KR20150085747A - Wpan 통신 시스템의 송신 방법 및 장치 - Google Patents

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김재환
최상성
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한국전자통신연구원
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Abstract

WPAN 통신 시스템의 송신 장치는 동기화 헤더, 물리계층 헤더 및 물리계층 서비스 데이터 유닛을 생성하고, 상기 동기화 헤더와 상기 물리계층 헤더를 비트열로 다중화한 후 다중화된 비트열을 제1 차동 위상 변조 방식으로 변조하며, 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 제2 차동 위상 변조 방식으로 변조하고, 상기 제1 차동 위상 변조 방식으로 변조된 심볼과 제2 차동 위상 변조 방식으로 변조된 심볼을 심볼열로 다중화한 후 송신한다.

Description

WPAN 통신 시스템의 송신 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR RECEIVING OF WIRELESS PERSONAL AREA NETWORK COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 WPAN 통신 시스템의 송신 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 스마트그리드용 지능형 검침 인프라(Advanced Metering Infrastructure, AMI)를 위한 WPAN 통신 시스템의 송신 방법 및 장치에 관한 것이다.
스마트그리드 무선통신 기술은 스마트그리드 수용가 지역에서 전력공급자와 수요자간의 양방향 무선통신 인프라로 사용되어 소비전력량과 전력사용 비용에 따른 에너지 고효율화를 달성하고, 송/배전 전력설비에서의 이상상태를 조기에 체크하여 불필요한 전력 누전을 방지하고 국가적인 전력망을 안정적으로 유지할 수 있는 저탄소 녹색산업 달성을 위한 국가인프라 구축의 핵심 기술로 부각되고 있다.
현재 국내에서는 전력선 통신(Power Line Communication, PLC) 기술 위주의 스마트그리드용 AMI 기술 개발이 이루어졌으며, 최근 휴대 단말기 보급이 보편화 되면서 지그비(ZigBee) 기술을 활용한 무선 AMI 기술 개발이 추진되었으나, 지그비 통신 성능 부족으로 인한 음영지역 발생 및 통신 커버리지 부족으로 상용화의 문제점이 도출되었다.
이에 2.4GHz ISM(Industrial Scientific and Medical) 대역에서 와이파이(Wi-Fi) 등과의 주파수 공유에 따른 간섭 문제를 안고 있는 지그비 통신을 대신하여 주파수공용통신용 주파수 대역(380MHz~400MHz 서브기가대역)을 이용하여 간섭 없이 안정적으로 전기/가스/수도와 같은 유틸리티 관련 정보를 공급자와 사용자 사이에 자유롭게 정보를 교환할 수 있는 저전력/저가격의 무선 전송기술개발에 대한 요구사항이 증대되고 있다.
특히 스마트그리드 AMI 서비스를 위해 신뢰성이 확보된 AMI용 WPAN(wireless personal area network) 통신 시스템의 개발이 요구되고 있으며, 1Km 이상의 확장된 통신 커버리지로 대부분의 스마트그리드 AMI 서비스를 단일 홉으로 처리 가능해야 한다. 또한 스마트그리드용 AMI 서비스에 사용되기 위해서 다양한 전송속도를 가지도록 하여 원격검침은 물론 송/배전 전력설비 감시 등 여러 가지 응용에 사용할 수 있어야 한다.
국내 스마트그리드 사업을 주도하고 있는 한국 전력에서는 주파수 공용통신용 주파수 대역에서 TETRA(Terrestrial Trunked Radio) 규격을 따르는 상용품을 이용하여 AMI 서비스를 시험적으로 수행하였다. 그러나 TETRA 규격은 1 유저(user)당 4.5Kbps의 낮은 전송속도로 인해 원활한 AMI 서비스를 제공하기 어려우며, 인프라 구축의 복잡성 및 비용이 높다는 단점이 있다. 또한 TETRA 규격 자체가 음성데이터 전송에 맞추어져 있기 때문에 AMI 서비스 용으로 부적합하다는 문제점이 도출되었다.
따라서 주파수 특성이 좋은 주파수 공용통신용 주파수 대역에서 스마트그리드 AMI 서비스에 특화된 새로운 통신 방식의 규격화가 요구되고 있다. 특히 지그비의 단점인 신뢰성 및 통신거리 부족과 TETRA의 단점인 낮은 전송속도 및 높은 인프라 구축비용을 해결할 수 있는 새로운 스마트그리드용 AMI 통신 기술이 필요하다.
본 발명이 해결하려는 과제는 주파수공용통신용 주파수 대역에서 신뢰성 있는 통신품질 및 다양한 전송속도로 스마트그리드용 AMI 서비스를 제공할 수 있는 WPAN 통신 시스템의 송신 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, WPAN 통신 시스템의 송신 장치가 할당된 주파수 대역에서 신호를 송신하는 방법이 제공된다. 송신 방법은 동기화 헤더, 물리계층 헤더 및 물리계층 서비스 데이터 유닛을 생성하는 단계, 상기 동기화 헤더와 상기 물리계층 헤더를 비트열로 다중화하는 단계, 상기 다중화된 비트열을 제1 차동 위상 변조 방식으로 변조하는 단계, 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 제2 차동 위상 변조 방식으로 변조하는 단계, 상기 제1 차동 위상 변조 방식으로 변조된 심볼과 제2 차동 위상 변조 방식으로 변조된 심볼을 심볼열로 다중화하는 단계, 그리고 상기 심볼열을 송신하는 단계를 포함한다.
상기 송신 방법은 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 변조하기 전에, 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 순방향 오류 정정 인코딩하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 송신 방법은 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 변조하기 전에, 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 스크램블링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 송신 방법은 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 변조하는 단계 이전 또는 이후에 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 확산시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 변조하는 단계 이전에 상기 확산시키는 단계는 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 비트열을 비트 그룹 단위로 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 비트 그룹은 한 심볼을 구성하는 비트 수의 비트, 또는 설정된 심볼 개수에 한 심볼을 구성하는 비트 수를 곱한 수의 비트를 포함할 수 있다.
상기 확산시키는 단계는 각 비트 그룹 뒤에 패딩을 추가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 변조하는 단계 이후에, 상기 확산시키는 단계는 심볼을 인접하여 반복하는 단계, 그리고 반복하고자 하는 심볼을 변형하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 송신 방법은 상기 다중화된 비트열을 변조하기 전에, 상기 물리계층 헤더를 순방향 오류 정정 인코딩하는 단계, 그리고 상기 다중화된 비트열을 변조하는 단계 이전 또는 이후에 상기 물리계층 헤더를 확산시키는 단계 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 변조 방식은 π/4 DQPSK 방식을 포함하고, 상기 제2 변조 방식은 π/4 DQPSK 방식 또는 π/8 D8PSK 방식을 포함할 수 있다.
상기 동기화 헤더는 프리앰블을 포함하고, 상기 생성하는 단계는 상기 프리앰블로 사용할 제1 프리앰블 시퀀스 및 제2 프리앰블 시퀀스를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 비트열을 변조하는 단계는 채널별로 기준 위상을 다르게 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 물리계층 헤더는 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 길이 및 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 복원에 필요한 정보를 포함하고, 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 복원에 필요한 정보는 변조 방식, 스크램블링 적용 여부, 순방향 오류 정정 인코딩 적용 여부 및 확산 적용 여부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 송신 방법은 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 변조하기 전에, 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 인터리빙하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 물리계층 서비스 데이터 유닛은 패킷의 수신 성공/실패에 대한 응답 신호를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시 예에 따르면, WPAN 통신 시스템의 송신 장치가 제공된다. 송신 장치는 패킷 생성부, 제1 변조부, 제2 변조부, 그리고 송신부를 포함한다. 상기 패킷 생성부는 동기화 헤더, 물리계층 헤더 및 물리계층 서비스 데이터 유닛을 생성한다. 상기 제1 변조부는 상기 동기화 헤더와 상기 물리계층 헤더를 제1 차동 위상 변조 방식으로 변조한다. 상기 제2 변조부는 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 제2 차동 위상 변조 방식으로 변조한다. 그리고 상기 송신부는 상기 제1 차동 위상 변조 방식으로 변조된 심볼과 제2 차동 위상 변조 방식으로 변조된 심볼을 송신한다.
상기 동기화 헤더는 프리앰블을 포함하고, 상기 프리앰블은 적어도 2개의 프리앰블 시퀀스를 포함할 수 있다.
상기 송신 장치는 확산부를 더 포함할 수 있다. 상기 확산부는 상기 물리계층 헤더와 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 변조 전에 상기 물리계층 헤더와 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 확산시킬 수 있다.
상기 확산부는 상기 물리계층 헤더와 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 비트열을 각각 비트 그룹 단위로 반복하며, 상기 비트 그룹은 한 심볼을 구성하는 비트 수의 비트, 또는 설정된 심볼 개수에 한 심볼을 구성하는 비트 수를 곱한 수의 비트를 포함할 수 있다.
상기 송신 장치는 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 변조 전에, 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 스크램블링하는 스클램블러, 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 순방향 오류 정정 인코딩하는 부호기, 그리고 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 인터리빙하는 인터리버 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 열악한 환경에서도 신뢰성 있는 통신 품질 보장 및 다양한 전송속도를 제공하여 AMI WPAN 네트워킹을 원활히 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 WPAN 통신 시스템의 패킷 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 WPAN 통신 시스템의 송신 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 장치의 패킷 처리 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 장치의 각 전송모드의 링크 버짓(Link budget)을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 AMI WPAN 패킷의 PHR을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 변조부의 마지막 심볼 매핑을 위한 비트 패딩 방법을 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 각각 도 2에 도시된 확산부의 확산 방법을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 2에 도시된 부호기의 PHR 및 PSDU의 확장 방법을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 2에 도시된 인터리버의 구조를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 프리앰블에서 사용하는 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 12는 도 2에 도시된 패킷 생성부에서 두 개의 서로 다른 시퀀스를 생성하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 WPAN 통신 시스템의 송신 방법 및 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
먼저 스마트그리드용 AMI 서비스에 대한 WPAN 통신 시스템의 요구 사항을 살펴본다.
도심지/준도심지/농어촌 단독주택의 미터기로부터 원격 검침을 수행하는 서비스의 경우는 주로 전주(Pole)에 설치된 DCU(Data concentrator unit)가 각 주택의 미터기의 데이터를 수집하는 경우로서, 도심지 100m 이내, 준도심지 200m 이내, 농어촌 300m 이내에서 신뢰성 있는 통신이 보장되어야 한다. 또한 1 DCU가 최소 200개의 미터기의 정보를 수집할 수 있어야 하고, 계량기당 약 300바이트 내외의 데이터가 요구된다. 스마트그리드 전력설비 감시 서비스를 위한 경우는 중계기가 전력설비의 데이터를 수집하는 경우로, LOS 1Km 이내에서 신뢰성 있는 통신이 이루어 져야 한다.
따라서 전송속도는 주어진 주파수 대역폭 내에서 최대한 높아야 하며, 열악한 환경에서도 통신이 되도록 수신감도를 극대화한 전송모드도 존재해야 한다. 주파수 공용통신용 주파수대역에서 주어진 채널간격이 25KHz이고 점유대역폭이 23KHz 이내이므로 이를 고려하여 무선 송신 장치가 설계되어야 한다. 또한 AMI 서비스 시나리오가 스타 네트워크(Star Network)에 적당하므로 저전송율(Low-Rate)의 WPAN 규격인 IEEE 802.15.4 방식을 준용한 간단한 패킷 기반(Packet-based) 통신 방식이 적절하다고 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 WPAN 통신 시스템의 패킷 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 스마트그리드용 AMI 서비스를 위한 물리 계층(Physical layer)의 WPAN 패킷(이하, "AMI WPAN 패킷"이라 함)(100)은 IEEE 802.15.4 기본 패킷 구조를 따른다.
AMI WPAN 패킷(100)은 동기화 헤더(Synchronization header, SHR)(110), 물리계층 헤더(PHY header, PHR)(120) 및 물리계층 서비스 데이터 유닛(PHY Service Data Unit, PSDU)(130)을 포함할 수 있다.
SHR(110)은 패킷 검출 및 동기 획득을 위한 것으로, 프리앰블을 포함한다.
PHR(120)은 PSDU의 길이 및 전송 모드 등의 정보를 포함한다.
PSDU(130)는 실제 데이터를 포함한다. 데이터는 전기/가스/수도와 같은 유틸리티 관련 데이터 즉, AMI 데이터를 포함한다. PSDU는 AMI의 요구사항인 300바이트 데이터를 수용하기 위하여 최대 511바이트의 크기를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 WPAN 통신 시스템의 송신 장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 송신 장치(200)는 패킷 생성부(210), 스클램블러(220), 부호기(230), 인터리버(240), 확산부(250), 다중화기(260_1, 260_2), 변조부(270_1, 270_2) 및 송신부(280)를 포함한다.
패킷 생성부(210)는 주파수 공용통신용 주파수 대역에서의 AMI WPAN 패킷을 생성한다. AMI WPAN 패킷은 도 1의 구조를 가진다.
패킷 생성부(210)는 AMI WPAN 패킷의 SHR을 다중화기(260_1)로 출력하고, AMI WPAN 패킷의 PHR을 부호기(230)로 출력하며, AMI WPAN 패킷의 PSDU를 스클램블러(220)로 출력한다.
스클램블러(220)는 PSDU를 스크램블링(Scrambling)시켜 부호기(230)로 출력한다. 스클램블링은 화이트닝(whitening)이라고도 하며, 보통 두 가지 목적을 갖는다. 첫 번째는 신호의 평균적인 스펙트럼 모양을 만들어내기 위함이고, 두 번째는 신호의 보안성을 유지하기 위함이다. 따라서 스클램블링은 그 목적에 따라서 정적 스크램블 시퀀스(Static Scramble Sequence)나 동적 스크램블 시퀀스(Dynamic Scramble Sequence)를 사용한다. 정적 스크램블 시퀀스는 일정한 구조로 정해져 있고, 정적 스크램블 시퀀스를 사용하는 경우 패킷의 PHR이나 PSDU에 선택적으로 비트 스크램블링이 적용되는 형식으로 구성된다. 스크램블링을 적용하는 방법은 PHR이나 혹은 프리앰블로부터 적용 여부를 알 수 있다. 예를 들어 PHR에는 스크램블링이 적용되지 않았다고 가정하면, 일정한 PHR의 비트 부분이 PSDU에 스크램블링의 적용 여부를 알려줄 수 있다. 이와 달리 프리앰블을 이용해서 스크램블링의 적용 여부를 알려준다면, 프리앰블 시퀀스가 어떤 것인지에 따라서 PHR이나 PSDU에 스크램블링의 적용 여부가 구분될 수 있다. 예를 들어, 프리앰블 시퀀스가 특정 시퀀스를 사용하면, PHR이나 PSDU에 스크램블링이 적용된 것을 나타낼 수 있고, 프리앰블 시퀀스가 다른 특정 시퀀스이면 스크램블링이 적용되지 않은 것을 나타낼 수 있다. 따라서 프리앰블 시퀀스를 판단하면, PHR이나 PSDU에 스크램블링이 적용되어 있는지 알 수 있다. 스크램블링의 적용은 보통 수학식 1과 같이 구현될 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서, s(n)은 스크램블 시퀀스이고, b(n)은 입력되는 비트 시퀀스이다. xor는 배타적 논리합(exclusive or) 연산을 나타낸다.
이때 사용되는 s(n)은 특정 정해진 구조 또는 공식으로부터 생성되는데, 암호화에 사용되는 일반적인 시퀀스일 수 있다. 이와 달리 스크램블링이 수학식 2와 같이 구현될 수 있다. 수학식 2와 같은 스클램블링은 셀프-스크램블러(Self-Scrambler) 구조에서 채택될 수 있다.
Figure pat00002
수학식 2에서, f(x1,x2,x3,…,xK+1)는 이진 함수(binary function)이다.
정적 스크램블링과 달리 동적 스크램블링의 경우에는 스클램블러(220)의 시드(Seed)가 되는 상태 값을 일정 조건에 따라서 변경하거나, 혹은 스클램블러(220)의 함수를 바꾸는 방식을 사용할 수 있다. 이때 스클램블러(220)의 시드나 함수를 바꾸는 조건은 통신하는 상호간에 합의된 값으로 결정하는 방식과 일정한 시퀀스를 두어서 스크램블러(220)를 선택하는 방법, 그리고 프리앰블에 따라서 스클램블러(220)를 선택하는 방법 등이 사용될 수 있다.
첫째로, 통신 개체 상호간에 스크램블러의 구조나 시드 값에 대해서 상호 협상하는 경우, 협상이 완료되어 확인이 되는 경우에만 스클램블러(220)의 구조나 시드 값을 변경한다. 만약 통신이 지속적으로 실패하는 경우, 미리 정해진 스크램블러(220)의 구조나 시드 값을 사용하거나 아니면 스크램블러(220)를 적용하지 않는 방법을 취한다.
둘째로, 일정한 순서에 따라서 스크램블러(220)를 변경하는 경우에는 패킷을 생성할 때, 사전에 정해진 일정한 순서로 스클램블러(220)를 구성하는 것이고, 수신단에서는 그 순서에 맞춰서 복호를 시도하게 된다. 이 경우에 통신이 실패하면 해당 시퀀스를 처음부터 다시 시작하거나 스크램블러(220)를 적용하지 않는 방법을 선택할 수 있다.
셋째로, 프리앰블에 사용되는 시퀀스의 종류에 따라서 스크램블러(220)를 변경한다면, 스크램블러(220)의 선택은 프리앰블 시퀀스의 구성에 대한 함수가 된다. 즉 특정 프리앰블 시퀀스는 특정 스크램블러의 시드나 함수에 매핑되어서, 수신단에서는 프리앰블 시퀀스를 분석함으로써 스크램블러의 존재 여부와 종류를 판별할 수 있다. 즉 프리앰블에 사용되는 시퀀스의 종류에 따라서 스크램블링 여부 또는 시드나 함수가 다르게 사용될 수 있다. 예를 들어, 프리앰블 시퀀스 A는 스크램블러(220)를 적용하지 않는 것을 나타내고, 프리앰블 시퀀스 B는 시드 1 사용을 나타내며, 프리앰블 시퀀스 C는 시드 2 사용을 나타내며, 프리앰블 시퀀스 D는 함수 1 사용을 나타낼 수 있다.
부호기(230)는 PHR 및 스크램블링된 PSDU를 순방향 오류 정정(Forward Error Correction, FEC) 인코딩하여 인터리버(240)로 출력한다. 부호기(230)는 PHR에 대해 의무적으로 FEC 인코딩을 수행하고, PSDU에 대해 의무적 또는 선택적으로 FEC 인코딩을 수행할 수 있다.
인터리버(240)는 FEC 인코딩된 PHR 및 PSDU를 인터리빙하여 확산부(250)로 출력한다. PHR에 대해 인터리버(240)의 인터리빙은 의무적으로 수행되고, PSDU에 대해 인터리버(240)의 인터리빙은 의무적 또는 선택적으로 수행될 수 있다.
확산부(250)는 인터리빙된 PHR 및 PSDU를 확산(spreading)시킨 후 PHR을 다중화기(260_1)로 출력하고 PSDU를 변조부(270_2)로 출력한다. 확산부(250)는 PHR에 대해 확산부(250)의 확산은 의무적이며, PSDU에 대해서는 의무적 또는 선택적일 수 있다.
다중화기(260_1)는 SHR과 확산부(240)에 의해 확산된 PHR을 하나의 비트열로 다중화시킨 후 변조부(270_1)로 출력한다.
변조부(270_1)는 다중화기(260_1)로부터 출력되는 비트열을 설정된 변조 방식으로 변조하여 다중화기(260_2)로 출력한다.
변조부(270_2)는 확산부(240)에 의해 확산된 PSDU을 설정된 변조 방식을 이용하여 심볼로 변조하여 다중화기(160_2)로 출력한다.
변조부(270_1, 270_2)는 주어진 점유 대역폭 내에서 최대한 높은 전송 속도를 얻기 위해 스펙트럴 효율(Spectral efficiency)이 좋고, 상대적으로 낮은 전송속도에서 패킷 길이가 길어질 때 생길 수 있는 채널 문제에 대해 강인한 변조 방식을 사용한다. 예를 들면, 변조부(270_1, 270_2)는 DPSK(Differential phase shift keying) 변조 방식을 사용할 수 있으며, 비트 변환(bit transition)간에 위상(phase) 차를 줄이기 위해 π/4 DQPSK 방식과 π/8 D8PSK 방식을 사용할 수 있다. 특히, 변조부(270_1)는 변조 방식으로 π/4 DQPSK 방식을 사용할 수 있으며, 변조부(270_2)는 변조 방식으로 π/4 DQPSK 방식 또는 π/8 D8PSK 방식을 사용할 수 있다. 즉, SHR과 PHR는 π/4 DQPSK 방식으로 변조될 수 있고, PSDU는 π/4 DQPSK 방식 또는 π/8 D8PSK 방식으로 변조될 수 있다.
다중화기(260_2)는 변조부(270_1, 270_2)에 의해 변조된 심볼들을 하나의 심볼열로 다중화하여 송신부(280)로 출력한다.
송신부(280)는 심볼열을 RRC(Root Raised Cosine) 및 LPF(low pass filter) 필터링시켜 송신한다.
이와 같은 송신 장치(200)에서 AMI WPAN 패킷을 처리하는 방법을 개략적으로 나타내면 도 3과 같이 나타낼 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 장치의 패킷 처리 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참고하면, SHR과 PHR은 공통의 변조 방식 예를 들면, π/4 DQPSK 방식으로 변조된다. 중요한 정보를 담고 있는 PHR에는 최대한 신뢰성을 높이기 위해 FEC 인코딩과 확산이 의무적으로 수행될 수 있고, 화이트닝(스클램블링), FEC 인코딩, 인터리빙 및 확산이 선택적으로 수행될 수 있다. 또한 PSDU는 PHR의 정보에 따라 π/4 DQPSK 방식 또는 π/8 D8PSK 방식으로 변조될 수 있다.
PHR은 기본적으로 PSDU를 복구할 때 필요한 정보를 포함한다. PSDU의 동작 SNR이 2dB 내외이므로 PHR도 비슷한 SNR에서 복구될 수 있도록 신뢰성을 확보해야 한다. 따라서 PHR에도 FEC 인코딩과 확산 및 인터리빙이 의무적으로 수행될 수 있다.
이와 같이, 송신 장치(200)는 PSDU의 신뢰성 향상을 위해서 PSDU에 FEC 인코딩을 수행할 수 있다. 부호율(rate) 1/2, K=7인 길쌈 부호(convolutional code)를 사용할 경우 7dB의 부호 이득(Coding Gain)을 얻을 수 있다. 그리고 간단한 방식으로 이득을 더 얻기 위해서 PSDU에 확산을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 장치의 각 전송모드의 링크 버짓을 나타낸 도면이다.
도 4를 참고하면, 데이터율(data rate)의 경우는 최소 9Kbps에서 최대 54Kbps를 가질 수 있어 기존의 TETRA 시스템에 비하여 높은 전송 속도를 가질 수 있다. 열악한 환경에서 패킷을 복원할 수 있는지의 지표를 나타내는 수신기 감도(Receiver Sensitivity)를 보면, -101dBm~-115dBm으로, 기존의 지그비(ZigBee) 시스템보다 10~20dB 향상되었음을 알 수 있다.
송신 장치(200)의 전송모드는 변조 차수(Modulation order, M=4/8), FEC 인코딩 및 확산 적용 여부에 따라서 조절되며, 사용자는 주어진 AMI 서비스와 주변 통신환경에 맞게 변조 차수나 FEC 인코딩 및 확산 적용 여부를 선택하거나 MAC에서 적응적으로 전송 모드를 변경할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 AMI WPAN 패킷의 PHR을 나타낸 도면이다.
도 5를 참고하면, PHR은 18비트로 구성되며, 데이터 화이트닝 필드, FEC 모드 필드, 레이트 모드(rate mode) 필드, 프레임 길이 필드 및 패리티 필드를 포함한다. 또한 PHR은 확장(Extended) 필드를 더 포함할 수 있다.
화이트닝 필드는 PSDU의 스크램블링 적용 여부를 나타내고 1비트로 구성되며, 비트열 인덱스 1에 매핑될 수 있다.
FEC 모드 필드는 PSDU의 FEC 인코딩 적용 여부를 나타내고, 1비트로 구성되며, 비트열 인덱스 2에 매핑될 수 있다.
레이트 모드 필드는 PSDU의 변조 방식 및 확산 적용 여부를 나타내고, 2비트로 구성되며, 비트열 인덱스 3 및 4에 매핑될 수 있다.
프레임 길이 필드는 511바이트의 PSDU의 길이를 나타내고, 511바이트의 PSDU를 위해 9비트로 구성되며, 비트열 인덱스 5 내지 13에 매핑될 수 있다.
패킷 생성부(210)는 비트열 인덱스 3 내지 13까지 11비트의 데이터를 BCH 인코딩하여 4비트의 BCH 패리티를 생성할 수 있으며, 4비트의 BCH 패리티는 패리티 필드에 포함된다. BCH 패리티는 비트열 인덱스 14 내지 17에 매핑될 수 있다.
이때 BCH 인코딩에 사용한 BCH 코드는 BCH(15,11,1)로써 4비트 패리티를 추가하여 1비트 오류를 정정할 수 있는 능력을 가진다. BCH를 사용한 이유는 길이 정보를 추가적으로 보호하기 위한 것으로 길이 정보에서 오류가 나면, PSDU를 복원하더라도 오류가 난 경우이므로 버려야 한다. BCH 패리티 대신 간단한 홀수/짝수 패리티를 반복하여 패리티 필드에 삽입할 수 있다.
그리고 PHR의 확장 필드는 추후 PHR에 담아야 할 정보가 추가되는 경우에 사용된다. 추가되는 정보는 현재의 PHR 뒤에 배치될 수 있다.
이러한 PHR의 정보에 따라 PSDU에 대해 π/4 DQPSK 방식 또는 π/8 D8PSK의 변조방식이 결정되고, FEC 인코딩, 확산 및 화이트닝이 수행될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 변조부의 마지막 심볼 매핑을 위한 비트 패딩 방법을 나타낸 도면이다.
도 6을 참고하면, 송신 장치(200)는 변조 방식으로 π/4 DQPSK 방식 또는 π/8 D8PSK 방식을 사용하는데, π/4 DQPSK 방식 또는 π/8 D8PSK 방식에서는 특정 개수의 비트가 하나의 심볼로 매핑된다. 예를 들어, 2비트가 하나의 심볼로 매핑될 수도 있고, 3비트가 하나의 심볼로 매핑될 수도 있으며, 6비트가 하나의 심볼로 매핑될 수도 있다.
전송 비트의 총 수가 2의 배수인 경우, 2비트를 하나의 심볼로 매핑하는 데는 문제가 없으나 3비트를 하나의 심볼로 매핑하는 데에는 문제가 발생한다. 이를 처리하기 위해서 마지막 심볼 위치에서 요구되는 2비트나 3비트 등의 묶음(group)으로 할 수 없는 경우, 패딩(Padding)이 필요하다. 패딩은 변조부(270_1, 270_2)에서 수행하며, 이때 패딩의 방법은 도 6의 (A) 또는 (B)와 같이 단순히 0이나 1을 삽입하는 방법과, (C) 및 (D)와 같이 전송 비트를 반복하는 방법이 있다.
예를 들어, 변조부(270_1, 270_2)는 1비트만 남아 있는 경우, 심볼 매핑을 위해 2비트 묶음을 만들어야 하면, (A)와 같이 0을 삽입할 수도 있고, (B)와 같이 1을 삽입할 수도 있으며, (C)와 같이 비트를 반복하여 2비트를 만들 수 있다.
예를 들어, 변조부(270_1, 270_2)는 1비트만 남아 있는 경우, 심볼 매핑을 위해 3비트 묶음을 만들어야 하면, (A)와 같이 0을 삽입할 수도 있고, (B)와 같이 1을 삽입할 수도 있으며, (C)와 같이 남은 비트를 반복하여 3비트를 만들 수 있다.
변조부(270_1, 270_2)는 (D)와 같이 2비트가 남은 경우, 심볼 매핑을 위한 3비트 묶음을 만들어야 하는 경우, 남은 2비트 중 첫 번째 비트를 반복할 수도 있고, 남은 2비트 중 두 번째 비트를 반복할 수도 있다.
도 7 및 도 8은 각각 도 2에 도시된 확산부의 확산 방법을 나타낸 도면이다.
도 7을 참고하면, 확산부(250)는 수신단의 복조/복호 성능을 향상시키기 위해서 PHR 및 PSDU에 대해 확산을 수행할 수 있다. 확산의 한 방법으로 신호를 반복해서 전송하는 반복 방법이 있다.
DQPSK나 D8PSK의 경우에는 한 심볼이 2비트 단위와 3비트 단위로 구성된다. 심볼을 반복시키는 방법으로는 차동 변조 이후에 반복하는 방법과 차동 변조 전에 비트 묶음으로 반복하는 방법을 사용할 수 있다.
단순하게 심볼을 시간영역에서 반복하는 방법은 도 7의 (A)와 같다. 그러나 이 방법은 차동 변조에서 성상도(Constellation)로 정의되지 않는다. 따라서 확산부(250)는 도 7의 (B)와 같이, 반복하고자 하는 심볼 S(X)을 변형할 수 있다. 예를 들어, 확산부(250)는 심볼 S(X)를 반복하고자 하는 경우, 심볼 S(X)를 위상 변조(phase modulation)하고 위상 변조된 신호 값 f(S(X))를 출력할 수 있다. 확산부(250)는 심볼 S(X)을 변형하는 방법으로 위상 변조 외에도 복소 연산(conjugate operation)을 이용할 수 있다. 이 경우, 확산부(250)는 변조부(270_1, 270_2) 뒤에 위치할 수 있다.
이와 달리, 확산부(250)는 도 7의 (C)와 같이 차동 변조 전 PHR 및 PSDU를 한 심볼을 구성하는 비트 수만큼씩 비트 그룹으로 나누고, 각 비트 그룹을 반복할 수 있다. 즉, 확산부(250)는 변조 방식에 따라서 PHR 및 PSDU에 대해 2비트 또는 3비트씩 비트 그룹으로 나누고, 각 비트 그룹을 반복한다. 이 경우, 차동 변조 전에는 비트가 반복되지만, 차동 변조 후의 시간 영역에서는 서로 다른 파형 형태가 나타난다.
차동 변조 후에 심볼을 반복한 경우 수신단은 시간영역에서 신호를 합한 다음 차동 복조를 수행해야 하고, 차동 변조 전에 비트 그룹을 반복한 경우 수신단은 차동 복조를 수행한 다음에 신호를 합해야 한다.
도 7의 (B)와 (C)의 방법은 심볼 단위로 반복된 신호가 인접해서 전송된다. 이와 달리, 둘 이상의 심볼 단위로 신호를 반복할 수도 있다.
도 8에 도시한 바와 같이, 확산부(250)는 PHR 및 PSDU에 대해 둘 이상의 심볼을 구성하는 비트 수만큼씩 비트 그룹으로 나누고, 각 비트 그룹을 반복할 수 있다. 즉 비트 그룹의 길이는 비트 그룹을 구성하는 심볼의 수(K)에 한 심볼을 구성하는 비트 수(m)의 곱이 된다.
예를 들어, 확산부(250)는 8개의 심볼을 구성하는 비트들을 하나의 비트 그룹으로 나누고, 이 비트 그룹을 반복한다. 이렇게 하면, 8개의 심볼이 전송되고, 그 다음에 동일한 8개의 심볼이 반복해서 전송된다.
확산부(250)는 각 비트 그룹의 시작 위상을 동일하게 하기 위해서 각 비트 그룹의 시작이나 마지막에 블록 패딩(block padding)을 추가할 수 있다. 이때 하나의 비트 그룹과 블록 패딩을 합쳐서 하나의 블록으로 정의할 수 있다. 비트 그룹이 차동 변조될 때 비트 그룹 바로 앞의 심볼의 위상을 기준으로 차동 변조를 하기 때문에, 확산부(250)는 기준 위상을 동일하게 맞추기 위해 각 비트 그룹 바로 앞의 심볼의 위상이 동일해지도록 각 비트 그룹의 시작이나 마지막에 임의로 비트를 추가할 수 있다. 이렇게 하면, 블록 단위끼리 시간 영역에서도 파형이 동일하게 되어 수신단은 시간영역에서 신호를 합할 수 있다.
도 5에서 설명한 방법이 적용될 수 있다. 이렇게 하면, 수신단에서 시간영역에서 신호를 합한 다음 차동 복조하거나 차동 복조를 수행한 다음 신호를 합해서 처리하는 것이 가능하다.
이때 PSDU 전체 크기나 혹은 패킷 구조의 전체를 반복하는 것도 가능하다.
도 9는 도 2에 도시된 부호기의 PHR 및 PSDU의 확장 방법을 나타낸 도면이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 부호기(230)는 PHR과 PSDU를 FEC 인코딩하기 전에 PHR과 PSDU를 확장시킨다. 즉, 부호기(230)는 PHR과 PSDU 각각에 대해 PHR과 PSDU 뒤에 제로(zero) 비트를 추가하고, PSDU의 제로 비트 뒤에 패드 비트를 추가할 수 있다.
예를 들면, PHR 및 PSDU 각각 뒤에 6-제로 비트가 추가될 수 있으며, 6-제로 비트는 부호기(230)로 K=7인 길쌈 부호기가 사용되는 경우에, 길쌈 부호기의 상태를 0으로 보내기 위함이다. 그리고 패드 비트는 인터리버(240)의 크기에 맞게 추가된 것이다.
부호기(230)는 PHR과 PSDU를 확장시킨 후 FEC 인코딩한다.
이와 같이 PHR과 PSDU가 FEC 인코딩되고 나면, 인터리버(230)에서 인터리빙을 수행한다.
도 10은 도 2에 도시된 인터리버의 구조를 나타낸 도면이다.
도 10을 참고하면, 인터리버(230)는 행과 열로 구성된 매트릭스의 형태를 가지며, 인터리버(230)로 입력되는 비트를 행방향으로 쓰고, 열 방향으로 읽어냄으로써, PHR과 PSDU를 각각 인터리빙할 수 있다. 인터리버(230)는 구현 구조(Implementation)를 고려하여 도 10과 같이 열의 깊이 레벨이 8이고, 열의 깊이 레벨이 8인 64의 크기로 구현될 수 있다.
이때 PHR와 PSDU의 인터리버(230)의 크기는 다르게 구성될 수 있다. 먼저 PHR은 고정인 18비트의 PHR 시퀀스에 6-제로 비트가 붙어 총 24비트가 되고, 이를 FEC 인코딩하게 되면 48비트가 된다.
인터리버(230)는 인코딩된 PHR 부분만 인터리빙하기 위하여 인터리버(230)의 크기를 48로 설정할 수 있다. 인터리버(230)는 열의 깊이 레벨을 6까지 사용하고 행의 깊이 레벨로 8로 사용함으로써 48 크기를 구현할 수 있다. 이렇게 하면, 수신단에서 PHR을 복구할 때, PSDU와 독립적으로 복구할 수 있어 지연(Latency)을 줄일 수 있다.
PSDU는 그 길이가 가변이기 때문에 PSDU의 길이 정보에 따라 패드 비트의 수가 달라지게 된다. 패드 비트의 수 는 인터리버(230)의 크기와 바이트로 표현되는 PSDU의 길이를 고려하여 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00003
여기서, NPAD는 패드비트의 수를 나타내고, LENGTH는 PSDU의 길이를 나타낸다. ceiling (i)는 천장 함수(ceiling function)로서, i보다 크거나 작으면서 가장 작은 정수를 반환하는 함수이다. NDEPTH는 인터리버(230)의 크기로, 도 10에서 NDEPTH는 64이다.
인터리버(230)는 인코딩된 PSDU 부분을 인터리빙하기 위하여 위하여 인터리버(230)의 크기를 64로 설정할 수 있다. 인터리버(230)는 행과 열의 깊이 레벨을 모두 8을 사용함으로써 64 크기를 구현할 수 있다.
이와 같이, 인터리버(230)는 공통된 구현 구조로 PHR과 PSDU의 인터리버 크기를 달리할 수 있다. 이때 행과 열의 깊이 레벨은 채널 환경 등을 고려하여 변경될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 프리앰블에서 사용하는 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 11을 참고하면, 프리앰블은 SHR에 포함된다.
SHR은 전송 모드에 상관없이 π/4 DQPSK 방식으로 변조된다. 따라서 π/4 DQPSK 변조 방식의 특성을 이용하여 SHR이 설계되어야 한다. PHR과 PSDU의 복원을 위한 동작 SNR이 약 2dB이므로, SHR도 수신단에서 2dB에서 동기성능에 문제가 없도록 설계해야 한다.
프리앰블은 수신단에서 신호의 동기와 주파수/클럭 옵셋을 추정하기 위해서 사용된다. 또한 코히런트(Coherent) 수신기의 경우에는 프리앰블을 이용하여 채널 응답을 추정하기도 한다.
프리앰블은 연속하는 2개의 프리앰블 시퀀스를 포함한다. 2개의 프리앰블 시퀀스는 각각 시퀀스 A, 시퀀스 B를 포함한다. 시퀀스 A 및 시퀀스 B는 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다. 따라서 패킷 생성부(210)는 시퀀스 A를 생성하고, 이를 반복해서 보낼 수 있고, 각각 독립적으로 시퀀스 A 및 시퀀스 B를 생성할 수 있다. 또는 시퀀스 B는 시퀀스 A에 임의의 위상을 곱하여 생성할 수도 있다.
패킷 생성부(210)는 각 시퀀스 A, 시퀀스 B의 뒤에 순환 프리픽스(Cyclic Prefix, CP)를 추가할 수 있다. 실제로 다중경로(Multipath)가 존재하는 채널의 경우에는 심볼에 왜곡이 발생하는데, 왜곡의 정도는 채널의 대역폭에 따라서 달라진다. 협대역 채널의 경우에는 다중경로에 의한 왜곡이 상대적으로 작다. 하지만 실제 운용상에서는 채널의 특징을 가늠하기 곤란하므로, 발생할 수 있는 채널 응답을 대비하여 각 시퀀스 A, 시퀀스 B의 뒤에 CP가 추가될 수 있다.
프리앰블 시퀀스는 물리계층의 변조와 호환되는 것이 바람직하다. 예를 들어 차동 변조를 사용하는 경우 프리앰블 시퀀스 자체도 차동 변조로 구성이 가능한 조합이어야 한다. 따라서 일반적인 임의 시퀀스는 본 발명의 실시 예에 따른 WPAN 통신 시스템에 적합하지는 않다.
본 발명에서 지향하는 프리앰블은 시간 영역에서 상호 상관(Cross-correlation) 방법이나 자기 상관(Auto-correlation) 방법으로 프리앰블 시퀀스를 검색할 수 있는 구조로 설계된다. 이렇게 하면, 모뎀을 구현하는 자가 수신단의 복잡도를 선택할 수 있으며, 프리앰블 자체의 목적인 동기화 및 오차 추정에 있어서 자유도가 제공될 수 있다.
따라서 패킷 생성부(210)는 자기 상관 특징이 델타(Delta) 함수에 가까운 시퀀스를 시퀀스 A 및 시퀀스 B로 선택하고, 시퀀스 B가 종료될 때의 심볼의 위상이 시퀀스 B가 전송되기 전, 즉 시퀀스 A가 종료될 때의 심볼의 위상과 동일해지는 시퀀스 A 및 시퀀스 B를 선택한다. 앞에서 설명한 바와 같이, 시퀀스 A를 차동 변조할 때의 기준 위상과 시퀀스 B를 차동 변조할 때의 기준 위상이 동일해야만 수신단에서 상관을 이용하여 동기를 수행할 수 있다. 따라서 패킷 생성부(210)는 차동 변조할 때의 기준 위상이 서로 동일하도록 시퀀스 A 및 시퀀스 B를 생성할 수 있다.
이렇게 하면, 송신 신호의 위상이 변화되는 것을 막을 수 있고, 시퀀스 A 및 시퀀스 B를 임의 개수 연속하여 전송함으로써 상호간의 시퀀스로부터 발생하는 위상 변화를 피할 수 있다. 즉, 이 조건은 수학식 4와 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00004
수학식 4와 같이, τ가 0이 아닐 때는 R(τ)를 최소화시키는 시퀀스가 프리앰블 시퀀스로 사용될 수 있다.
이와 같이, 프리앰블은 두 개의 시퀀스 즉 시퀀스 A와 시퀀스 B를 전송하는 형태가 사용된다. 이때 사용된 시퀀스 A와 시퀀스 B가 같으면, 수신단에서는 자기 상관을 이용해서 손쉽게 신호를 추정할 수 있다. 이 경우는 프리앰블 시퀀스 자체를 미리 알지 못하는 수신단이 동기를 찾아내는데 용이하다. 시퀀스 A와 시퀀스 B가 가 서로 다른 경우, 수신단에서는 미리 알고 있는 시퀀스 A와 시퀀스 B를 이용하여 상호 상관 방식으로 동기 시점을 찾아낼 수 있다.
도 12는 도 2에 도시된 패킷 생성부에서 두 개의 서로 다른 시퀀스를 생성하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 12의 (A)와 같이, 패킷 생성부(210)는 임의 사용 가능한 시퀀스 집합(Set)에서 시퀀스 A와 시퀀스 B를 선택할 수 있다.
도 12의 (B)와 같이, 패킷 생성부(210)는 임의 사용 가능한 시퀀스 집합(Set)에서 임의의 하나의 시퀀스를 시퀀스 A로 선택하고, 시퀀스 A의 전송 위치에서 일정한 변조를 적용하는 방식으로 시퀀스 B를 생성할 수 있다. 예를 들어, 패킷 생성부(210)는 시퀀스 전송 위치에서 전송되는 시퀀스 A에 임의 위상(π)을 복소수화한 값[exp(1i*π)]을 곱해서 시퀀스 B를 생성할 수 있다. 이렇게 하면, 수신단에서 동기 시점을 찾아내는데 도움을 줄 수 있다. 이러한 프리앰블 시퀀스는 물리계층의 동작을 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 패킷 생성부(210)는 시스템 정보를 전송하는 하향링크 패킷의 경우에 사용하는 프리앰블 시퀀스를 미리 정해두고, 그 외 데이터를 주고 받는 데에는 다른 프리앰블 시퀀스를 사용할 수 있다. 이렇게 하면, 수신단인 단말은 시스템 정보를 받을 때와 데이터 패킷을 받을 때, 서로 다른 물리계층의 동작을 지시할 수 있다. 또한 단말이 시스템과 동기화 되고 초기화 될 때 사용하기 적합하다.
또 다른 예로, 패킷 생성부(210)는 다중 협대역 채널 중에 제어 신호를 전송하는 채널에는 특정한 프리앰블 시퀀스를 사용하고, 그 외 일반적인 피어투피어(Peer-to-Peer) 트래픽을 생성하는 채널의 경우에는 다른 프리앰블 시퀀스를 사용할 수 있다. 이렇게 함으로써, 새로 설치되거나 주파수 플래닝(Frequency Planning)을 수행하는데 있어서, 단말의 무선 주파수(Radio Frequency, RF)를 조절하는 과정을 거치지 않아도 되는 장점을 갖는다.
한편, WPAN 통신 시스템이 다중의 말단 노드(end node)를 관장하는 경우, 기지국(Coordinator)은 다중 채널을 통해서 신호를 전송하게 된다. 이때, 신호는 다중채널을 통해서 전송되기 때문에 PAPR(Peak to Average Power Ratio) 문제가 발생한다. 단일 채널(Single channel)을 통해서 전송되는 신호는 차동 변조 형태의 일정 크기 파형(Constant amplitude waveform)을 갖는다. 하지만 다중 채널 신호가 합해지게 되면, PAPR 문제가 발생하게 된다. PAPR 값이 크면 클수록 RF의 크기가 커져야 통신 거리를 유지할 수 있다. 따라서 PAPR 값을 줄이면, 적은 비용의 RF 증폭기로 시스템을 구성할 수 있는 장점이 생긴다. 보통 시스템은 다중 채널을 사용하더라도, 각 채널의 동기를 맞춰서 전송하는 경향이 있다. 이렇게 각 채널의 동기를 맞추게 되면, 송신과 수신의 연동을 손쉽게 구현할 수 있기 때문이다. 하지만 이런 경우 각 채널에 같은 프리앰블이 전송되는 것처럼 같은 시퀀스가 전송되면, 신호의 PAPR 값이 급격히 커지게 된다. 또한 PHR 부분에서도 대부분의 패킷들은 유사한 비트 패턴을 가질 확률이 높다. 하지만 PSDU는 서로 다른 값을 전송하기 때문에 랜덤성(Randomness)이 발생한다. PAPR이 좋은 특징을 나타내는 것은 랜덤성이 높거나 혹은 신호의 위상 합이 0이 되는 구성이다. 따라서 PSDU 부분보다는 SHR과 PHR 부분에 PAPR 문제가 더 발생하는데, 이 부분은 또한 수신단에서 가장 감도가 좋아야 하는 부분이다. 따라서 SHR과 PHR 부분의 PAPR을 줄이기 위해서, 다양한 방법을 선택할 수 있다.
그러면, 다중 채널 환경에서 PAPR을 감소시킬 수 있는 방법에 대해 설명한다.
첫 번째 방법은 각 채널마다 같은 프리앰블 시퀀스를 사용하지 않는 것이다. 즉, 패킷 생성부(210)는 서로 다른 채널에 서로 다른 프리앰블 시퀀스를 사용함으로써 램덤성을 높게 할 수 있다. 하지만 이로써는 PHR 부분에 발생하는 유사성을 방지할 수 없다.
두 번째 방법은 도 13에 도시한 바와 같이, 각 패킷의 시작이 되는 기준 위상을 채널 별로 다르게 설정한다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 13에 도시한 바와 같이, 변조부(170_1, 170_2)에서 각 패킷의 시작이 되는 기준 위상(a, b, c, …, n)을 채널 별로 다르게 설정하면, 프리앰블 시퀀스가 서로 같아도 서로 다른 위상을 가지고 있기 때문에 프리앰블에서 PAPR을 감소시킬 수 있다. 또한 프리앰블 시퀀스가 프리앰블 전송 후에 원래 위상으로 돌아가는 특성을 가지고 있다면, PHR 부분에서도 서로 다른 위상을 가지도록 구성할 수 있다. 즉 PHR을 차동 변조하는 시점에서는 프리앰블 종료 시점의 위상이 PHR의 기준 위상이 되고, 이 값은 각 채널마다 설정된 기준 위상이므로 PHR 값이 동일한 값을 가지더라도 각 채널마다 시간영역에서는 서로 다른 파형이 되어서 랜덤성을 가질 수 있다. 따라서 변조부(170_1)는 채널별로 사용하는 기준 위상이 중첩되지 않도록 채널별 기준 위상을 설정한다.
한편, 다중 채널을 사용하는 상황에서 기지국이나 단말은 패킷 송수신 동작에 다양성을 제시할 수 있다. 우선, 기지국의 경우에는 송신 장치의 전력 제한이 거의 없으므로, 모든 채널을 다 활용해서 패킷을 송신하거나 수신할 수 있다. 반면 단말의 경우에는 다중 채널을 동시에 활용할 수 있는 경우와 단일 채널만 사용할 수 있는 경우로 나뉠 수 있다. 따라서 다중 채널을 모두 사용하는 경우에, 단말의 송신 장치에서의 패킷 송신 방법은 다음과 같은 경우로 나뉘어서 제시할 수 있다.
첫째, 특정 채널을 선택해서 패킷을 송신하는 경우와 둘째, 사용 가능 채널 중에 서브셋 채널들을 통해서 동시에 전송하는 경우, 그리고 셋째, 모든 사용 가능 채널을 사용해서 패킷을 송신하는 경우이다.
이때, 둘 이상의 서로 다른 채널을 사용하는 경우, 단말의 송신 장치는 통신 상태가 좋지 않을 때 같은 패킷을 보낼 수 있고, 채널이 좋은 경우에는 쓰루풋(Throughput) 향상을 위해서 서로 다른 채널에 다른 패킷을 전송할 수 있다. 패킷을 수신하는 수신 장치에서는 같은 패킷이 다중 채널로 수신되면, 신호를 결합(combine)해서 SNR 향상을 꾀할 수 있다. 반면, 다른 채널에 다른 데이터가 들어오는 경우, 수신 장치는 각 패킷들을 독립적으로 복호하고 주어진 PSDU 내부의 MAC 정보에 따라서 패킷 재정렬(Packet Reordering)을 수행한다.
단말의 송신 장치는 다른 채널을 선택함에 있어서, 단말이나 기지국이 사전에 채널 정보를 수집하는 단계를 거쳐, 채널 리스트를 확보하고, 채널 선택에 대한 사전 규정을 정의할 수 있다.
한편, 단말의 수신 장치에서 패킷을 수신하면, 패킷 수신에 대한 응답을 보내야 하는 경우가 있다. 이러한 경우, 단말의 송신 장치를 통해서 각 패킷에 대해서 ACK(Acknowledge)를 전송한다. 이 경우, PSDU는 ACK 정보를 포함할 수 있다. 만약 단말의 수신 장치가 여러 채널을 통해 서로 다른 패킷을 수신한 경우, 단말의 송신 장치는 모든 묶음에 대해서 하나의 ACK을 전송할 수 있다.
좀 더 세밀한 패킷 재전송 제어(Packet Retransmission Control)를 한다면, 단말의 송신 장치는 각 채널별로 ACK/NACK(Non-acknowledgement)을 따로 생성하여 보낼 수 있다. 이때, 단말의 송신 장치는 패킷을 전송한 송신 장치에서 주로 사용하는 주채널(Primary Channel, 상호 통신을 통해서 결정된 채널, 혹은 최초에 연결이 성립된 채널)을 통해 ACK를 전송하거나 수신된 패킷의 채널 수만큼의 송신 채널을 사용하여 ACK를 각 채널로 전송할 수 있다.
서로 다른 채널에 다른 패킷이 수신된 경우 서로 다른 ACK/NACK가 각 채널로 전송될 수도 있다. 같은 패킷이 서로 다른 채널에 온 경우에는 무선 환경이 안 좋은 경우이므로 수신된 패킷의 채널 개수와 같은 수의 송신 채널을 사용하여 ACK/NACK가 전송될 수 있다.
다중 채널 중에서 한 시점에서 하나의 채널만을 사용할 수 있는 경우에는 다음과 같은 운용 시나리오가 가능하다. 우선 단말과 기지국이 통신이 성립된 채널을 기준으로 동작한다. 이후 패킷 전송이 실패하게 되는 경우, 사용 가능한 채널 목록 중에서 사전에 정해지거나 혹은 통신 성립과정에서 지정된 채널 순서에 따라서, 패킷 실패 후에 재전송 및 새로운 패킷 전송을 이어가는 채널을 선택할 수 있다. 이렇게 함으로써 채널이 시간에 따라서 응답특성이 변하는 것을 피하여 좋은 채널을 선택할 수 있다.
사용 가능한 다중 채널에 대해서 단말은 기지국으로부터 수신된 신호를 기반으로 채널의 수신 응답 특성을 기지국에 다시 보고할 수 있다. 또한 기지국은 단말로부터 수신된 신호를 기반으로 단말이 사용해야 할 채널을 지정할 수 있다. 이때 신호의 특성을 측정하기 위해서 단말은 프리앰블, PHR만 포함된 패킷을 각 채널에 보내거나, 프리앰블, PHR 및 자신의 ID 정보를 포함한 패킷을 각 채널에 보내는 동작을 수행할 수 있다. 이와 같은 과정을 통해서 기지국과 단말은 다중 채널 중에서 특성이 좋은 채널들을 골라서 수신 신호의 SNR을 증대하고 쓰루풋을 개선할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. WPAN 통신 시스템의 송신 장치가 할당된 주파수 대역에서 신호를 송신하는 방법에서,
    동기화 헤더, 물리계층 헤더 및 물리계층 서비스 데이터 유닛을 생성하는 단계,
    상기 동기화 헤더와 상기 물리계층 헤더를 비트열로 다중화하는 단계,
    상기 다중화된 비트열을 제1 차동 위상 변조 방식으로 변조하는 단계,
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 제2 차동 위상 변조 방식으로 변조하는 단계,
    상기 제1 차동 위상 변조 방식으로 변조된 심볼과 제2 차동 위상 변조 방식으로 변조된 심볼을 심볼열로 다중화하는 단계, 그리고
    상기 심볼열을 송신하는 단계
    를 포함하는 송신 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 변조하기 전에, 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 순방향 오류 정정 인코딩하는 단계
    를 더 포함하는 송신 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 변조하기 전에, 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 스크램블링하는 단계
    를 더 포함하는 송신 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 변조하는 단계 이전 또는 이후에 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 확산시키는 단계
    를 더 포함하는 송신 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 변조하는 단계 이전에 상기 확산시키는 단계는 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 비트열을 비트 그룹 단위로 반복하는 단계를 포함하는 송신 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 비트 그룹은
    한 심볼을 구성하는 비트 수의 비트, 또는
    설정된 심볼 개수에 한 심볼을 구성하는 비트 수를 곱한 수의 비트를 포함하는 송신 방법.
  7. 제5항에서,
    상기 확산시키는 단계는 각 비트 그룹 뒤에 패딩을 추가하는 단계를 포함하는 송신 방법.
  8. 제4항에서,
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 변조하는 단계 이후에, 상기 확산시키는 단계는
    심볼을 인접하여 반복하는 단계, 그리고
    반복하고자 하는 심볼을 변형하는 단계를 포함하는 송신 방법.
  9. 제1항에서,
    상기 다중화된 비트열을 변조하기 전에, 상기 물리계층 헤더를 순방향 오류 정정 인코딩하는 단계, 그리고
    상기 다중화된 비트열을 변조하는 단계 이전 또는 이후에 상기 물리계층 헤더를 확산시키는 단계
    중 적어도 하나를 더 포함하는 송신 방법.
  10. 제1항에서,
    상기 제1 변조 방식은 π/4 DQPSK 방식을 포함하고, 상기 제2 변조 방식은 π/4 DQPSK 방식 또는 π/8 D8PSK 방식을 포함하는 송신 방법.
  11. 제1항에서,
    상기 동기화 헤더는 프리앰블을 포함하고,
    상기 생성하는 단계는 상기 프리앰블로 사용할 제1 프리앰블 시퀀스 및 제2 프리앰블 시퀀스를 생성하는 단계를 포함하는 송신 방법.
  12. 제1항에서,
    상기 비트열을 변조하는 단계는 채널별로 기준 위상을 다르게 설정하는 단계를 포함하는 송신 방법.
  13. 제1항에서,
    상기 물리계층 헤더는 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 길이 및 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 복원에 필요한 정보를 포함하고,
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 복원에 필요한 정보는 변조 방식, 스크램블링 적용 여부, 순방향 오류 정정 인코딩 적용 여부 및 확산 적용 여부 중 적어도 하나를 포함하는 송신 방법.
  14. 제1항에서,
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 변조하기 전에, 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 인터리빙하는 단계
    를 더 포함하는 송신 방법.
  15. 제1항에서,
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛은 패킷의 수신 성공/실패에 대한 응답 신호를 포함하는 송신 방법.
  16. WPAN 통신 시스템의 송신 장치로서,
    동기화 헤더, 물리계층 헤더 및 물리계층 서비스 데이터 유닛을 생성하는 패킷 생성부,
    상기 동기화 헤더와 상기 물리계층 헤더를 제1 차동 위상 변조 방식으로 변조하는 제1 변조부,
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 제2 차동 위상 변조 방식으로 변조하는 제2 변조부, 그리고
    상기 제1 차동 위상 변조 방식으로 변조된 심볼과 제2 차동 위상 변조 방식으로 변조된 심볼을 송신하는 송신부
    를 포함하는 송신 장치.
  17. 제16항에서,
    상기 동기화 헤더는 프리앰블을 포함하고,
    상기 프리앰블은 적어도 2개의 프리앰블 시퀀스를 포함하는 송신 장치.
  18. 제16항에서,
    상기 물리계층 헤더와 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 변조 전에 상기 물리계층 헤더와 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 확산시키는 확산부
    를 더 포함하는 송신 장치.
  19. 제18항에서,
    상기 확산부는 상기 물리계층 헤더와 상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 비트열을 각각 비트 그룹 단위로 반복하며,
    상기 비트 그룹은 한 심볼을 구성하는 비트 수의 비트, 또는
    설정된 심볼 개수에 한 심볼을 구성하는 비트 수를 곱한 수의 비트를 포함하는 송신 장치.
  20. 제16항에서,
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛의 변조 전에,
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 스크램블링하는 스클램블러,
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 순방향 오류 정정 인코딩하는 부호기, 그리고
    상기 물리계층 서비스 데이터 유닛을 인터리빙하는 인터리버
    중 적어도 하나를 더 포함하는 송신 장치.
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