인트 수 M의 1/10보다 짧을 경우, 각 데이터(602, 603, 604)는 각각 0.1ms의 출력 시간을 점유하게 되어, 총 출력 시간은 2.3ms으로 줄어든다.

도 7은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 서비스 제공자의 수신기를 나타낸 블록도이다.

수신기(700)는 RF수신부(710), ADC(Analog-to-Digital convert)(720), 동기부(730), CP제거부(740), 가변FFT장치(750), 디매핑부(760) 및 복호화부(770)를 포함한다.

RF수신부(710)는 원하는 주파수 채널을 선택하여 기저대역으로 내리는 역할을 한다.

ADC(720)는 연속적인 신호인 아날로그 신호를 부호화된 디지털 신호로 변환하는 기계 장치로, 상기 RF수신부의 출력신호를 디지털신호로 변환한다.

동기부(730)는 FFT를 수행하기 위해 클럭 주파수나 비트, 프레임, 워드 등을 일치시킨다.

CP제거부(740)는 송신부에서 삽입한 CP 를 제거한다.

가변FFT장치(750)는 해당시점에 전송하도록 한 가입자의 전송신호 수를 고려한 FFT를 수행한다. 가변FFT장치의 보다 자세한 내부구성과 동작에 대하여는 도 8을 통하여 설명하기로 한다.

디매핑부(760) 및 복호화부(770)는 가변FFT 결과를 이용하여 신호 디매핑을 한 후 채널부호화의 역과정인 오류정정채널 복호과정을 수행한다.

도 8은 도 7의 가변FFT장치(750)를 나타낸 블록도이다.

가변FFT장치(750)는 신호반복부(751), FFT부(752), 제로제거부(753), 채널왜곡보상부(754)를 포함한다.

신호반복부(751)는 CP제거부(740)로부터 받은 신호를 반복하여 추가한다. 신호반복부의 보다 자세한 동작에 대하여는 도 9을 통하여 설명하기로 한다.

FFT부(752)는 상기 신호반복부(751)의 출력을 FFT한다.

제로제거부(753)는 제로심볼을 제거한다. 제로제거부의 보다 자세한 동작에 대하여는 도 10을 통하여 설명하기로 한다.

채널왜곡보상부(754)는 파일럿으로부터 채널 상태를 추정(채널 추정)하여 1탭등화기 등을 사용하여 신호의 크기, 주파수, 위상 등의 채널왜곡을 보상한다.

도 9는 신호반복부의 일 예를 나타낸다.

CP제거부 출력신호(901)를 반복하여 FFT 사이즈에 차도록 추가부분(902)에 추가한다. 신호반복부의 출력신호(900)를 보면 동일한 시퀀스가 N개 반복된다.

도 10는 제로제거부의 일 예를 나타낸다.

FFT부의 출력에서 N심볼마다 N-1 개의 제로심볼(1002)을 제거한다. 제로심볼은 실제로는 잡음, 구현오차 등의 요인으로 제로는 아니다. 받고자 하는 데이터의 길이가 IFFT 포인트 수 M의 1/N 일 때, 제로제거부의 출력신호(1001) 사이에 N-1 개의 제로(1002)가 제거된다.

Claims (1)

1. 케이블 네트워크에서 가입자 장치의 역고속 퓨리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform; IFFT) 장치에 있어서,
   보내고자 하는 신호에 다수개의 제로를 삽입하여 IFFT 포인트 수 M 신호를 생성하는 제로삽입부;
   상기 제로삽입부의 출력신호를 입력 받아 M 포인트 IFFT의 계산을 수행하여 신호를 생성하는 IFFT부; 및
   상기 IFFT부의 출력신호를 입력 받아 동일하게 반복되는 부분을 삭제하여 신호를 생성하는 반복신호삭제부를 포함하는 것을 특징으로 하는 IFFT 장치.

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