KR20220114923A - 링크 적응을 위한 적응적 신호 성상도 설계 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 링크 적응을 위한 적응적 신호 성상도 설계 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 프로세서 및 상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되, 상기 메모리는, 데이터가 전송되는 채널 환경을 모니터링하고, 상기 모니터링된 채널 환경에 따라 θ-QAM의 격자 구조를 갖는 신호 성상도에 대한 최적의 성상도 파라미터를 결정하고, 상기 결정된 최적의 성상도 파라미터에 결정된 신호점들에 부호화된 정보 비트를 매핑하도록, 상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 명령어들을 저장하는 적응적 신호 성상도 설계 장치가 제공된다.

Description

링크 적응을 위한 적응적 신호 성상도 설계 방법 및 장치{Adaptive signal constellation design method and apparatus for link adaptation}
본 발명은 링크 적응을 위한 적응적 신호 성상도 설계 방법 및 장치에 관한 것으로서, 다양한 통신 시스템에서 작은 채널 변화에 대해 적응성을 제공하기 위한새로운 링크 적용 기술에 관한 것이다.
무선 기반 시스템들은 열악한 무선 전송 채널 환경에서 운영되기 때문에 시간적으로 변하는 성능 열화를 보상하고 최적의 전송 성능을 얻기 위한 방안이 필요하다.
현재, DVB-T, 4G LTE, 5G NR 등 다양한 통신 시스템 표준들에서는 사각형의 격자 구조를 갖는 SQAM(Square Quadrature Amplitude Modulation)을 변조 방식으로 채택하여 사용하고 있으며, 무선 채널 환경에서 필요성이 강조되는 링크 적응을 위하여 채널 상태의 변화에 따라 서비스 수준에 적합한 변조 차수 및 채널 부호화율을 적용하는 적응적 변조 및 부호화(Adaptive Modulation and Coding: AMC) 방식을 사용하고 있다.
이때, 적응적 변조 및 부호화는 채널 상태가 좋을 경우 데이터율을 높이기 위하여 높은 변조 차수와 부호율을 사용하며, 채널 상태가 좋지 않을 경우 신뢰도를 높이기 위하여 낮은 변조 차수와 부호율을 사용한다.
기존 통신 시스템 표준들의 경우 사각형의 격자 구조를 갖는 SQAM을 변조 방식으로 채택하여 사용하고 있지만, SQAM은 오류 성능 관점에서 최적의 성상도는 아니다. 또한, 링크 적응을 위하여 사용하고 있는 적응적 변조 및 부호화는 변조 차수와 부호율을 변화시켜야 할만큼 큰 채널 변화에 대해서는 효율적이나 작은 채널 변화에 대해서는 적응성을 제공할 수 없다.
등록특허 10-1430320
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 비트 오류 확률 관점에서 우수한 성능을 갖는 링크 적응을 위한 적응적 신호 성상도 설계 방법 및 장치를 제안하고자 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 링크 적응을 위한 적응적 신호 성상도 설계 장치로서, 프로세서; 및 상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되, 상기 메모리는, 데이터가 전송되는 채널 환경을 모니터링하고, 상기 모니터링된 채널 환경에 따라 θ-QAM의 격자 구조를 갖는 신호 성상도에 대한 최적의 성상도 파라미터를 결정하고, 상기 결정된 최적의 성상도 파라미터에 결정된 신호점들에 부호화된 정보 비트를 매핑하도록, 상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 명령어들을 저장하는 적응적 신호 성상도 설계 장치가 제공된다.
상기 프로그램 명령어들은, 상기 데이터가 전송되는 채널에서 각 SNR에 대한 변조 신호 성상도의 비트 오류 확률을 성상도 파라미터를 가변하여 계산하고, 최소 비트 오류 확률을 갖는 성상도 파라미터를 상기 최적의 성상도 파라미터로 결정할 수 있다.
상기 프로그램 명령어들은, 미리 설정된 적응적 신호 성상도 레벨의 개수 및 상기 각 SNR에서의 최적의 성상도 파라미터의 전체 변화 폭을 이용하여 상기 성상도 파라미터를 가변하기 위한 간격인 시스템 파라미터를 결정할 수 있다.
상기 시스템 파라미터는 상기 채널 환경의 변화가 클수록 큰 값으로 설정될 수 있다.
상기 θ-QAM의 격자 구조를 갖는 신호 성상도는 계단형(stepped) θ-QAM, 원형(circular) θ-QAM 등 삼각형의 격자 구조를 갖는 신호 성상도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 프로세서 및 메모리를 포함하는 장치에서 적응적 신호 성상도 설계 방법으로서, 데이터가 전송되는 채널 환경을 모니터링하는 단계; 상기 모니터링된 채널 환경에 따라 θ-QAM의 격자 구조를 갖는 신호 성상도에 대한 최적의 성상도 파라미터를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 최적의 성상도 파라미터에 결정된 신호점들에 부호화된 정보 비트를 매핑하는 단계를 포함하는 적응적 신호 성상도 설계 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기한 방법을 수행하는 컴퓨터 판독 가능한 프로그램이 제공된다.
본 발명에 따르면, 채널 환경에 따른 최적의 성상도 파라미터를 할당하여 신호 성상도를 설계함으로써 오류 확률 관점에서 우수한 성능을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고정된 변조 차수와 부호화율에 대해 작은 채널 변화에 따라 최적의 성상도 파라미터를 할당함으로써 비교적 짧은 주기로 급격한 채널 환경에 변화에 대응하여 적응적으로 신호를 전송할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 적응적 신호 성상도 설계 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2은 θ-QAM의 격자 구조를 나타낸 도면이다.
도 3는 AWGN (Additive White Gaussian Noise) 채널에서 θ-QAM의 최적 성상도 파라미터를 나타낸 도면이다.
도 4는 미리 설정된 ASC 레벨이 6개이고 통신이 이루어지는 범위가 5 ~ 20 dB로 상대적으로 채널 환경의 변화가 큰 경우 시스템 파라미터를 나타낸 도면이다.
도 5는 미리 설정된 ASC 레벨이 6개이고 통신이 이루어지는 범위가 10 ~ 20 dB로 상대적으로 채널 환경의 변화가 작은 경우 시스템 파라미터를 나타낸 도면이다.
도 6은 변조 차수가 16일 때, AWGN, Rician 페이딩, Rayleigh 페이딩 등의 다양한 채널 환경에서 θ-QAM의 최적 성상도 파라미터를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서는 채널 환경에 따른 θ-QAM의 격자 구조를 갖는 신호 성상도에 대한 최적의 성상도 파라미터를 도출하고 최적의 신호점을 할당하여 비교적 짧은 주기로 급격한 채널 환경의 변화에 대응하여 적응적으로 신호를 전송하는 방법을 제시한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 적응적 신호 성상도 설계 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 장치는 프로세서(100) 및 메모리(102)를 포함할 수 있다.
프로세서(100)는 컴퓨터 프로그램을 실행할 수 있는 CPU(central processing unit)나 그밖에 가상 머신 등을 포함할 수 있다.
메모리(102)는 고정식 하드 드라이브나 착탈식 저장 장치와 같은 불휘발성 저장 장치를 포함할 수 있다. 착탈식 저장 장치는 컴팩트 플래시 유닛, USB 메모리 스틱 등을 포함할 수 있다. 메모리(102)는 각종 랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리도 포함할 수 있다.
이와 같은 메모리(102)에는 프로세서(100)에 의해 실행 가능한 프로그램 명령어들이 저장된다.
본 실시예에 따른 프로그램 명령어들은, 데이터가 전송되는 채널 환경을 모니터링하고, 상기 모니터링된 채널 환경에 따라 θ-QAM의 격자 구조를 갖는 신호 성상도에 대한 최적의 성상도 파라미터를 결정하고, 상기 결정된 최적의 성상도 파라미터에 결정된 신호점들에 부호화된 정보 비트를 매핑한다.
이때, 상기 데이터가 전송되는 채널에서 각 SNR에 대한 변조 신호 성상도의 비트 오류 확률을 성상도 파라미터를 가변하여 계산하고, 최소 비트 오류 확률을 갖는 성상도 파라미터를 상기 최적의 성상도 파라미터로 결정한다.
또한, 미리 설정된 적응적 신호 성상도 레벨의 개수 및 상기 각 SNR에서의 최적의 성상도 파라미터의 전체 변화 폭을 이용하여 상기 성상도 파라미터를 가변하기 위한 간격인 시스템 파라미터를 결정한다.
상기 시스템 파라미터는 상기 채널 환경의 변화가 클수록 큰 값으로 설정될 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 적응적 신호 성상도 설계 과정을 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따르면, 최적의 θ-QAM 격자 구조 설계를 위하여 데이터가 전송되는 채널 환경에 따른 최적의 성상도 파라미터를 도출한다.
이때, 최적의 성상도 파라미터는 데이터가 전송되는 채널에서 각 SNR에 대한 변조 신호 성상도의 비트 오류 확률을 성상도 파라미터를 가변하며 계산하고 이 중 최소 비트 오류 확률을 갖는 파라미터를 선택함으로써 도출할 수 있다.
도 2은 θ-QAM의 격자 구조를 나타낸 도면이고, 도 3는 AWGN (Additive White Gaussian Noise) 채널에서 θ-QAM의 최적 성상도 파라미터를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 사각형의 격자 구조(θ = 90°)를 갖는 SQAM이 항상 최적은 아니며 SNR에 따라 최적의 성상도 파라미터(θ)가 변하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 변조 차수 M이 고정되었을 때, 신호가 전송되는 채널의 각 SNR에 따라 최적의 성상도 파라미터를 결정하여 신호 성상도를 설계하면 더욱 효율적인 신호 전송이 가능하다.
이때, 모든 SNR에 대하여 성상도 파라미터를 너무 자주 변경하면 복잡도 문제가 발생할 수 있다.
이에, 실제 시스템에의 적용을 고려하여 시스템 파라미터 β를 설정하여 β 간격마다 성상도 파라미터를 변경하도록 한다.
이때, 시스템 파라미터 β는 통신이 이루어지는 SNR 범위 내에서 설정한 ASC(Adaptive Signal Constellation, 적응적 신호 성상도) 레벨의 개수에 따라 가변적으로 변경할 수 있으며, 다음과 같이 간단히 표현할 수 있다.
Figure pat00001
일반적으로 채널 환경의 변화가 큰 경우 보다 큰 β 값을 설정하고, 채널 환경의 변화가 작은 경우 보다 작은 β 값을 설정하여 효율적으로 신호 전송의 적응성을 조절할 수 있다.
예를 들어, 도 3에서 변조 차수 16의 일 때, 도 4에 도시된 ASC 시나리오와 같이 미리 설정된 ASC 레벨이 6개이고 통신이 이루어지는 범위가 5 ~ 20 dB로 상대적으로 채널 환경의 변화가 큰 경우 시스템 파라미터는
Figure pat00002
로 결정될 수 있다.
도 5에 도시된 ASC 시나리오와 같이, 미리 설정된 ASC 레벨이 6개이고 통신이 이루어지는 범위가 10 ~ 20 dB로 상대적으로 채널 환경의 변화가 작은 경우 시스템 파라미터는
Figure pat00003
로 결정될 수 있다.
M이 16인 경우와 다른 변조 차수에 대해서도 이와 동일한 방법으로 시스템 파라미터 β를 계산하여 ASC 시나리오를 설정할 수 있다.
그밖에 다른 채널 환경에 대해서도 동일한 과정으로 ASC 시나리오에 따라 신호 성상도 파라미터를 가변하여 데이터를 전송하게 되면 기존 통신 시스템 표준들에서 사용되고 있는 사각형의 격자 구조를 갖는 SQAM 만을 이용한 방식보다 더욱 효율적인 데이터 전송이 가능하다.
도 6은 변조 차수가 16일 때, AWGN, Rician 페이딩, Rayleigh 페이딩 등의 다양한 채널 환경에서 θ-QAM의 최적 성상도 파라미터를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 각각의 채널은 Rician K-factor에 따라 표현 가능하며 채널의 상태가 좋을수록 큰 K-factor 값을 가진다.
도 6에서 볼 수 있듯이, 채널 환경이 좋을수록 최적 성상도 파라미터가 60°로 수렴하며, 채널 환경이 나빠질수록 최적 성상도 파라미터가 90°로 수렴하는 것을 볼 수 있다.
따라서 본 실시예에 따른 시스템 파라미터 β 값을 채널의 변화 정도와 더불어 채널 환경에 따라서도 조절 가능하다. 채널 환경에 따라 최적 성상도 파라미터가 수렴하는 값이 다르며 채널 환경이 좋을수록 그 값이 더 작아진다.
예를 들어 도 6에서 가장 좋은 환경인 AWGN 채널에서는 최적 성상도 파라미터가 60°로 수렴하며 채널 상태가 나빠질수록 수렴되는 값들이 점점 증가하여 가장 나쁜 환경인 Rayleigh 페이딩 채널에서는 90°로 수렴한다.
따라서 채널 상태가 좋을수록 최적 성상도 파라미터의 변화 폭이 크기 때문에 β 값을 보다 크게 설정하고, 채널 상태가 나쁠수록 β 값을 보다 작게 설정하여 신호 전송의 적응성을 조절할 수 있다.
예를 들어, 도 6에서 미리 설정된 ASC 레벨이 6개이고, 통신이 이루어지는 SNR 범위가 5 ~ 15dB 일 때 AWGN 채널의 경우 시스템 파라미터는
Figure pat00004
로 결정될 수 있다.
Rician 페이딩 채널의 경우 K = 20 dB 일 때
Figure pat00005
, K = 10 dB 일 때
Figure pat00006
, Rayleigh 페이딩 채널의 경우
Figure pat00007
이 되며, 각각에 대해 위에서 설명한 방법과 동일하게 ASC 시나리오를 설정할 수 있다
이러한 ASC 기법은 기존 AMC 기법과 접목하여 사용 가능하다.
기존 AMC 기법은 상대적으로 큰 채널 변화에 대하여 변조 차수와 부호화율을 변화하여 적응성을 제공한다. 이때, AMC 기법에 ASC 기법을 접목하여 고정된 변조 차수와 부호율에 대해 최적의 성상도 파라미터를 할당하여 데이터를 전송하면 추가적인 적응성을 확보할 수 있다.
즉, 큰 채널 변화에 대해서는 AMC 기법을 적용하고 작은 채널 변화에 대해서는 ASC 기법을 적용함으로써 기존 AMC 기법만을 사용한 시스템보다 더욱 효율적인 데이터 전송 및 적응성 제공이 가능하다.
또한, 본 발명에서는 θ-QAM 신호를 예를 들어 설명하고 있지만 ASC 기법은 계단형(stepped) θ-QAM, 원형(circular) θ-QAM 등 삼각형의 격자 구조를 갖는 다른 성상도에도 확장하여 적용 가능하다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 링크 적응을 위한 적응적 신호 성상도 설계 장치로서,
    프로세서; 및
    상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되,
    상기 메모리는,
    데이터가 전송되는 채널 환경을 모니터링하고,
    상기 모니터링된 채널 환경에 따라 θ-QAM의 격자 구조를 갖는 신호 성상도에 대한 최적의 성상도 파라미터를 결정하고,
    상기 결정된 최적의 성상도 파라미터에 결정된 신호점들에 부호화된 정보 비트를 매핑하도록,
    상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 명령어들을 저장하는 적응적 신호 성상도 설계 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로그램 명령어들은,
    상기 데이터가 전송되는 채널에서 각 SNR에 대한 변조 신호 성상도의 비트 오류 확률을 성상도 파라미터를 가변하여 계산하고,
    최소 비트 오류 확률을 갖는 성상도 파라미터를 상기 최적의 성상도 파라미터로 결정하는 적응적 신호 성상도 설계 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프로그램 명령어들은,
    미리 설정된 적응적 신호 성상도 레벨의 개수 및 상기 각 SNR에서의 최적의 성상도 파라미터의 전체 변화 폭을 이용하여 상기 성상도 파라미터를 가변하기 위한 간격인 시스템 파라미터를 결정하는 적응적 신호 성상도 설계 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시스템 파라미터는 상기 채널 환경의 변화가 클수록 큰 값으로 설정되는 적응적 신호 성상도 설계 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 θ-QAM의 격자 구조를 갖는 신호 성상도는 계단형(stepped) θ-QAM, 원형(circular) θ-QAM 등 삼각형의 격자 구조를 갖는 신호 성상도 중 적어도 하나를 포함하는 적응적 신호 성상도 설계 장치.
  6. 프로세서 및 메모리를 포함하는 장치에서 적응적 신호 성상도 설계 방법으로서,
    데이터가 전송되는 채널 환경을 모니터링하는 단계;
    상기 모니터링된 채널 환경에 따라 θ-QAM의 격자 구조를 갖는 신호 성상도에 대한 최적의 성상도 파라미터를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 최적의 성상도 파라미터에 결정된 신호점들에 부호화된 정보 비트를 매핑하는 단계를 포함하는 적응적 신호 성상도 설계 방법.
  7. 제6항에 따른 방법을 수행하는 컴퓨터 판독 가능한 프로그램.






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