KR20150015091A - 비대칭적 변복조 성상도를 활용하는 송수신 방법 - Google Patents

Abstract

비대칭적 변복조 성상도를 활용하는 송수신을 위한 방법 및 장치가 제공된다.

Description

비대칭적 변복조 성상도를 활용하는 송수신 방법{METHOD FOR TRANSMISSION AND RECEPTION USING ASYMMETRIC MODULATION CONSTELLATION}

기술 분야는 비대칭적 변복조 성상도를 활용하는 송수신 방법을 제공하는 기술에 관한 것이다.

방송 및 통신 송신 시스템에서 데이터를 송수신하는 방법으로 성상도가 활용된다.

일 실시예는 비대칭적 변복조 성상도를 활용하는 송수신 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

일 측면에 있어서, 비대칭적 변복조 성상도를 활용하는 송수신 방법 제공된다.

비대칭적 변복조 성상도를 활용하는 송수신 방법 및 장치가 제공된다.

도 1은 일 실시예에 따른 Uniform Constellation을 사용하는 송수신 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 Uniform 256-QAM을 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 공통적으로 사용되는 채널오류정정블록을 제외한, Uniform Constellation 변복조부의 상세도를 나타낸다.
도 4는 일 예에 따른 Non-Uniform Constellation을 사용하는 송수신 시스템을 나타낸다.
도 5는 일 예에 따른 Non-Uniform 256-QAM을 이용한 수신 SNR 15dB에서의 최적 성상점을 나타낸다.
도 6은 일 예에 따른 Non-Uniform 256-QAM을 이용한 Inverse Gaussian 방법을 사용한 최적 성상점을 나타낸다.
도 7은 일 예에 따른 공통적으로 사용되는 채널오류정정블록을 제외한, Non-Uniform Constellation 변복조부의 상세도를 나타낸다.
도 8은 일 예에 따른 송신단에서 Uniform constellation을 사용하고, 수신단에서 Non-uniform Constellation을 사용하는 송수신 시스템을 나타낸다.
도 9는 일 예에 따른 공통적으로 사용되는 채널오류정정블록을 제외한, Uniform Constellation 변조부 및 Non-Uniform Constellation 복조부의 상세도를 나타낸다.
도 10은 일 예에 따른 송신단에서 Non-Uniform Constellation을 사용하고, 수신단에서 Uniform Constellation을 사용하는 송수신 시스템을 나타낸다.
도 11은 일 예에 따른 64-QAM에서의 수신 SNR에 따른 비트오류율(BER) 간의 성능 비교 그래프를 나타낸다.
도 12는 일 예에 따른 16-QAM에서의 성능 비교 그래프를 나타낸다.
도 13은 일 예에 따른 Gaussian CDF 곡선을 나타낸다.
도 14는 일 예에 따른 평균과 분산이 결정된 CDF 곡선에서 Y축 구간을 8등분한 CDF 곡선을 나타낸다.
도 15는 일 예에 따른 수신 SNR에 따른 최적 X축값 변화의 추이를 나타낸다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 일 실시예에 따른 Uniform Constellation을 사용하는 송수신 시스템을 나타낸다.

도 1은 방송 및 통신 송신 시스템에서 입력 비트스트림을 변조하고, 수신 시스템에서 복조하고 출력 비트스트림을 복원하는 공통적인 과정을 간략히 나타낸다.

Source로부터 Bits가 입력되면, LDPC Code나 Turbo Code와 같은 오류정정부호를 거치게 된다. Encoding 된 Bit는 정해진 규칙에 따라서 QAM 또는 APSK 변조를 거치된다. 이로써, 송신 시스템 출력 심볼이 생성된다.

송신 시스템에서 발사된 심볼은 무선 채널을 거쳐, 수신 시스템 입력으로 들어가게 된다. 수신된 입력 신호는 우선 '송신 시스템과 동일한 규칙'을 사용하여 복조(Demodulation)을 거치게 되는데, 그 출력은 통산 Log-Likelihood Ratio (LLR) 값이다. 참고로, LLR은 수신된 비트가 0 또는 1 일 확률을 Log로 환산하여 나타낸 값이다. 출력된 LLR 값은 FEC Decoder로 입력되어 오류가 정정된 비트스트림으로 출력된다.

도 2는 일 실시예에 따른 Uniform 256-QAM을 나타낸다.

도 2는 방송 및 통신 송신 시스템에서 입력 비트스트림을 변조하고, 수신 시스템에서 복조하고 출력 비트스트림을 복원하는 공통적인 과정을 간략히 나타낸다.

#1. Uniform Constellation을 활용하는 기술 (DVB-T/T2, DVB-H, ISDB-T 등 주로 1세대 방송 표준)

QAM 또는 APSK로 변조를 하는 경우, 성상을 구성하는 성상점들의 간격은 도 2에서 나타난 바와 같이 등간격(Uniform Spacing)을 가지게 된다. 이 때, 변조와 복조에 사용되는 성상점에 대한 정보는 사전에 정의되며 송수신단에서 동일한 성상점을 사용한다. 통상 '송수신 표준문서'에 관련 정보가 포함되어 있다.

도 3은 일 실시예에 따른 공통적으로 사용되는 채널오류정정블록을 제외한, Uniform Constellation 변복조부의 상세도를 나타낸다.

도 3은 도 1의 변복조부를 보다 상세하게 나타낸다.

채널오류정정부호를 통과한 Encoded Bits 스트림 b는 복조부에서 도 2에서 나타난 것처럼 Uniform Constellation 성상점 중 하나로 Mapping 되어 심볼로 변환되며, 심볼 성상의 평균 에너지를 1로 맞춰주기 위해서 필요한 정규화 값(Normalization factor) α (알파)값을 곱한 뒤 실제 무선 채널로 전송된다.

복조부에서는 변조부에서 곱한 정규화 값을 나눠주고, (다시 말해서 역수를 곱해주고) 변조부에서 사용된 동일한 Constellation을 사용한다.

도 4는 일 예에 따른 Non-Uniform Constellation을 사용하는 송수신 시스템을 나타낸다.

#2. Non-Uniform Constellation (DVB-NGH 등)

최근 새롭게 표준화를 마친, 2세대 유럽향 모바일 방송 표준인 DVB-NGH에는 성상을 구성하는 성상점들의 간격이 비균등(Non-Uniform)하다.

고차 변조로 갈수록 Shannon bound라고 하는 이론적으로 전송 가능한 최대 비트수와의 격차가 크게 발생하게 되는데, 최대 1.53dB까지 발생하게 된다. 따라서 이러한 전송 손실을 줄여 전송 용량을 높이기 위해서 Non-Uniform Constellation을 사용한다.

도 5는 일 예에 따른 Non-Uniform 256-QAM을 이용한 수신 SNR 15dB에서의 최적 성상점을 나타낸다.

도 5는 도 4에서 설명된 Non-Uniform Constellation을 사용함으로써 일 예로 Non-Uniform 256-QAM을 이용한 수신 SNR 15dB에서의 최적 성상점을 나타낸다.

도 6은 일 예에 따른 Non-Uniform 256-QAM을 이용한 Inverse Gaussian 방법을 사용한 최적 성상점을 나타낸다.

도 6는 도 4에서 설명된 Non-Uniform Constellation을 사용함으로써 일 예로 Non-Uniform 256-QAM을 이용한 Inverse Gaussian 방법을 사용한 최적 성상점을 나타낸다.

도 7은 일 예에 따른 공통적으로 사용되는 채널오류정정블록을 제외한, Non-Uniform Constellation 변복조부의 상세도를 나타낸다.

도 7의 Non-Uniform Constellation 변복조부의 상세도는 Uniform Constellation을 사용하는 변복조 상세도와 유사지만, 이 때 사용되는 Non-Uniform Constellation은 변조차수와 채널오류정정부호율의 조합에 의해서 다양하게 결정되며, 심볼 정규화 값 β(베타) 역시 성상도 변화에 따라서 다양하게 결정된다.

종래 기술들은 공통적으로 아래 같은 문제점이 발생한다.

1) 송수신에 사용되는 Constellation이 서로 동일한 것을 사용하기 때문에 이론적인 성능과 큰 차이를 보인다. 방송 시스템에서는 사전에 약속된 Constellation을 바탕으로 변조하고 복조하지 않으면 정상적으로 전체 시스템 동작이 이루어지지 않는다고 생각하며, 현존하는 모든 방송표준은 이를 따르고 있다.

2) 최적(Optimal) Non-Uniform Constellation 간격은 수신 SNR에 따라서 결정되는데, 수신 SNR과 사용된 채널 오류 정정 부호율 조합에 따라서 최적 간격 값이 다르다. 하지만, 송수신에 사용되는 Constellation을 바꿀 수 없는 방송 시스템과 같은 경우에는 시스템이 동작하기를 희망하는 Target SNR을 정하게 되고, 이 값을 가질 때의 최적 성상도 1개만을 표준에 정의하고 사용할 수 있다.

다시 말해서, 수신기별로 수신 환경이 모두 제각각이고 그 결과 수신 SNR 값도 서로 다르다. 따라서, 표준에서 정의된 Target SNR과 일치하지 않는 수신기들은 모두 성능 측면에서 손해를 볼 수밖에 없다.

앞으로 설명되는 내용 중, DVB-T는 유럽의 1세대 고정형 디지털 방송 표준을 나타낸다.

DVB-T2는 유럽의 2세대 고정형 디지털 방송 표준을 나타낸다.

ISDB-T는 일본의 1세대 고정형 디지털 방송 표준을 나타낸다.

DVB-H는 유럽의 1세대 이동형 모바일 방송 표준을 나타낸다.

DVB-NGH는 유럽의 2세대 이동형 모바일 방송 표준을 나타낸다.

앞서 설명된 기술들은 모두 변조와 복조에 사용하는 성상도를 동일하게 사용하였다.

즉, 변조에 사용된 성상도 그대로 복조에 활용하는 것을 원칙으로 삼았다.

후술될 기술은 변조에 사용되는 성상도와 복조에 사용되는 성상도를 서로 다르게 사용하는 기술을 제안한다.

도 8은 일 예에 따른 송신단에서 Uniform constellation을 사용하고, 수신단에서 Non-uniform Constellation을 사용하는 송수신 시스템을 나타낸다.

앞서 설명된 기술들에서 변조에 Uniform Constellation이 사용되었다면, 후술될 기술들에서는 복조에 Non-Uniform Constellation을 사용하는 것이다.

가령, 도 2의 성상도를 송신에 사용하였다면, 도 4의 성상도를 수신단에서 사용하여 LLR 값을 계산하게 되는 것이다. 그 결과, 입력 LLR 분포를 최대한 Gaussian 분포로 성형(Shaping)할 수 있어서 성능이 개선된다.

도 9는 일 예에 따른 공통적으로 사용되는 채널오류정정블록을 제외한, Uniform Constellation 변조부 및 Non-Uniform Constellation 복조부의 상세도를 나타낸다.

변조부에서는 Uniform Constellation을 사용하기 때문에, 변조 차수에 의해서만 성상점이 결정되는 반면에, 복조부에서는 Non-Uniform QAM을 사용하기 때문에 '변조차수와 부호율, 그리고 수신 SNR 값의 조합'으로 결정된다. 따라서, 이에 대응되는 심볼 정규화 값(Normalization factor) γ(감마) 역시 복조부 성상점에 따라 다양한 값을 취한다.

도 10은 일 예에 따른 송신단에서 Non-Uniform Constellation을 사용하고, 수신단에서 Uniform Constellation을 사용하는 송수신 시스템을 나타낸다.

도 8 내지 도 9의 시스템과 유사하게, 변조에 Non-Uniform Constellation을 사용하였다면, 복조에는 Uniform Constellation을 사용한다.

Non-Uniform Constellation을 획득, 결정함에 있어서,

1) 간단한 방법은 Inverse Gaussian 방법을 사용할 수 있다. 수신 SNR에 따라서 Gaussian CDF의 분산을 조절하고, 변조 차수에 따라서 Non-Uniform Spacing 값을 획득한다. 매번 계산할 수도 있고

2) 또는, 사전에 컴퓨터 시뮬레이션이나 필드 테스트를 통해서 수신 SNR에 따른 최적 Constellation을 정의한 뒤, 이를 수신기에서 불러서 사용하는 방법을 제안한다.

발명의 효과 - 정성적

제안 발명 기술을 사용하게 되면, 종래 기술이 가진 한계를 모두 극복할 수 있다.

1) 송신단에서 사용하는 부호율에 따른 Constellation만 정의하고 이를 표준에 포함시키면 된다. 즉, 수신단에서는 수신 상황에 맞춰서 수신 성능을 최대로 발휘할 수 있는, 송신단과 다른 Constellation을 사용하여 신호를 복원할 수 있다. 단, 변조 차수와 채널 오류 정정 부호율은 송신단과 동일한 값을 사용한다.

2) 나아가 수신단에서는 현재 자신의 수신 상태, 가령 수신 SNR 값에 따라서 최적의 성상 간격을 결정하고 이를 적용하여 복조할 수 있으므로, 시시각각 변화하는 수신 SNR에 맞춰 최상의 성능을 발휘할 수 있다.

나아가, 기존에 Non-Uniform Constellation을 정의하지 않은 방송 표준의 경우에도, 수신기서 이를 사용할 수 있는 해결책이 된다. 즉, 기존에는 표준에 정의되어 있지 않은 변조 성상도를 사용할 수 없지만, 제안 발명 기술은 수신단에서 이를 사용할 수 있게 해준다.

발명의 효과 - 정량적

MATLAB을 기반으로 하는 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 구체적으로는 수신 SNR에 따른 비트 오류율 BER 성능이 더 우수하며, 이론적인 성능에 보다 더 근접한 전송율을 얻을 수 있게 됨을 확인하였다.

도 11은 일 예에 따른 64-QAM에서의 수신 SNR에 따른 비트오류율(BER) 간의 성능 비교 그래프를 나타낸다.

도 11에 나타난 푸른선은 DVB-T/T2 표준에 정의된 Uniform QAM을 사용하는 경우이다.

도 11에 나타난 붉은선은 DVB-NGH 표준에 정의된 Non-Uniform QAM을 사용하는 경우이다.

도 11에 나타난 갈색선은 비대칭적 QAM 성상도를 사용하는 경우이다.

특히 송신단에서는 Uniform QAM을 사용하고, 수신단에서는 수신 SNR에 맞춘 Non-Uniform QAM을 사용하는 경우

특히 송신단에서는 Uniform QAM을 사용하고, 수신단에서는 수신 SNR에 맞춘 Non-Uniform QAM을 사용하는 경우이다.

도 12는 일 예에 따른 16-QAM에서의 성능 비교 그래프를 나타낸다.

도 12의 선들은 도 11의 선들과 마찬가지로, 푸른선은 DVB-T/T2 표준에 정의된 Uniform QAM을 사용하는 경우이다.

갈색선은 비대칭적 QAM 성상도를 사용하는 경우이다.

16-QAM의 경우는 DVB-NGH에서 정의하고 있지 않으므로, Uniform QAM과 제안 발명 기술의 성능을 비교하였다.

도 13은 일 예에 따른 Gaussian CDF 곡선을 나타낸다.

Non-Uniform Constellation 생성 방법에 있어서,

하나의 방법으로써 Inverse Gaussian CDF (Cumulative Density Function) 기법을 아래 상세히 설명하고자 한다.

첫번째 단계로, 목표로 하는 시스템에 맞춰 평균 μ 과 분산 σ² ＞0 을 정한다.

평균 μ 는 아래 CDF 곡선을 좌우로 평행이동 시키는 효과가 있다. 평균값이 음수이면 좌측으로, 양수이면 우측으로 평행이동된다.

분산 σ² 은 아래 CDF 곡선의 기울기, 즉 가파른 정도를 결정하게 된다. 분산값이 커질수록 X 축에 그래프가 붙어 기울기가 완만해지고, 분산값이 작아질수록 Y 축에 그래프가 붙어 기울기가 급해진다.

목표로 하는 시스템의 평균과 분산을 결정함에 있어서, 아래의 방법을 사용할 수 있다.

사전 컴퓨터 시뮬레이션이나 이론적 분석을 통해서, 변조차수(예, 16-QAM, 256-QAM 등)와 채널오류정정부호율(예, 1/2, 3/4 등), 입력 신호 SNR에 대해서 최적값을 정한 뒤 저장하고, 수신기 실제 동작시에는 그 값을 불러와서 사용할 수 있다.

분산값을 사전에 아래의 수학식들로 결정할 수 있다.

[수학식 1]

σ² = SNR(1-R)

[수학식 2]

σ² = SNR(1-R)²

여기서, SNR은 수신된 신호 대 잡음비 (linear Scale)를 의미하고, R은 채널오류정정부호율을 의미한다.

도 14는 일 예에 따른 평균과 분산이 결정된 CDF 곡선에서 Y축 구간을 8등분한 CDF 곡선을 나타낸다.

도 14에서는 도 13에 이어서 Non-Uniform Constellation 생성 방법의 다음 단계가 설명된다.

두번째 단계로, 송신단에서 사용하고자 하는 변조 차수에 맞게 Y축 구간을 균일하게 나눈다. 그리고, 구간의 중간값에 대응되는 X축 값을 변조를 위한 Real(In-Phase)와 Imaginary(Quadrature)로 사용한다.

예를 들어, 64-QAM을 사용한다고 가정하면, Y축 구간 [0,1]을 1/8씩 8등분한다. 그리고 구간 중간값에 대응되는 X축 값을 읽는다.

이 때, X축에 대응되는 값은 수신 SNR과 채널오류정정부호율, 변조 차수에 따라서 모두 다른 값을 갖게 되며, 다시 말해 상기 언급한 값들로 결정되는 CDF 곡선의 분산값에 의해서 달라진다.

도 15는 일 예에 따른 수신 SNR에 따른 최적 X축값 변화의 추이를 나타낸다.

세번째 단계로, 획득된 값을 바탕으로 변조 성상점을 생성한다. 그리고, 변조 성상점을 생성한 후에 평균적인 심볼 에너지가 1이 되도록 '심볼정규화(Normalization Factor)γ'를 계산한다.

Claims (1)

1. 비대칭적 변복조 성상도를 활용하는 송수신 방법.

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