KR20130067843A - 순환 지연 기반 차등 변조 송/수신 장치 및 방법 - Google Patents

순환 지연 기반 차등 변조 송/수신 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 순환 지연 기반 차등 변조 송신 장치로, 순환 지연값을 선택하는 순환 지연 선택부와, 상기 선택된 순환 지연값에 상응하도록 입력 데이터의 차등 변조를 수행하는 변조부와, 상기 변조부로부터 출력된 직렬 신호를 병렬 신호로 변환하는 직/병렬 변환부와, 상기 직/병렬 변환부로부터 출력된 병렬 신호를 고속 푸리에 변환하는 고속 푸리에 변환부와, 상기 고속 푸리에 변환부로부터 출력된 신호를 상기 순환 지연 선택부에 의해 선택된 순환 지연값에 따라 지연시켜 출력하는 하나 이상의 순환 지연부와, 상기 고속 푸리에 변환부 또는 순환 지연부로부터 출력되는 신호에 보호 구간을 삽입하는 둘 이상의 보호 구간 삽입부를 포함한다.

Description

순환 지연 기반 차등 변조 송/수신 장치 및 방법{Apparatus and Method for Differential Demodulating based Cyclic Delay}
본 발명은 다중 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템의 데이터 송/수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 전송 성능 향상을 위해 순환 지연 다이버시티(Cyclic delay diversity : CDD) 기법을 사용하는 데이터 송/수신 장치 및 방법에 관한 것이다.
순환 지연 다이버시티 기법은 송신단에서 다중 안테나를 이용하여 데이터를 전송하여 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 전송 다이버시티의 한 종류이다. OFDM 시스템에 적용하여 채널의 주파수 선택적 특성을 증가시켜 채널 부호화 기법의 이득을 향상시킬 수 있는 방법이다.
순환 지연 다이버시티 기법은 다른 종류의 시공간 다이버시티 기법을 적용하는 경우보다 송수신기의 구현 복잡도가 낮고 송신 안테나의 수가 증가해도 방송 시스템 표준 변경없이 수신기 구조를 유지할 수 있다는 점과 전송률이 낮아지지 않는 장점을 가지고 있다.
특히 시스템이 플랫 페이딩(flat-fading) 채널을 통과할 경우, 채널의 주파수 선택적 특성이 확연히 증가하기 때문에 성능 향상의 폭이 커지게 된다.
차등 변조 기법은 OFDM 기반 시스템에서 채널 추정없이 신호를 복조할 수 있는 변조 기법으로, OFDM 신호의 첫 부반송파를 파일럿으로 사용하고 그 이후부터의 신호로 첫 부반송파의 신호에서 위상 회전된 신호를 사용하여 그 이후의 신호를 변조하는 기법이다.
하지만, 순환지연 다이버시티 기법을 적용한 OFDM 심볼의 경우 신호가 겪게 되는 채널의 특성이 플랫 페이딩(flat fading)인 경우라 할지라도 순환지연 다이버시티의 특성에 의하여 주파수 선택적 특성이 강해지게 되며, 차등 변조 기법을 적용하게 될 경우 복조 후에 높은 에러율을 보이게 된다.
본 발명은 계층(layer)별로 송신 안테나의 개수를 증가시키고 안테나별로 순환적으로 지연(cyclic delay)된 심벌(symbol)을 전송하여 다이버시티 이득(diversity gain)을 얻는 CDD(Cyclic Delay Diversity) 방식을 사용하여 비트 오류 확률(Bit Error Rate,BER) 성능을 개선하는 순환 지연 기반 차등 변조 송/수신 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 순환 지연 다이버시티 기법에 차등변조 기법을 적용할 시 발생할 수 있는 전송 오류율의 증가를 효율적으로 감소시키며 차등변조 방식의 사용으로 수신단의 복잡도를 효과적으로 낮출 수 있도록 순환 지연 기반 차등 변조 송/수신 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 순환 지연 기반 차등 변조 송신 장치로, 순환 지연값을 선택하는 순환 지연 선택부와, 상기 선택된 순환 지연값에 상응하도록 입력 데이터의 차등 변조를 수행하는 변조부와, 상기 변조부로부터 출력된 직렬 신호를 병렬 신호로 변환하는 직/병렬 변환부와, 상기 직/병렬 변환부로부터 출력된 병렬 신호를 고속 푸리에 변환하는 고속 푸리에 변환부와, 상기 고속 푸리에 변환부로부터 출력된 신호를 상기 순환 지연 선택부에 의해 선택된 순환 지연값에 따라 지연시켜 출력하는 하나 이상의 순환 지연부와, 상기 고속 푸리에 변환부 또는 순환 지연부로부터 출력되는 신호에 보호 구간을 삽입하는 둘 이상의 보호 구간 삽입부를 포함한다.
본 발명은 순환 지연 기반 차등 변조 송신 방법으로, 순환 지연값을 선택하는 단계와, 상기 선택된 순환 지연값에 상응하도록 입력 데이터를 차등 변조하는 단계와, 상기 선택된 순환 지연값에 따라 상기 차등 변조된 데이터를 지연시켜 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명은 순환 지연 기반 차등 복조 수신 장치로, 안테나를 통해 수신된 신호로부터 보호 구간을 제거하여 출력하는 보호구간 제거부와, 상기 보호구간 제거부로부터 보호 구간이 제거된 신호를 고속 푸리에 변환하여 출력하는 고속 푸리에 변환부와, 상기 고속 푸리에 변환부로부터 출력된 병렬 신호를 직렬 신호로 변환하여 출력하는 병/직렬 변환부와, 상기 병/직렬 변환부로부터 출력된 신호를 부반송파 서브셋별로 첫번째 부반송파부터 차례로 차등 복조하는 복조부를 포함한다.
본 발명은 수신 장치에서의 순환 지연 기반 차등 복조 수신 방법으로, 송신 장치로부터 신호를 수신하는 단계와, 수신된 신호를 부반송파 서브셋 별로 첫번째 부반송파부터 차례로 차등 복조하여 복조하는 단계를 포함한다.
본 발명은 순환 지연 다이버시티의 채널 추정 문제를 새로운 채널 추정 기법을 사용하도록 하는데 대신에 채널 추정이 필요없는 차등 변조 기법을 사용하는 것으로 채널 추정 문제를 해결한다는 이점이 있다. 또한 이와 동시에 순환 지연으로 인한 주파수 선택적 특성 증가로 발생할 수 있는 차등 변조 기법의 전송 오류율 증가를 방지하기 위해 전송전 송수신단에서 미리 정의가 가능한 순환지연의 값을 이용하여 차등 변조 기법을 적용하여 주파수 선택적 특성에 관계없이 데이터를 복조할 수 있는 장점을 가지고 있다.
도 1a는 순환 지연 다이버시티 송신 장치의 구성도이다.
도 1b는 순환 지연 다이버시티 수신 장치의 구성도이다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 순환 지연 기반 차등 변조 송신 장치의 구성도이다.
도 2b는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 순환 지연 기반 차등 복조 수신 장치의 구성도이다.
도 3은 순환 지연 다이버시티를 위해서 두 개의 안테나를 사용할 때 플랫 페이딩(flat-fading)시 순환 지연의 채널 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 변조 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 순환 지연 기반 차등 변조 송신 및 차등 복조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시 예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 순환 지연 다이버시티 기법의 문제점인 채널 추정이 어려워지는 단점을 해결하기 위해, 플랫-페이딩일 경우 순환지연의 길이에 따라 채널의 특성이 주기적으로 반복되는 특성을 이용하여, 차등 변조 기법을 적용하여 데이터를 복조함으로서 순환 지연 다이버시티의 채널 추정의 어려움을 해결한다.
또한 순환 지연 다이버시티에 차등 변조 기법 적용시, 주파수 선택적 특성 증가로 인한 차등 변조의 전송 오류율이 증가하는 문제를 해결한다.
도 1a는 순환 지연값을 갖는 다이버시티 송신 장치의 구성도이다.
도 1a를 참조하면, 다이버시티 송신 장치는 부호화부(111), 인터리버(112), 심볼 매핑부(113), 직/병렬 변환부(Serial to Parallel:S/P)(114), 역고속 푸리에 변환부(Inverse Fast Fourier Transform : IFFT)(115), 병/직렬 변환부(Parallel to Serial:P/S)(116), 순환 지연부(117) 및 보호 구간 삽입부(Guard Interval: GI)(118)를 포함한다.
부호화부(111), 인터리버(112), 심볼 매핑부(113), 직병렬 변환부(S/P)(114), 역고속 푸리에 변환부(IFFT)(115), 병직렬 변환부(P/S)(116)를 거친 OFDM 송신 신호는 복수의 순환 지연부(117)에 의해 복수의 지연값을 통해 각각 순환적으로 지연되어 복수의 지연 신호가 생성된다.
보호구간 삽입부(118)는 심벌 및 채널간 간섭을 방지하기 위하여 각 순환 지연부(117)로부터 생성된 복수의 지연 신호에 대해 각각 보호구간(Guard Interval, GI)을 삽입하여 복수의 보호구간 삽입 심벌을 생성한다. 이러한 보호구간 삽입부(118)는 각 계층(layer)별로 안테나 개수만큼 구비된다.
도 1b는 순환 지연 다이버시티 수신 장치의 구성도이다.
도 1b를 참조하면, 수신 장치는 동기화부(121), 보호구간 제거부(122), 직/병렬 변환부(123), 고속 푸리에 변환부(Fast Fourier Transform : FFT)(124), 병/직렬 변환부(125), 채널 추정부(126), 심볼 디매핑부(127), 디인터리버(128) 및 복호화부(129)를 포함한다.
다음으로 차등 변조 기법의 변조 방법을 설명하기로 한다.
하기의 <수학식 1>은 차등 변조 기법의 변조 방법을 나타낸다.
Figure pat00001
상기 <수학식 1>에서
Figure pat00002
는 각각 k와 k+1 번째 부반송파를 통해서 전송하고자 하는 정보를 나타내며,
Figure pat00003
와
Figure pat00004
는 차등 변조 방식을 통해 정보가 변조된 결과를 나타낸다. 상기
Figure pat00005
와
Figure pat00006
의 전송한 수신 신호는 하기의 <수학식 2> 및 <수학식 3>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
채널이 두 개의 연속적인 OFDM 부반송파 동안에 변하지 않는다고 가정하면
Figure pat00009
신호는 다음의 <수학식 4>와 같이 복조된다.
Figure pat00010
상기 <수학식 4>에서 알 수 있듯이, 차등 변조 기법을 사용하여 신호를 복조할 수 있는 근거는 OFDM 심볼의 연속적인 부반송파가 겪게 되는 채널의 성분차가 크지 않기 때문이다.
하지만, 전술한 바와 같이 순환지연 다이버시티 기법을 적용한 OFDM 심볼의 경우 신호가 겪게 되는 채널의 특성이 플랫 페이딩(flat fading)인 경우라 할지라도 순환지연 다이버시티의 특성에 의하여 주파수 선택적 특성이 강해지게 되어 차등 변조 기법을 적용하게 될 경우 복조 후에 높은 에러율을 보이게 된다.
따라서, 본 발명은 순환 지연 다이버시티 기법의 문제점인 채널 추정이 어려워지는 단점을 해결하기 위해, flat-fading일 경우 순환지연의 길이에 따라 채널의 특성이 주기적으로 반복되는 특성을 이용하여, 차등 변조 기법을 적용하여 데이터를 복조함으로서 순환 지연 다이버시티의 채널 추정의 어려움을 해결함과 동시에 주파수 선택적 특성 증가로 인한 차등변조 기법 적용의 어려움을 해결한다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 순환 지연 기반 차등 변조 송신 장치의 구성도이다. 여기서는 이해를 돕기 위해 2개의 송신 안테나를 갖는 순환 지연 다이버시티 기법을 적용한 OFDM 시스템을 예로 들어 설명하나, 이는 본 발명의 일 실시 예일 뿐 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 송신 안테나는 3개 이상도 가능함은 물론이다.
도 2a를 참조하면, 송신 장치는 순환 지연 선택부(210)와, 변조부(211)와, 직렬 병렬 변환부(S/P)(212)와, 역 고속 푸리에 변환부(IFFT)(213)와, 순환 지연부(214) 및 보호 구간 삽입부들(215)을 포함한다.
순환 지연 선택부(210)는 순환 지연값을 결정하여, 결정된 순환 지연값을 변조부(211) 및 순환 지연부(214)에 전송한다. 순환 지연 선택부(210)에 의한 순환 지연값 선택에 대해서는 도 3을 참조하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 순환 지연 다이버시티를 위해서 두 개의 안테나를 사용할 때 플랫 페이딩(flat-fading)시 순환 지연의 채널 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 동일한 채널 특성을 보이는 다음 부반송파까지의 거리를 라고 할 때, 0번째 안테나의 지연을
Figure pat00012
를 0이라고 하고 두 번째 안테나의 지연을
Figure pat00013
하면, 수신된 채널 전달 함수는 하기의 <수학식 5>와 같이 표현 가능하다.
Figure pat00014
여기서,
Figure pat00015
이고,
Figure pat00016
이다.
Figure pat00017
는 i 번째 안테나를 통해서 l번째 OFDM 전송 신호로 전송되는 OFDM 신호가 겪게 되는 채널 성분이다.
<수학식 5>와 같은 결과를 통해서
Figure pat00018
는
Figure pat00019
의 주기를 갖게 됨을 알 수 있다. 따라서,
Figure pat00020
를 결정하면,
Figure pat00021
을 결정할 수 있어 주기가 용이하게 예측 가능하다.
변조부(211)는 직/병렬 변환부(212)의 입력단에 연결되어 있으며, 수신단에 연달아 수신되는 신호의 차이로 채널 상태를 추정하는 차등변조(differential modulation) 방식으로 전송할 데이터를 처리하여, 수신단의 복잡도를 효과적으로 낮출 수 있다.
이때, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 변조부(211)는 순환 지연값에 따라 차등 변조를 위한 파일럿을 선택한다. 즉, 순환 지연 선택부(214b)에 의해 선택된 순환 지연값에 따라, 우선 처음
Figure pat00022
개의 부반송파를 차등 변조 기법을 위한 파일럿 심볼로 설정하고, 그 이후부터 각 파일럿과
Figure pat00023
만큼의 거리를 갖는 이후의 부반송파에 할당되는 신호에 대해서 각각 차등 변조 기법을 적용한다. 변조 기법에 대해서는 도 4를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 변조 기법을 설명하기 위한 도면이다.
Figure pat00024
는 j번째 파일럿부터 변조가 시작되는 부반송파의 서브셋을 나타낸다. 전술한 바와 같이 변조할 때, 전체 부반송파에서 파일럿으로 낭비되는 부반송파의 개수를 줄이기 위해서는
Figure pat00025
로 하는 경우 가장 좋은 성능을 보이게 될 것임을 예측할 수 있다. 게다가, 순환 지연의 값을 선택할 때 일반적으로 순환 지연의 크기를 최대로 설정하는 것을 기본으로 하는 경우가 많으므로, 로 설정하여
Figure pat00027
을 최대로 만들어 주는 것이 최선의 방법이라 할 수 있다.
직/병렬 변환부(212)은 직렬로 구성된 입력데이터를 특정수의 병렬데이터로 변환하는 기능을 수행한다. 즉, 직/병렬 변환부(212)는 직렬적인 정보 심벌의 블록을 병렬적인 반송파별로 변환한다.
역고속 푸리에 변환부(213)는 입력된 신호를 고속 푸리에 역변환(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)하여 주파수 영역에서 직교성을 가지는 서로 다른 부반송파에 싣고, 정보가 실린 상기 부반송파를 다시 시간 영역으로 매핑(mapping)하여 출력한다.
순환 지연부(214)는 순환 지연 선택부(210)에 의해 선택된 순환 지연값에 따라 역고속 푸리에 변환부(213)로부터 출력되는 신호를 지연시켜 출력한다.
보호 구간 삽입부(215)는 역고속 푸리에 변환부(213) 또는 순환 지연부(214a)로부터 출력되는 신호에 보호 구간을 삽입하여 송신 안테나를 통해 전송한다.
도 2b는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 순환 지연 기반 차등 복조 수신 장치의 구성도이다.
도 2b를 참조하면, 수신 장치는 보호구간 제거부(221), 고속 푸리에 변환부(FFT)(222), 병/직렬 변환부(P/S)(223) 및 복조부(224)를 포함한다.
보호구간 제거부(221)는 안테나를 통해 수신된 신호로부터 보호 구간을 제거하여 출력한다. 고속 푸리에 변환부(FFT)(222)는 보호구간 제거부(221)로부터 보호 구간이 제거된 신호를 고속 푸리에 변환하여 출력한다. 병/직렬 변환부(P/S)(223)는 고속 푸리에 변환부(222)로부터 출력된 병렬 신호를 직렬 신호로 변환하여 출력한다.
복조부(224)는 상기 병/직렬 변환부(223)에 의해 출력된 신호를 부반송파 서브셋별로 첫번째 부반송파부터 차례로 차등 복조하여 복조할 수 있으며, 이 경우 각 부반송파에서의 채널이 flat-fading일 경우 모두 동일하다고 가정할 수 있음으로 복조 결과에서 순환지연에 의한 채널 특성을 제거할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 순환 지연 기반 차등 변조 송신 및 차등 복조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 송신 장치는 510 단계에서 차등 변조를 위한 최적의 순환 지연값을 선택한다. 예컨대, 송신 안테나가 두 개일 경우, 송신 장치는 동일한 채널 특성을 보이는 다음 부반송파까지의 거리를
Figure pat00028
를 결정하고, 0번째 안테나의 지연을
Figure pat00029
를 0이라고 하고 두 번째 안테나의 지연을
Figure pat00030
로 결정한다.
그리고, 520 단계에서 선택된 순환 지연값에 따라 초기 부반송파에서
Figure pat00031
개의 파일럿을 할당한다. 그리고, 530 단계에서 할당된 파일럿별로 서브셋을 구성하여 차등 변조를 시행하여 전송한다. 그러면, 수신 장치에서 540 단계에서 송신 장치로부터 신호를 수신하여 각 서브셋별로 차등 복조를 시행한다.

Claims (8)

  1. 순환 지연값을 선택하는 순환 지연 선택부와,
    상기 선택된 순환 지연값에 상응하도록 입력 데이터의 차등 변조를 수행하는 변조부와,
    상기 변조부로부터 출력된 직렬 신호를 병렬 신호로 변환하는 직/병렬 변환부와,
    상기 직/병렬 변환부로부터 출력된 병렬 신호를 고속 푸리에 변환하는 고속 푸리에 변환부와,
    상기 고속 푸리에 변환부로부터 출력된 신호를 상기 순환 지연 선택부에 의해 선택된 순환 지연값에 따라 지연시켜 출력하는 하나 이상의 순환 지연부와,
    상기 고속 푸리에 변환부 또는 순환 지연부로부터 출력되는 신호에 보호 구간을 삽입하는 둘 이상의 보호 구간 삽입부를 포함함을 특징으로 하는 순환 지연 기반 차등 변조 송신 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 순환 지연 선택부는
    동일한 채널 특성을 보이는 다음 부반송파까지의 거리(
    Figure pat00032
    )를 결정하고,
    Figure pat00033
    로부터 각 안테나로 출력될 지연값을 선택함을 특징으로 하는 순환 지연 기반 차등 변조 송신 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 변조부는
    순환 지연값에 따라 처음
    Figure pat00034
    개의 부반송파를 차등 변조 기법을 위한 파일럿 심볼로 설정하고, 그 이후부터 각 파일럿과
    Figure pat00035
    만큼의 거리를 갖는 이후의 부반송파에 할당되는 신호에 대해서 할당된 파일럿별로 서브셋을 구성하여 차등 변조를 시행하여 전송각각 차등 변조함을 특징으로 하는 순환 지연 기반 차등 변조 송신 장치.
  4. 순환 지연값을 선택하는 단계와,
    상기 선택된 순환 지연값에 상응하도록 입력 데이터를 차등 변조하는 단계와,
    상기 선택된 순환 지연값에 따라 상기 차등 변조된 데이터를 지연시켜 전송하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 순환 지연 기반 차등 변조 송신 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 선택하는 단계는
    동일한 채널 특성을 보이는 다음 부반송파까지의 거리(
    Figure pat00036
    )를 결정하는 단계와,
    상기
    Figure pat00037
    로부터 각 안테나로 출력될 지연값을 선택하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 순환 지연 기반 차등 변조 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 차등 변조하는 단계는
    순환 지연값에 따라 처음
    Figure pat00038
    개의 부반송파를 차등 변조 기법을 위한 파일럿 심볼로 설정하는 단계와,
    그 이후부터 각 파일럿과
    Figure pat00039
    만큼의 거리를 갖는 이후의 부반송파에 할당되는 신호에 대해서 할당된 파일럿별로 서브셋을 구성하여 차등 변조하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 순환 지연 기반 차등 변조 송신 방법.
  7. 안테나를 통해 수신된 신호로부터 보호 구간을 제거하여 출력하는 보호구간 제거부와,
    상기 보호구간 제거부로부터 보호 구간이 제거된 신호를 고속 푸리에 변환하여 출력하는 고속 푸리에 변환부와,
    상기 고속 푸리에 변환부로부터 출력된 병렬 신호를 직렬 신호로 변환하여 출력하는 병/직렬 변환부와,
    상기 병/직렬 변환부로부터 출력된 신호를 부반송파 서브셋별로 첫번째 부반송파부터 차례로 차등 복조하는 복조부를 포함함을 특징으로 하는 순환 지연 기반 차등 복조 수신 장치.
  8. 수신 장치에서의 순환 지연 기반 차등 복조 수신 방법에 있어서,
    송신 장치로부터 신호를 수신하는 단계와,
    수신된 신호를 부반송파 서브셋 별로 첫번째 부반송파부터 차례로 차등 복조하여 복조하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 순환 지연 기반 차등 복조 수신 방법.
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