KR20190083848A - 프리앰블 생성 방법 및 그 장치 - Google Patents

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KR20190083848A KR1020180001783A KR20180001783A KR20190083848A KR 20190083848 A KR20190083848 A KR 20190083848A KR 1020180001783 A KR1020180001783 A KR 1020180001783A KR 20180001783 A KR20180001783 A KR 20180001783A KR 20190083848 A KR20190083848 A KR 20190083848A
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Abstract

프리앰블 생성 방법 및 그 장치가 개시된다. 각 노드(UE)의 프리앰블 생성 방법은, (a) 이용 가능한 주파수 대역폭(bandwith)를 확인하는 단계; 및 (b) 도플러가 존재하는 환경에서 상기 대역폭내에서 LFM(linear frequency modulated) 신호를 기반으로 노드 식별정보(ID)를 매핑하여 프리앰블을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

프리앰블 생성 방법 및 그 장치{Method and apparatus for random access preamble generation}
본 발명은 높은 도플러가 존재 수중 통신, 지상(LTE 통신), 항공(드론) 통신 시스템에서의 프리앰블 생성 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
지난 10여 년 동안 수중 통신은 상업적, 과학적 또는 군사적 용도 등의 이유로 관심이 점차 커져 가고 있다. 수중 통신의 범위는 전술적 감시 체제 운용으로부터 수중 생물체 생활 관측에 이르기까지 넓은 분야에 적용될 수 있으며, 수중 통신은 무인 수중선 (Autonomous Underwater Vehicle, AUV), 오염도 측정, 석유 시추 모니터링 및 해저 생물 관측 등의 분야를 위해 필수적인 요소로 등장하였다. 특히 최근에는 무인 수중선과 센서 간에 환경 관측, 보안 관련 또는 실시간 비디오 등의 높은 데이터 속도를 요구하는 통신 기술이 요구되었다.
그러나 수중 통신 매체인 음향파(Acoustic Wave)는 수중 매체나 바닷가에 의한 반사, 또한 물의 온도 깊이 차이 등에 따른 회절 등 매우 어려운 전파 특성을 가진다. 수중에서 음향파는 매우 낮은 속도로 다중 경로를 통하여 전파된다. 또한 낮은 수중 전파 속도는 높은 도플러 천이를 발생시켜 수중 채널은 시간 및 주파수 축에서 변화를 일으킨다. 또한 수중 신호의 감쇄도는 이동 거리 및 주파수에 따라 변화하는 특성을 가진다. 그러므로 수중 통신은 비교적 낮은 주파수 대역으로 제한되며, 대역폭 또한 통신 거리나 사용 주파수 대역에 따라 많은 제한을 받는다.
이로 인해, 수중 환경과 같이 도플러가 존재하는 환경에서 강인한 랜덤 엑세스 프리앰블에 대한 연구가 필요하다.
본 발명은 높은 도플러가 존재하는 수중 통신, 지상 (LTE) 통신, 항공 (드론) 통신 시스템에서의 프리앰블 생성 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 LFM 신호에 기반하여 프리앰블을 생성할 수 있는 프리앰블 생성 방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 높은 도플러가 존재하는 수중 통신, 지상 (LTE) 통신, 항공 (드론) 통신 시스템에서의 프리앰블 생성 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 각 노드(UE)의 프리앰블 생성 방법에 있어서, (a) 이용 가능한 주파수 대역폭(bandwith)를 확인하는 단계; 및 (b) 도플러가 존재하는 환경에서 상기 대역폭내에서 LFM(linear frequency modulated) 신호를 기반으로 노드 식별정보(ID)를 매핑하여 프리앰블을 생성하는 단계를 포함하는 프리앰블 생성 방법이 제공될 수 있다.
상기 (b) 단계는, 상기 LFM 신호의 주파수 변이 변수인 시작 주파수(starting frequency)를 상기 이용 가능한 주파수 대역 내에서 다르게 변경함으로써 각 노드 식별정보를 매핑하여 프리앰블을 생성할 수 있다.
상기 (b) 단계의 노드 식별정보(ID)는, 상기 LFM 신호의 주파수 스윕 변수를 더 이용하여 매핑될 수 있다.
상기 LFM 신호의 주파수 스윕 변수를 각각 다르게 변경함으로써 각 노드 식별정보를 매핑하여 프리앰블을 생성할 수 있다.
시간 모호성을 피하기 위해 각 노드 식별정보에 할당되는 시간 주파수간의 차이는 상기 주파수 스윕 변수값 이상이며, 대역폭에서 상기 주파수 스윕 변수값을 차감한 값의 절반 이하로 제한될 수 있다.
상기 LFM 신호는 하기 수학식에 의해 계산되되,
Figure pat00001
여기서, f는 주파수 변이 변수를 나타내며,
Figure pat00002
는 주파수 스윕 변수를 나타내며, t는 시간을 나타내고,
Figure pat00003
는 심벌 주기를 나타낸다.
상기 프리앰블은 랜덤 엑세스 프리앰블 또는 다운링크 프리앰블일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 높은 도플러가 존재하는 수중 통신, 지상 (LTE) 통신, 항공 (드론) 통신 시스템에서의 프리앰블 생성 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 각 노드(UE)의 프리앰블 생성 장치에 있어서, 적어도 하나의 명령어들을 저장하는 메모리; 및 상기 메모리와 연동되어 상기 메모리에 저장된 명령어들을 실행하는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서에 의해 실행된 명령어들은, 이용 가능한 주파수 대역폭(bandwith)를 확인하는 단계; 및 도플러가 존재하는 환경에서 상기 대역폭내에서 LFM(linear frequency modulated) 신호를 기반으로 노드 식별정보(ID)를 매핑하여 프리앰블을 생성하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 프리앰블 생성 장치가 제공될 수 있다.
프리앰블을 생성하는 단계는, 상기 LFM 신호의 주파수 변이 변수인 시작 주파수(starting frequency)를 상기 이용 가능한 주파수 대역 내에서 다르게 변경함으로써 각 노드 식별정보를 매핑하여 프리앰블을 생성할 수 있다.
상기 프리앰블을 생성하는 단계는, 상기 LFM 신호의 주파수 스윕 변수를 더 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 생성 방법 및 그 장치를 제공함으로써, 도플러 존재 환경에 강인한 프리앰블을 생성할 수 있다.
또한, 본 발명은 LFM 신호를 기반으로 각 노드 식별정보를 매핑함으로써 노드를 식별하도록 할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템의 주파수 할당을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 생성 방법을 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Fresnel 적분값을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LFM 파형을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LFM 신호의 순간 주파수를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블의 스펙트럼을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 CTAF의 등고선을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 CTAF의 피크값과 타임 시프트값을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 다른 CTAF의 확산을 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 CTCF값의 시뮬레이션과 분석적 결과를 나타낸 도면.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른
Figure pat00004
와 f값에 따른 CTCF값을 나타낸 도면.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 CTCF의 상위 임계값과 최대값을 나타낸 도면.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 가능한 프리앰블의 개수를 나타낸 도면.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 생성 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템 구성을 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템의 주파수 할당을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
본 명세서에서는 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 통신 시스템이 수중 환경에서 적용되는 시스템인 것을 가정하여 이를 중심으로 설명하기로 한다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템은 수중 환경뿐만 아니라 지상(자동차) 환경이나 항공(드론) 환경에서도 동일하게 적용될 수 있음은 당연하다.
도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 제어기(110), 기지국(115) 및 센서 노드(120)를 포함하여 구성된다. 통신 시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 두개의 링크(제1 링크(Link 1), 제2 링크 (Link2)로 구성된다. 여기서, 제1 링크(Link 1)은 무선 백본 링크(backbone link)이며, 수중에 위치한 기지국(115)과 제어기(110) 또는 수표면에 있는 부표간을 연결한다. 제2 링크 2(Link 2)는 기지국(115)과 다수의 센서 노드(120)를 연결한다.
도 2에는 각 링크에 할당되는 주파수 대역의 일 예를 도시한 도면이다. 도 2에서 제1 링크(Link 1)와 제2 링크(Link 2)는 상호 간섭을 피하기 위해 서로 다른 주파수 대역이 사용된다. 각 링크는 상향 통신과 하향 통신을 주파수 대역으로 구분하는 주파수 분할 듀플렉스(FDD)가 적용된 것을 가정하기로 한다.
도 2를 참조하면, 제1 링크(Link 1)는 하나의 하향 링크와 세개의 상향 링크고 구성되며, 제2 링크(Link 2)보다 낮은 주파수 대역이 할당되며, 제1 링크에 할당된 가장 낮은 대역은 모든 기지국에 공통인 하향 링크에 할당될 수 있다.
제2 링크(Link 2)는 제1 링크(Link 1)보다 높은 전송량이 요구되는 단말에 할당된다. 제2 링크(Link 2)는 하나의 하향 링크와 네개의 상향 링크로 구성된다. 제2 링크 또한 제1 링크와 같이 제2 링크에서 할당되는 주파수 대역 중 가장 낮은 주파수 대역을 하향 링크에 할당하며, 상향 링크 중 가장 낮은 주파수 대역인 UL0는 원거리 단말, 가장 높은 주파수 대역인 UL3는 근거리 단말을 위해 각각 할당되는 것을 가정하기로 한다.
본 명세서에서 하향 링크는 기지국에서 센서 노드로의 통신을 의미하며, 상향 링크는 센서 노드에서 기지국으로의 통신을 의미한다.
통신 시스템(100)을 구성하는 제어기(110), 기지국(115) 및 센서 노드(120)의 일반적인 기능은 이미 당업자에게는 자명한 사항이며, 본 발명의 주요 논지와는 무관하므로 이에 대한 별도의 설명은 생략하기로 한다.
수중 환경 특성상 센서 노드(120)는 조류의 영향 또는 센서 노드 자체의 특성에 따라 일정 위치에 고정되는 것이 아니라 이동될 수 있다. 따라서, 기지국(115) 또는 제어기(110)에서 복수의 센서 노드로부터 데이터가 수신되는 경우, 각 센서 노드를 식별하기 위한 방안이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템(100)은 도플러가 존재하며, 셀룰러를 기반으로 하는 통신 시스템을 가정하며, 복수의 센서 노드에서 데이터를 전송하는 경우, 각 센서 노드를 식별할 수 있도록 랜덤 엑세스 프리앰블을 전송하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 생성 방법을 나타낸 순서도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Fresnel 적분값을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LFM 파형을 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LFM 신호의 순간 주파수를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블의 스펙트럼을 나타낸 도면이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 CTAF의 등고선을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 CTAF의 피크값과 타임 시프트값을 나타낸 도면이며, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 CTAF의 확산을 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 CTCF값의 시뮬레이션과 분석적 결과를 나타낸 도면이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른
Figure pat00005
와 f값에 따른 CTCF값을 나타낸 도면이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 CTCF의 상위 임계값과 최대값을 나타낸 도면이며, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 가능한 프리앰블의 개수를 나타낸 도면이다.
단계 310에서 프리앰블 생성 장치(300)는 이용 가능한 대역폭을 확인한다.
단계 315에서 프리앰블 생성 장치(300)는 도플러가 존재하는 환경에서 랜덤 엑세스 수행시 대역폭내에서 LFM(linear frequency modulated) 신호를 기반으로 노드 식별정보(ID)를 매핑하여 랜덤 엑세스 프리앰블을 생성한다.
본 명세서에서는 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 하기에서 랜덤 엑세스 프리앰블을 생성하는 것을 중심으로 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 생성 장치(300)는 LFM 신호에 기반하여 다운링크 프리앰블을 생성하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 이하에서는 랜덤 엑세스 프리앰블을 생성하는 것을 가정하여 이를 중심으로 설명하더라도 다운링크 프리앰블을 생성하는 경우로도 확장 해석되어야 할 것이다.
이하에서는 이에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 랜덤 엑세스 프리앰블은 도플러 환경이 존재하는 LTE 환경에서 적용이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 랜덤 엑세스 프리앰블은 도플러에 민감하지 않은 LFM(linear frequency modulated) 신호를 기반으로 생성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 랜덤 액세스 프리앰블은 노드 식별정보(ID, 이하 노드 ID라 칭하기로 함)를 LFM 신호에 기반하여 매핑하여 랜덤 액세스 프리앰블을 생성할 수 있다.
노드 c에 해당하는 심벌 주기
Figure pat00006
랜덤 엑세스 프리앰블 신호는 시간축에서 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
여기서, BW는 대역폭을 나타낸다. 또한, f는 주파수 변이 변수(frequency shift parameter)를 나타내며,
Figure pat00008
는 주파수 스윕 변수(frequency sweeping parameter)를 나타낸다.
기본 LFM 신호,
Figure pat00009
및
Figure pat00010
는 수학식 2와 같은 구형파로 나타낼 수 있다.
Figure pat00011
여기서,
Figure pat00012
는 위상을 나타내며, t는 시간을 나타낸다.
기본 LFM 신호의 특성을 정리하면 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00013
여기서,
Figure pat00014
는 음(-), 영(0)과 양(+)의
Figure pat00015
값에 대해 각각 -1, 0, 1값을 가지는 시그넘 함수를 나타내며,
Figure pat00016
이다.
추가적으로 LFM 신호 분석에 이용되는 적분식을 수학식 4와 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00017
여기서,
Figure pat00018
는 각각 정규화 프레넬(Fresnel) 적분으로 정의된 사인(sine) Fresnel 적분과 코사인(cosine) Fresnel) 적분을 나타낸다. 정규화 Fresnel 적분은 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00019
도 4는 10초 주기의 Fresnel 적분값을 원점(0)부근에서 샘플링 레이트(4KHz)로 나타낸 그래프이다. 도 4에서 보여지는 바와 같이, 최대값은 sine의 경우 0.8948, cosine의 경우 0.9775이며, 30초 이상이나 무한대 값에서는 sine과 cosine의 경우
Figure pat00020
로 수렴하는 것을 알 수 있다.
즉, LFM 신호는 수학식 6에서 보여지는 바와 같이 심벌 구간 내에서 순시 주파수가 일정하게 증가하는 특성을 가진다.
Figure pat00021
도 5에는 수학식 6에 기반한 LMF 신호의 개념도가 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, LFM 신호는 선형적으로 모듈레이션되는 파형을 가진다.
이러한 LFM 신호의 특성을 기반으로 본 발명의 일 실시예에서는 노드 ID를 LFM 신호의 주파수 쉬프트 파라미터 및 주파수 스위핑 파라미터 중 적어도 하나를 변경하여 노드 ID를 매핑하여 랜덤 엑세스 프리앰블을 생성할 수 있다.
도 6은 수학식 6에 주어진 순간 주파수를 4KHz대역폭에서 f와
Figure pat00022
값의 변화에 따라 도시한 도면이다. 수학식 6에서 보여지는 바와 같이,
Figure pat00023
는
Figure pat00024
일 때 원점을 지나는 직선이고,
Figure pat00025
는 원점을 지나지 않는 직선인 것을 알 수 있다. 또한, 직선의 기울기는
Figure pat00026
값에 따라 변하는 것을 알 수 있다. 도 6의 (b)에서 보여지는 바와 같이, 순간 주파수는 f값만큼 변하는 것을 알 수 있다. 즉,
Figure pat00027
이면 순간 주파수는 위로 1KHz만큼 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 전제 주파수는 대역폭 4KHz내에서 존재한다.
수학식 3 및 수학식 4의 특성을 이용하면
Figure pat00028
와
Figure pat00029
값에 따른 랜덤 엑세스 프리앰블의 스펙트럼은 수학식 7과 같이 Fresnel 적분 형태로 표현할 수 있다.
Figure pat00030
여기서,
Figure pat00031
와
Figure pat00032
는 수학식 8과 같다.
Figure pat00033
수학식 7에서
Figure pat00034
의 크기의 근사값은 스테이셔너리 위상 원리(Principle of Stationary Phase, PSP)에 근거하여 수학식 9와 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00035
도 7은
Figure pat00036
와
Figure pat00037
값에 따른 랜덤 엑세스 프리앰블의 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 7의 (a)는
Figure pat00038
일 경우에 Fresnel 적분과 PSP에 의한 결과를 비교한 것이다. 도 10에서 Fresnel 적분에 의한 값은 PSP로부터 구해진 상수 값 -39dB (
Figure pat00039
KHz)와 -42dB (
Figure pat00040
KHz) 근처에서 변화함을 볼 수 있다. 도 7(a)에서 각 랜덤 엑세스 프리앰블의 스펙트럼은 각각 서로 다른 대역폭을 가지며, PSP 방법을 통하여 간편하게 LFM의 스펙트럼의 근사값을 구할 수 있음을 알 수 있다. 도 7(b)에서는 랜덤 엑세스 프리앰블의 스펙트럼의 중심이
Figure pat00041
만큼 이동함을 볼 수 있다. 또한 수학식 9에서
Figure pat00042
값은 스펙트럼의 대역폭에는 영향을 미치지 않으며, 스펙트럼의 크기에만 영향을 미침을 알 수 있다.
Figure pat00043
값이 커짐에 따라 스펙트럼의 대역폭이 증가하며,
Figure pat00044
값은 스펙트럼의 대역폭과 크기 모두에 영향을 미치지 않으며, 단지 스펙트럼의 중심 주파수만을 이동시킨다. 주파수를 주어진 주파수 대역폭 내에 제한 시키려면
Figure pat00045
값은 (13)에 주어진 값으로 제한된다.
랜덤 엑세스 프리앰블은 연속 시간 축에서 정의되므로, 랜덤 엑세스 프리앰블의 상관 특성 역시 연속 시간 축에서 분석하기로 한다. 본 발명의 일 실시예에서 연속 시간 자기 상관 함수(CTAF)는 일반적인 불확정성 함수(Ambiguity function, AF)로 정의한다. CTAF는 시간 지연과 도플러 천이값의 함수이다. 도플러가 CTAF 값에 미치는 영향은 결과적으로 가능한
Figure pat00046
값과
Figure pat00047
값에 제한을 가하게 된다.
수학식 10에서는 도플러 영향에 의한 CTAF의 변화를 살펴보기로 한다. 수학식 10에서 아래 첨자
Figure pat00048
는 수식 전개의 편이상 생략되었다. CTAF는 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00049
수학식 10에서
Figure pat00050
. 수학식 10은 수학식 3을 이용하여 얻을 수 있다. 수학식 10에서,
Figure pat00051
의 크기는
Figure pat00052
에 영향을 받지 낳으나
Figure pat00053
,
Figure pat00054
와
Figure pat00055
에는 영향을 받는다. 본 발명의 일 실시예에서는 심벌 길이
Figure pat00056
는 적당한 값으로 고정하기로 한다. 도플러에 관한 안정도는 수학식 10의 최대값에 좌우될 수 있다. 수학식 10의 피크 값에 따라 랜덤 엑세스 프리앰블의 탐색 가능성이 결정되는데, 그 값은 도플러 환경 에서도 유지되어야 한다.
Figure pat00057
일 경우에 수학식 10은 폭
Figure pat00058
인 펄스 함수의 AF과 동일하며, 시간 지연에 따라 이동하는 삼각파 형태가 된다. 도플러 축에서는 그 크기는
Figure pat00059
Hz 단위로 영점이 생길만큼 급격하게 감소한다.
Figure pat00060
일 때는 기울어진 모양의 삼각파 형태를 가진다. 도 8은
Figure pat00061
msce,
Figure pat00062
Hz 경우의 수학식 8의 값을 등고선(contour) 형태로 나타낸 것이다.
CTAF의 최대값은 중요한 변수이며
Figure pat00063
와
Figure pat00064
의 값에 따라 변화한다. CTAF의 최대값의 크기와 타임 쉬프트는 수학식 11 및 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00065
Figure pat00066
도 9는 수학식 9 및 수학식 10의 값을 도시한 것이다. 도 9의 (a)와 (b)는 각각 서로 다른 세 개의
Figure pat00067
값 (0,12,30)에 따른 피크 값을
Figure pat00068
도메인에, 서로 다른 세 개의
Figure pat00069
값 (05, 2, 4)에 따른 피크 값을
Figure pat00070
도메인에 도시한 것이다. 또, 도 9의 (c)와 (d)는 동일한 조건에서 타임 쉬프트 값을 도시한 것이다. 도 9의 (a)와 (c) 에서
Figure pat00071
일 경우에는 피크값과 타임 쉬프트 값이 변화하지 않으며, 도플러가 존재할 때는 두 값이 모두 변화함을 알 수 있다. 도 9의 (a)와 (c) 에서
Figure pat00072
,
Figure pat00073
Hz일 때 피크 값은 0.2에 이르며, 타임 쉬프트 값의 최대치는 480 샘플에 이른다. 샘플링 레이트 4 KHz를 가정하면 480 샘플은 1500m 음파의 속도에서 180 미터의 오차를 유발한다. 적은 타이밍 에러가 있는 환경에서 탐색 확률을 높이려면, 피크 값은 크게 타임 쉬프트 값은 작게 하는
Figure pat00074
의 값을 선택하여야 한다.
본 발명의 일 실시에에서는
Figure pat00075
값을 적어도 0.5 KHz로 유지할 수 있다. 도 9 (b)에서 최소 피크 값은 4 kHz의
Figure pat00076
값에서는 매 8 Hz의 도플러마다 0.6366, 2 kHz의
Figure pat00077
값에서는 매 4 Hz의 도플러마다 0.8918, 0.5 kHz의
Figure pat00078
값에서는 50 Hz의 도플러에서는 0.91이다. 반면에 도 9의 (d)에서 타임 쉬프트 값은 반대의 특성을 갖는다. 즉, 0.5 kHz의
Figure pat00079
값에서의 타임 쉬프트 값은 4 또는 2kHz의
Figure pat00080
값에서의 그것보다 빠르게 증가한다. 50 Hz의 도플러에서 타임 쉬프트 값은 0.5, 2, 4의
Figure pat00081
값에서 각각 50, 12와 6 샘플이다. 또한 피크 값은 모든 도플러 값에 대해 0.6보다 크다. 또한 큰 값의
Figure pat00082
를 가지는 LFM 신호는 날카로운 CTAF 형상을 가진다. 수학식 10의 CTAF의 크기는 구형파 함수인
Figure pat00083
의 곱으로 주어지는 sinc 함수,
Figure pat00084
이다. 이 경우에 타임 쉬프트 값의 근사값을 수학식 13과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00085
또한
Figure pat00086
값이 샘플링 레이트에 근접할 때 수학식 13의 근사값은 참값에서 멀어진다.
자기 상관값의 분산 정도는 첫 번째 영점과 최대 피크값의 간격으로 정의될 수 있는데, 타이밍과 거리 측정의 정확성에 큰 영향을 미친다. 도 9의 (d)는
Figure pat00087
값의 변화에 따른 스프레드(spread)의 변화를 도시한 것이다.
Figure pat00088
값이 커질수록 스프레드는 적어짐을 알 수 있으며, 적은 스프레드는 타이밍 추정의 정확도를 높인다. 이상적인 시퀀스는 하나의 피크를 가지며 그 외에서는 0인 상관값을 갖는 것이다. CTAF의 대략적인 첫 번째 영점의 값은 수학식 10의 sinc 함수로부터 구할 수 있다. 값의 정확도는 샘플링 타임의 차이에 따라 달라지는데, 샘플링 레이트가 높을수록 정확하다. 첫 번째 영점은 수학식 14와 같이 주어진다.
Figure pat00089
수학식 14에서
Figure pat00090
은 0.5, 1과 3 KHz의
Figure pat00091
값에서는 각각 8.1323, 4.0325와 1.3369이 된다.
도 10에서
Figure pat00092
KHz의 경우에는 근사값이 차이가 많음을 볼 수 있는데, 이 현상은 샘플링 시간 차이 때문에 발생한다. 이 연구에서 샘플링 레이트는 4 KHz이다.
연속 시간 상호 상관 함수 (CTCF)는 유사한 관점에서 수학식 15와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00093
Figure pat00094
일 때는 수학식 15는 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00095
수학식 15에서 CTAF는 Fresnel 적분 형태를 가진다. 수학식 16에서 CTAF는 sinc 함수의 변수를
Figure pat00096
로 대치한 함수와 유사한 형태를 가진다. 타임 쉬프트,
Figure pat00097
와 그에 대응하는
Figure pat00098
에서의 피크 값
Figure pat00099
는 대략적으로 수학식 17과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00100
수학식 17에서 타임 쉬프트 값은 선형 근사값이다. 즉, 타임 쉬프트 값은
Figure pat00101
와
Figure pat00102
와
Figure pat00103
값에 따라 비례하여 증가한다.
도 11는
Figure pat00104
일 때의 모의 실험 결과와, 수학식 15와 수학식 16의 분석을 통한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 11에서 두 결과가 잘 일치함을 볼 수 있다. 수학식 15의 계산에서 Fresnel 적분의 값은 도 4에 주어진 수치 값을 계산하여 사용하였다. 도 11의 (a)에서
Figure pat00105
가 50인 경우 상호 상관값은 최대 피크 값의 50%인 0.5까지 이르는 것을 알 수 있다. 도 11의 (b)에서는
Figure pat00106
와
Figure pat00107
를 모두 0으로 하였으며, 제로 타임에서 최대 상관값을 얻음을 알 수 있다.
도 12는
Figure pat00108
와
Figure pat00109
값의 변화에 따른 샘플된 CTCF의 값을 보여준다. 여기서
Figure pat00110
KHz,
Figure pat00111
Hz이다. 도 12의 (a)는 세 개의
Figure pat00112
값 (0.55, 2와 1)에 따른 수학식 16의 결과를 나타낸다. 여기서
Figure pat00113
값이 증가하면 상호 상관값이 감소하는 것을 알 수 있다. 도 12의 (b)에는 최대 피크 외에 두 개의 큰 피크를 보이는데, 첫 번째는
Figure pat00114
Hz(
Figure pat00115
Hz) 두 번째는 Hz(
Figure pat00117
Hz)에서 나타나는 것을 알 수 있다. 이 두 피크는
Figure pat00118
Hz인 랜덤 엑세스 프리앰블에 대해 상관을 할 경우에 시간 추정의 모호성(ambiguity)이 발생한다. 도 12의 (b)의 피크 값과 그에 대응하는 타임 쉬프트 값은 수학식 17에 의해 예측이 가능하다. 이 시간 모호성을 피하려면
Figure pat00119
의 값은 수학식 18과 같이 제한하여 해결할 수 있다.
Figure pat00120
수학식 18의 조건은 일 경우에만 성립하는데, 그렇지 않은 경우에는 오직 한 개의
Figure pat00122
만이 가능하며 그에 대응하는 하나의 랜덤 엑세스 프리앰블만을 생성할 수 있다. 예로,
Figure pat00123
와
Figure pat00124
가 모두 0.5 KHz일 때는 7개의 랜덤 액세스 프리앰블 (
Figure pat00125
)의 생성이 가능하며, 이 경우에는 모호성이 발생하지 않는다. 그러나 대역폭이 제한되어 있으므로 작은 상관값을 가지는 랜덤 엑세스 프리앰블을 다수 생성하기 위하여는
Figure pat00126
의 값을 적절하게 선택하여야 한다. 랜덤 엑세스 프리앰블의 개수에 관하여 보다 자세한 분석을 하기 위하여 CTCF 값의 상위 임계값 (upper bound)을 살펴본다.
Figure pat00127
와
Figure pat00128
를 각각 싸인형 Fresnel 적분과 코싸인형 Fresnel 적분의 최대값이라 하면, 수학식 19와 같은 관계식을 얻을 수 있다.
Figure pat00129
수학식 19에서 CTCF의 상위 임계값은 아래와 같이 주어진다.
Figure pat00130
도 4로부터
Figure pat00131
,
Figure pat00132
이다. 수학식 20에서 상위 임계값은
Figure pat00133
나
Figure pat00134
값의 함수가 아님으로 CTCF 값 또한
Figure pat00135
나
Figure pat00136
값의 영향이 최소임을 짐작할 수 있다. 그러나 심벌 길이
Figure pat00137
와,
Figure pat00138
와
Figure pat00139
값의 차이는 큰 영향을 미친다. 즉,
Figure pat00140
의 값이 커질수록 상위 임계값은 작아진다. 가능한 주파수 스윕 변수의 범위는 CTAF 의 특성이 좋은 양수 부분과 음수 부분의 합집합이다. 즉,
Figure pat00141
이다. 여기서
Figure pat00142
이고
Figure pat00143
이며,
Figure pat00144
는 타임 쉬프트, 최대 크기와 스프레드 측면에서 가장 좋은 CTAF를 제공하는 가장 작은 값이다.
도 13은 수학식 20의 상위 임계값과
Figure pat00145
으로 주어지는 CTCF의 최대값을 보여준다. 여기서
Figure pat00146
는 0.5 KHz이고,
Figure pat00147
는 임의의 적절한 값이고,
Figure pat00148
는
Figure pat00149
의 값을 변화시켜 얻어진다. 상위 임계값은
Figure pat00150
와
Figure pat00151
이 증가함에 따라 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, CTCF의 최대값은 상위 임계값보다 작으며,
Figure pat00152
와
Figure pat00153
이 증가함에 따라 감소한다. 또한 최대값과 상위 임계값은
Figure pat00154
=0에 대하여 대칭인 것을 알 수 있다. 도 13의 (a)에서
Figure pat00155
가 양수일 때는
Figure pat00156
,
Figure pat00157
는 집합
Figure pat00158
의 원소이다.
Figure pat00159
가 음수일 때는
Figure pat00160
,
Figure pat00161
는 집합
Figure pat00162
의 원소이다. 도 13의 (b)는 도 13의 (a)에서 양의 부분만을 도시한 것이다. 도 13의 (c) 및 (d)는
Figure pat00163
를 각각
Figure pat00164
KHz와
Figure pat00165
KHz로 설정하여 위와는 반대로 설정한다. 다시 말해,
Figure pat00166
가 양수일 때는
Figure pat00167
KHz,
Figure pat00168
이고,
Figure pat00169
가 음수일 때는
Figure pat00170
,
Figure pat00171
이다. 도 13의 (a), (b) 및 (c)로부터 CTCF의 최대값은 항상 상위 임계값보다 작다. 그러나 도 13의 (d)에서 보듯이
Figure pat00172
의 값이 동작 대역폭에 근접할 때에는 그 반대 현상이 발생한다. 그러나 최대값이 상위 임계값보다 많이 크지는 않다. 심벌 길이가 125ms일 경우에 최대값이 7.7% 더 크다. 그러므로 CTCF의 관점에서
Figure pat00173
에 관한 수학식 1의 조건은 성립한다.
생성 가능한 랜덤 엑세스 프리앰블의 수는 수학식 21과 같이 주어진다.
Figure pat00174
위 식에서
Figure pat00175
의 값은 도 13이나 수학식 18에 주어진 상위 임계값으로부터 수학식 22와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00176
수학식 21의 수는 주파수 쉬프트 축에서 생성되는 랜덤 엑세스 프리앰블의 수는 고려하지 않았다. 도 14는 수학식 21의 랜덤 엑세스 프리앰블의 수를
Figure pat00177
값에 따라
Figure pat00178
의 함수로 도시한 것이다.
Figure pat00179
가 증가할 때, 랜덤 엑세스 프리앰블의 수는 감소하는 것을 알 수 있다. 최저 랜덤 엑세스 프리앰블의 수는 4이다. 도 13의 (b)에서 최대 상호 상관값은 가 0.5 KHz, 심벌 길이가 125ms, 25ms, and 50ms 인 경우 각각 16%, 11%와 7.5%이다. 이 경우 랜덤 엑세스 프리앰블의 수는 약 16이다. 만약 수학식 18과 수학식 1에서
Figure pat00180
KHz,
Figure pat00181
로 설정하면 랜덤 엑세스 프리앰블의 수는 8개가 증가한다. 첫 6 개의 랜덤 엑세스 프리앰블은
Figure pat00182
KHz,
Figure pat00183
KHz로 설정하여 생성하고, 두 번째 두 개의 RAP는
Figure pat00184
,
Figure pat00185
KHz에서 생성한다. 결과적으로
Figure pat00186
KHz에서 총 24 랜덤 엑세스 프리앰블을 생성할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 생성 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 생성 장치(300)는 메모리(1510) 및 프로세서(1515)를 포함하여 구성된다.
메모리(1510)는 적어도 하나의 명령어들을 저장한다.
프로세서(1515)는 메모리(1510)와 연동되며, 메모리(1510)에 저장된 명령어들을 실행하기 위한 수단이다.
프로세서(1515)에 의해 실행된 명령어들은 도 3 내지 도 14를 참조하여 설명한 바와 같이, LFM 신호에 기반하여 노드 식별정보(ID)를 다르게 매핑하여 랜덤 엑세스 프리앰블을 생성할 수 있다. 이에 대해서는 도 3 내지 도 14를 참조하여 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 일 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
300: 프리앰블 생성 장치
1510: 메모리
1515: 프로세서

Claims (11)

  1. 각 노드(UE)의 프리앰블 생성 방법에 있어서,
    (a) 이용 가능한 주파수 대역폭(bandwith)를 확인하는 단계; 및
    (b) 도플러가 존재하는 환경에서 상기 대역폭내에서 LFM(linear frequency modulated) 신호를 기반으로 노드 식별정보(ID)를 매핑하여 프리앰블을 생성하는 단계를 포함하는 프리앰블 생성 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 LFM 신호의 주파수 변이 변수인 시작 주파수(starting frequency)를 상기 이용 가능한 주파수 대역 내에서 다르게 변경함으로써 각 노드 식별정보를 매핑하여 프리앰블을 생성하는 것을 특징으로 하는 프리앰블 생성 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 노드 식별정보(ID)는,
    상기 LFM 신호의 주파수 스윕 변수를 더 이용하여 매핑되는 것을 특징으로 하는 프리앰블 생성 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 LFM 신호의 주파수 스윕 변수를 각각 다르게 변경함으로써 각 노드 식별정보를 매핑하여 프리앰블을 생성하는 것을 특징으로 하는 프리앰블 생성 방법.
  5. 제3 항에 있어서,
    시간 모호성을 피하기 위해 각 노드 식별정보에 할당되는 시간 주파수간의 차이는 상기 주파수 스윕 변수값 이상이며, 대역폭에서 상기 주파수 스윕 변수값을 차감한 값의 절반 이하로 제한되는 것을 특징으로 하는 프리앰블 생성 방법.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 LFM 신호는 하기 수학식에 의해 계산되되,
    Figure pat00187

    여기서, f는 주파수 변이 변수를 나타내며,
    Figure pat00188
    는 주파수 스윕 변수를 나타내며, t는 시간을 나타내고,
    Figure pat00189
    는 심벌 주기를 나타내는 것을 특징으로 하는 프리앰블 생성 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 프리앰블은 랜덤 엑세스 프리앰블 또는 다운링크 프리앰블인 것을 특징으로 하는 프리앰블 생성 방법.
  8. 제1 항에 따른 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드를 기록한 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체.
  9. 각 노드(UE)의 프리앰블 생성 장치에 있어서,
    적어도 하나의 명령어들을 저장하는 메모리; 및
    상기 메모리와 연동되어 상기 메모리에 저장된 명령어들을 실행하는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서에 의해 실행된 명령어들은,
    이용 가능한 주파수 대역폭(bandwith)를 확인하는 단계; 및
    도플러가 존재하는 환경에서 랜덤 엑세스 수행시 상기 대역폭내에서 LFM(linear frequency modulated) 신호를 기반으로 노드 식별정보(ID)를 매핑하여 랜덤 엑세스 프리앰블을 생성하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 프리앰블 생성 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 프리앰블을 생성하는 단계는,
    상기 LFM 신호의 주파수 변이 변수인 시작 주파수(starting frequency)를 상기 이용 가능한 주파수 대역 내에서 다르게 변경함으로써 각 노드 식별정보를 매핑하여 프리앰블을 생성하는 것을 특징으로 하는 프리앰블 생성 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 프리앰블을 생성하는 단계는,
    상기 LFM 신호의 주파수 스윕 변수를 더 이용하는 것을 특징으로 하는 프리앰블 생성 장치.


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