KR20230160530A - 도플러 오차에 강인한 저전력 전송 장치 및 이를 포함하는 통신 장치 - Google Patents

도플러 오차에 강인한 저전력 전송 장치 및 이를 포함하는 통신 장치 Download PDF

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Abstract

저궤도 위성 환경을 포함한 고속이동체 환경에 적용하기 위한 저전력 광대역 전송 장치에서 로라(LoRa) 기술의 전송 방식과 유사한 처프(chirp) 대역 확산 기법을 이용하는, 도플러 오차에 강인한 저전력 전송 장치 및 통신 장치가 개시된다. 저전력 전송 장치는, 입력되는 메시지 비트를 부호화하는 인코딩 블록, 부호화된 데이터를 인터리빙하는 인터리빙 블록, 및 처프 확산 스펙트럼 기법으로 인터리빙된 데이터를 변조하는 변조 블록을 포함하고, 변조된 신호를 포함한 페이로드가 프리앰블과 함께 안테나를 통해 외부로 전송될 때, 프리앰블의 패턴은 연속적인 업처프 심볼과 연속적인 다운처프 심볼이 대칭적인 길이로 존재하는 구조를 가진다.

Description

도플러 오차에 강인한 저전력 전송 장치 및 이를 포함하는 통신 장치{LOW POWER TRANSMITTER ROBUSTING TO DOPPLER ERROR AND COMMUNICATION APPARATUS HAVING THE SAME}
본 발명은 저궤도 위성 환경을 포함한 고속이동체 환경에 적용하기 위한 저전력 광대역(low power wide area, LPWA) 사물인터넷(internet of thing, IoT) 전송 장치에서 로라(LoRa) 기술의 전송 방식과 유사한 처프(chirp) 대역 확산 기법을 이용하는, 도플러 오차에 강인한 저전력 전송 장치 및 이를 포함하는 통신 장치에 관한 것이다.
최근 초소형 저궤도 위성(cube satellite or nanosatellite)을 활용하여 글로벌 사물인터넷(internet of thing, IoT)을 제공하는 서비스 기반의 사업이 활발히 진행되고 있다. 일례로, 종래 기술에서는 지상통신망에서 기존의 비면허대역 주파수를 활용하여 도심 지역을 중심으로 저전력, 저가의 IoT 망을 구축한 다양한 유즈 케이스를 제시하고 있다.
이러한 IoT 망 서비스의 대표적인 방식이 로라광대역망(LoRa wide area network, LoRaWAN)이다. LoRaWAN은 미국의 셈테크(Semtech)사의 물리계층 로라(LoRa)를 기반으로 하는 망 기술으로써 다른 비면허 IoT 기술과 대비할 때 넒은 커버리지를 제공하고 저전력 전송이 가능하여 시장에서 널리 적용될 수 있다.
그러나 LoRaWAN 기술은 크게 많은 사용자가 동시에 접속하는데 한계가 있으며 글로벌 망을 구축하는데 비용 및 글로벌 로밍 서비스를 제공하는데 한계가 있다.
또한, LoRaWAN 기술에서는 글로벌 서비스를 제공하기 위해 저궤도 초소형 위성을 활용하기 시작하였지만, 초소형 위성이 가지는 커버리지의 확대로 동시 접속할 수 있는 데이터 용량의 한계에 더욱 어려움이 발생하고 있다.
아울러, 저궤도 위성의 경우, 위성이 초당 수 km/h의 속도로 지구를 공전하기 때문에 도플러 주파수 오차에 영향을 받게 되어 LoRa 전송방식인 높은 SF(Spreading Factor)를 가진 CSS(Chirp Spread Spectrum) 전송에 어려움이 발생하고 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존 로라(LoRa)와 같이 처프(chirp) 대역 확산 기법을 사용하지만 로라(LoRa)의 게이트웨이(gateway) 및 단말 송신파트에서 소프트웨어 업그레이드를 통해 새로운 프리앰블(preamble) 패턴을 변화시킴으로써 단말이 저궤도 위성과의 통신시 성능을 개선할 수 있는, 도플러 오차에 강인한 저전력 전송 장치 및 이를 포함하는 통신 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 기존 로라(LoRa)와 같이 처프(chirp) 대역 확산 기법을 사용하지만 변조기 내부 구조를 개선하여 전송 효율을 개선할 수 있는, 도플러 오차에 강인한 저전력 전송 장치 및 이를 포함하는 통신 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 저궤도 위성 통신에 적합한 개선된 LoRa 변복조기 구조를 구비하는 통신 장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 저전력 전송 장치는, 저궤도 위성 환경을 포함한 고속 이동체 환경에 적용하기 위한 저전력 전송 장치로서, 입력되는 메시지 비트를 부호화하는 인코딩 블록; 부호화된 데이터를 인터리빙하는 인터리빙 블록; 및 처프(chirp) 확산 스펙트럼 기법으로 인터리빙된 데이터를 변조하는 변조 블록을 포함한다. 변조된 신호를 포함한 페이로드는 프리앰블과 함께 안테나를 통해 외부로 전송된다. 프리앰블의 패턴은 연속적인 업처프(upchirp) 심볼과 연속적인 다운처프(downchirp) 심볼이 대칭적인 길이로 존재하는 구조를 가진다.
일실시예에서, 저전력 전송 장치가 외부로 전송되는 송신 신호는 상기 프리앰블 및 상기 페이로드 사이에 레퍼런스 심볼을 가진 버스트 구조를 가질 수 있다.
일실시예에서, 상기 인터리빙 블록은, 채널코딩된 데이터 블록의 각 4+CR(coding rate) 비트의 SF(spreading factor) 개에 대해 인터리빙(interleaving)을 수행하도록 구성될 수 있다. SF는 최하위비트(least significant bit, LSB)와 최상위비트(most significant bit, MSB) 간의 행-열 심볼의 열 길이에 대응하고, 4+CR 비트는 행-열 심볼의 행 길이에 대응한다.
일실시예에서, 상기 인터리빙 블록은 그 출력이 SF 비트씩 묶여 (4+CR)개의 LoRa 심볼에 매핑되도록 구성될 수 있다. 여기서 인터리빙 블록은 인터리빙의 쓰기(write) 과정을 대각선 방향으로 처리하고, 읽기(read) 과정을 세로 방향으로 처리하여 그 출력의 코드워드의 비트들이 LoRa 심볼로 매핑되는 SF 비트 묶음에서 차지하는 위치가 달라지도록 동작할 수 있다.
일실시예에서, 저전력 전송 장치는 인터리빙 블록의 출력에 그레이 인덱싱 기법을 적용하도록 구성될 수 있다. 여기서 그레이 인덱싱은 인접된 심볼 인덱스에 해당되는 SF 비트들 간의 해밍 거리(hamming distance)가 1이 되도록 심볼 매핑을 해주는 것을 지칭할 수 있다.
일실시예에서, 저전력 전송 장치는 상기 인터리빙 블록의 SF가 커짐에 따라 상기 변조 블록에서 출력되는 비트열 간의 최소 거리(minimum distance)를 최소화하는 그레이 매핑 기법을 적용하도록 구성될 수 있다.
일실시예에서, 상기 인터리빙 블록은 대각 인터리버(diagonal interleaver), 행-열 나선형 비트 인터리버(row-column helicoidal bit interleaver), 블록 인터리버(block interleaver), 순환 쉬프트 인터리버(cyclic shift interleaver), 헬리칼 인터리버(helical interleaver) 및 랜덤 인터리버(random interleaver) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 인코딩 블록은 해밍코드를 이용하는 해밍 인코딩 블록이나 길쌈부호를 이용하는 인코딩 블록을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 저전력 전송 장치는, 상기 인코딩 블록과 상기 인터리빙 블록 사이에 화이트닝 블록을 더 포함할 수 있다. 여기서 화이트닝 블록은 인코딩 과정에서 발생한 비트간 상관성(correlation)을 제거하도록 구성될 수 있다.
일실시예에서, 저전력 전송 장치는, 상기 인터리빙 블록과 상기 변조 블록 사이에 그레이 인덱싱 블록을 더 포함할 수 있다. 여기서, 그레이 인덱싱 블록은 수신기에서 발생하는 심볼 에러로 인한 비트 에러를 최소화하기 위한 심볼을 생성하도록 구성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 통신 장치는, 저궤도 위성 환경을 포함한 고속 이동체 환경에 적용하기 위한 저전력 통신 장치로서, 복조 모듈 및 디코딩 모듈을 구비하는 수신단을 포함하고, 상기 복조 모듈은 버스트 검출 및 도플러 주파수 검출을 위한 상관기를 구비한다. 여기서, 상기 상관기는, 업처프 FFT 블록, 제1 가산기 및 제1 ABS 블록을 구비한 제1 직렬 구조, 다운처프 FFT 블록, 제2 가산기 및 제2 ABS 블록을 구비하는 제2 직렬 구조, 및 상기 제1 직렬 구조와 상기 제2 직렬 구조가 병렬적으로 연결되는 최대값 선택 블록을 구비한다. 그리고 최대값 선택 블록은 수신단의 안테나를 통해 수신된 I(in-phase)/Q(quadrature) 샘플 입력의 심볼들에서 최대값과 최대값의 위치를 결정한다.
일실시예에서, 상기 제1 가산기는 상기 업처프 FFT 블록의 출력에서 상기 제1 ABS 블록의 출력을 뺀 값을 상기 제1 ABS 블록으로 다시 입력하고, 상기 제2 가산기는 상기 다운처프 FFT 블록의 출력에서 상기 제2 ABS 블록의 출력을 뺀 값을 상기 제2 ABS 블록으로 다시 입력하도록 구성될 수 있다.
일실시예에서, 통신 장치의 수신단의 안테나로 수신되는 신호는 상기 프리앰블 및 상기 페이로드 사이에 레퍼런스 심볼을 가진 버스트 구조를 가질 수 있다.
일실시예에서, 통신 장치는, 인코딩 모듈과 변조 모듈을 구비하는 송신단을 더 포함할 수 있다. 상기 송신단은, 입력되는 메시지 비트를 부호화하는 인코딩 블록; 부호화된 데이터를 인터리빙하는 인터리빙 블록; 및 처프(chirp) 확산 스펙트럼 기법으로 인터리빙된 데이터를 변조하는 변조 블록을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 송신단을 통해 외부로 전송되는 송신 신호의 프리앰블의 패턴은 연속적인 업처프(upchirp) 심볼과 연속적인 다운처프(downchirp) 심볼이 대칭적인 길이로 존재하는 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 의하면, 로라(LoRa)의 게이트웨이(gateway) 및 단말 송신파트에서 소프트웨어 업그레이드를 통해서 새로운 프리앰블(preamble) 패턴을 변화시킴으로써 단말이 저궤도 위성과의 통신시 성능을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 소프트웨어 업그레이드에 더하여 하드웨어까지 변경한 경우, 저궤도 위성에 의해 생성되는 도플러 시프트(shift)가 예컨대 ±25㎑, 드리프트(drift)가 예컨대 ±300㎐/s, 샘플링 드리프트(sampling drift)가 예컨대 20ppm으로 상대적으로 큰 환경에서 기존 AWGN(additive white gaussian noise) 채널의 LoRa 성능과 동등한 수준으로 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 저전력 전송 방법을 적용할 수 있는 저궤도 위성통신 기반 로라(LoRa) 방식에 대한 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 로라 방식의 저궤도 위성 환경에서 도플러 주파수 오차를 예시한 그래프들이다.
도 3은 도 1의 로라 방식에서 간섭환경에 강인한 LoRa 기술을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 도 1의 로라 방식에 채용할 수 있는 전송 구조를 예시한 블록도이다.
도 5는 도 1의 로라 방식에 채용할 수 있는 변복조기 구조를 예시한 블록도이다.
도 6은 도 1의 LoRa 전송 방식에 채용할 수 있는 LoRa 인터리버 구조를 예시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전송 장치나 방법에 채용할 수 있는 프리앰블 패턴 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 도 7의 프리앰블 패턴 구조를 이용할 수 있는 버스트 검출 및 도플러 주파수 검출 상관기 구조에 대한 예시도이다.
도 9는 도 8의 상관기 구조에 의해 검출할 수 있는 버스트 구조에 대한 예시도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 통신 장치에 대한 개략적인 블록도이다.
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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원의 실시예들에서, 'A 및 B 중에서 적어도 하나'는 'A 또는 B 중에서 적어도 하나' 또는 'A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 적어도 하나'를 의미할 수 있다. 또한, 본 출원의 실시예들에서, 'A 및 B 중에서 하나 이상'은 'A 또는 B 중에서 하나 이상' 또는 'A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 하나 이상'을 의미할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어'있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가진다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 저전력 전송 방법을 적용할 수 있는 저궤도 위성통신 기반 로라(LoRa) 방식에 대한 개념도이다. 도 2a 및 도 2b는 도 1의 로라 방식의 저궤도 위성 환경에서 도플러 주파수 오차를 예시한 그래프들이다. 그리고 도 3은 도 1의 로라 방식에서 간섭환경에 강인한 LoRa 기술을 설명하기 위한 예시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 저전력 전송 방법을 적용할 수 있는 저궤도 위성통신 기반 로라(LoRa) 방식의 통신망은 저궤도 위성(10), 네트워크 관문국(20), 직접 접근(direct access) 지상 단말(30, 40) 및 간접 접근(indirect access) 지상 단말(32)을 포함할 수 있다. 다수의 직접 접근 지상 단말(40)(이하 간략히 '지상 단말')이 사각 점선 박스 내에 원형과 삼각형 모양으로 도시되어 있다.
네트워크 관문국(20)은 인터넷(internet) 등의 네트워크에 연결될 수 있으며, 간접 접근 지상 단말(32)은 무선 센서 및 액추에이터 네트워크(wireless sensor and actuator network, WSAN) 등을 통해 직접 접근 지상 단말(30)과 연결되고 직접 접근 지상 단말(30)을 통해 저궤도 위성(10)과 통신할 수 있다.
지상 단말(40)은 네트워크 관문국(20)으로부터 전송되는 신호를 저궤도 위성(10)의 천문력 정보와 함께 수신할 수 있다. 천문력 정보는 측정 당시 또는 수신 당시의 위성의 위치 및 전송시각 정보, 위성 움직임의 궤도 정보 등을 포함할 수 있다.
지상 단말(40)은 천문력 정보와 단말에 탑재된 GPS(global positioning system) 수신기로 단말의 위치 정보를 획득하여 저궤도 위성의 도플러 주파수 오차를 계산하고 단말이 네트워크 관문국(10)으로 전송할 때의 해당 도플러 주파수 오차를 사전 보상하여 송신 동작을 수행한다.
한편, 지상 단말(40)에 GPS 수신기가 탑재되지 않고 단말이 네트워크 관문국(20)으로부터 위성 천문력 정보를 수신하지 못하는 경우, 지상 단말(40)은 송신 동작 전에 도플러 주파수 오차를 보상할 수 없다. 이 경우, 단말은 도 2a 및 도 2b와 같이 큰 도플러 주파수 오차를 겪게 된다. 반대로 관문국에서 도플러 주파수 오차를 사전 보상해서 송신하지 않는다면 단말이 수신시 도플러 주파수 오차로 인해 복조가 어렵게 된다.
이에 본 실시예에서는 현재 지상 비면허 대역 주파수를 사용하고 있는 LoRa와 같은 처프 확산 스펙트럼(chirp spread spectrum, CSS) 방식을 고려하여 도플러 주파수 오차를 사전 보상하도록 구성된다. LoRa 방식은 큰 주파수 오차 환경에서 PSK(Phase Shift Keying) 계열의 선형 변조방식 대비 동작에 있어 강인한 특성을 가진다. 아울러, 도 3과 같이 잡음 강도(density)보다 낮은 전력(power)에서 동작이 가능하므로 간섭채널 환경에서도 강인한 특성을 가질 수 있다.
도 3에서, LoRa 칩 속도(chip rate)는 소정의 신호 대역폭(signal bandwidth) 예컨대 125㎑에서의 처프 확산 스펙트럼(chirp spread spectrum) 변조를 나타낼 수 있다. 여기서 LoRa 심볼 당 칩의 개수는 2^SF이고, SF는 확산 계수(spreading factor)를 나타낸다.
그리고, 로라 처프율(LoRa chirp rate)은 125㎑/(2^SF)이고, 인접한 채널 간섭(adjacent channel interference)을 고려한 최소열잡음 전력(thermal noise floor, No)을 기준으로 처프 신호의 심볼 당 에너지(Es/No)는 7㏈이고, 반송파 대 잡음 비(carrier to noise ratio, C/N)은 -20㏈일 수 있다. 또한, 동일 채널 간섭(co-channel interference)을 고려한 동일 채널 반송파 대 간섭 비(co-channel carrier to interference ratio, CIR)는 12㏈일 수 있다.
도 4는 도 1의 LoRa 전송 방식에 채용할 수 있는 전송 구조를 예시한 블록도이다. 도 5는 도 1의 LoRa 전송 방식에 채용할 수 있는 변복조기 구조를 예시한 블록도이다. 그리고, 도 6은 도 1의 LoRa 전송 방식에 채용할 수 있는 LoRa 인터리버 구조를 예시한 개념도이다.
도 4를 참조하면, LoRa 전송 구조는 디지털 통신을 위한 전송 장치 특히, 사물인터넷을 위한 초소형 통신장치의 기본 구조를 포함할 수 있다. 좀더 구체적으로, LoRa 전송 구조는 메시지 비트를 입력받아 부호화를 수행하는 해밍 인코딩(hamming encoding), 해밍 인코딩 과정에서 발생한 비트간 상관성(correlation)을 제거하는 화이트닝(whitening), 심볼 에러(symbol error)에 의해 발생한 비트 에러(bit error)를 여러 해밍 코드워드에 분산하여 에러가 올바르게 정정되는 확률을 높이기 위한 인터리빙(interleaving), 수신기에서 발생하는 심볼 에러로 인한 비트 에러를 최소화하기 위한 심볼을 생성하는 그레이 인덱싱(gray indexing), 심볼열(symbol sequence)을 이용하여 송신 신호를 생성하는 로라 변조(LoRa modulation)을 위한 블록들을 포함할 수 있다.
여기서 메시지 비트는 헤더(header), 페이로드(payload) 및 CRC(cyclic redundancy check)를 포함하고, 송신 신호는 프리앰블(preamble)을 포함하며, 로라 변조는 주파수 천이 처프 변조(frequency shift chirp modulation)를 포함할 수 있다.
로라 변조를 통해 생성되는 송신 신호의 프레임 구조(frame structure)는 업처프(upchirps), 프레임 디리미터(frame delimiters, FD), 헤더(header), 페이로드(payload) 및 CRC를 포함하여 구성될 수 있다. 업처프는 N-비트의 프리앰블 심볼을 포함하고, FD는 4.25 심볼을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
한편, LoRa 변복조기 구조는, 도 5에 예시한 바와 같이, 송신 페이로드(TX payload)를 포함하는 메시지 비트를 부호화하는 인코딩 모듈(encoding module), 및 인코딩 모듈에서 나오는 심볼열을 이용하여 송신 신호를 생성하는 변조 모듈(modulating module)을 포함하는 송신 장치를 포함한다.
여기서 인코딩 모듈은 해밍 인코딩(hamming encoding), 화이트닝(whitening), 인터리빙(interleaving), 그레이 인덱싱(gray indexing), 및 매핑(mapping)을 위한 블록들을 포함할 수 있고, 매핑 블록은 SF(spread factor) 비트들로부터 2SF 톤(tones)의 데이터를 출력한다. 그리고 변조 모듈은 2SF 톤의 데이터를 IFFT(inverse fast Fourier transform)를 적용하여 2SF 포인트의 송신 패킷을 생성하고, 송신 패킷의 n번째 데이터를 업처프(up-chirp) 신호로 변환하고, 생성된 송신 신호가 송신 장치의 안테나를 통해 외부로 전송되도록 구성될 수 있다.
송신 장치에서 전송되는 데이터 신호는 무선 채널에서 발생하는 잡음과 함께 수신 장치에 전달된다. 잡음은 데이터 통신 시스템과 관련하여 자연에서 발생하는 많은 랜덤 프로세스를 모방하기 위해 사용되는 기본 잡음 모델인 백색 가우시안 잡음(additive white gaussian noise, AWGN)을 포함할 수 있다.
수신 장치에서는 프리앰블(preamble)을 사용하여 초기 신호 감지(initial signal detection) 및 데이터 동기(synchronization)를 획득할 수 있다. 수신 장치에 수신된 신호는 복조 모듈(demodulating module)과 디코딩 모듈(decoding module)를 통해 수신 페이로드(RX payload)로 검출될 수 있다.
여기서 복조 모듈은 프리앰블 감지 및 동기화를 통해 수신되는 데이터를 다운처프(down-chirp) 신호로 변환하고, 변환된 신호를 2SF 포인트의 FFT와 복소 ABS(ABSolute) 연산과 최대값의 크기를 선택하기 위한 맥스 셀렉션(max selection) 블록을 통해 수신 데이터를 선택할 수 있다. 그리고 디코딩 모듈은 그레이 인덱싱(gray indexing), 디인터리빙(deinterleaving), 디화이트닝(dewhitening) 및 해밍 디코딩(hamming decoding)을 통해 수신 페이로드(RX payload)를 얻을 수 있다.
전술한 LoRa 전송 방식의 처프 확산 스펙트럼(chirp spread spectrum, CSS) 방식은 10*log10(2SF/SF), Rc=Rb/SF*2SF (여기서 Rc는 칩 속도(chip rate)를, Rb는 데이터 속도(data rate)를 각각 나타냄) 만큼의 처리 이득(processing gain)을 가질 수 있기 때문에 확산 계수(spreading factor, SF)가 커질수록 낮은 신호대잡음비(SNR)에서 동작이 가능하지만 동일한 신호 대역폭에서 비트열의 정보를 가지는 인접 신호들 간의 거리가 가까워져서 비트 오류가 발생할 확률이 커지게 된다. 특히 위성의 움직임에 의해 시변하는 오차 특히, 도플러 주파수 드리프트(Doppler frequency drift)가 존재하는 경우 비트 오류 발생이 필연적이다.
이를 개선하기 위해, 본 실시예에서는 프리앰블(preamble) 심볼 등을 이용하여 도플러 드리프트를 보상하는 방안을 제공한다. 또한, 프리앰블 심볼을 이용하여 도플러 드리프트를 보상하는 경우, 수신 장치의 구조가 복잡해지므로 도플러 드리프트 영향에 성능 열화를 막을 수 있는 방안을 제공한다.
아울러, 도플러 주파수 오차가 존재하는 경우, 대다수의 기존의 IoT 수신기는 FFT 연산을 수행하기 전에 프리앰블을 이용하여 프리앰블 검출 예컨대, 버스트 패킷(burst packet) 검출을 수행하고, 도플러, 반송파 주파수 오차 등을 보정해야 다운 처프(downchirp), FFT 수행을 통해 비트 열(bit sequence)을 획득할 수 있다. 따라서, 버스트의 시작을 검출하는 상관기 등의 동작 알고리즘이 칩 속도(chip rate) 또는 칩 속도보다 빠른 샘플 클록(sample clock)으로 동작을 해야 한다. 이경우, 상대적인 고속 동작으로 인한 전력 소모를 줄여야 하는 기존의 IoT 수신기에는 부담이 될 수 있다.
이에 본 실시예에서는, 저궤도 위성채널 환경 즉, 낮은 동작 SNR 및 도플러 오차가 큰 채널 환경에서 기존의 LoRa 전송 방식 대비 도플러 오차에 강인하면서 수신기의 동작 속도 및 연산량을 줄이고 성능은 LoRa 수준을 만족할 수 있는 다음과 같은 방안을 제공한다.
우선, 채널 부호는 기존의 LoRa에서 사용하는 해밍 코드의 적용이 가능하다. 한편 채널 부호 성능을 개선하기 위해 기존의 해밍부호 대신 길쌈부호로 변경하는 것도 가능하다. 즉, 채널부호의 생성다항식에서 109의 b(1101101)는 1 + x + x3 + x4 + x6이고, 79의 b(1001111)는 1 + x3 + x4 + x5 + x6일 수 있다. 여기서 구속장 K는 7이다. 그 외에도 다른 파라미터의 길쌈부호를 가질 수도 있다.
두 번째, 인터리버로서 기존의 LoRa에서 사용되는 대각 인터리버(diagonal interleaver)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 본 실시예에서는 행-열(row-column) 심볼 및 행-열 나선형 비트 인터리버(row-column helicoidal bit interleaver)를 채용할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 블록 인터리버(block interleaver), 순환 쉬프트 인터리버(cyclic shift interleaver), 헬리칼 인터리버(helical interleaver) 및 랜덤 인터리버(random interleaver) 등을 사용할 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같이, 레지스터의 최하위비트(least significant bit, LSB)와 최상위비트(most significant bit, MSB) 간의 행-열 심볼의 열 길이가 SF(spreading factor)이고, 그 행 길이가 4+CR(coding rate) 비트들(bits)의 코드워드(cordword)인 LoRa 인터리버 구조를 이용할 수 있다.
세 번째, 비트 오류를 줄이기 위해 새로운 그레이 매핑(gray mapping) 방식을 제공할 수 있다. 즉, LoRa의 경우, 도 5에 예시한 바와 같이, 데이터 화이트닝(data whitening)을 거친 코드워드 즉, 채널코딩된 데이터 블록의 각 (4+CR) 비트의 SF개에 대해 인터리빙(interleaving)을 수행하면, 인터리버(interleaver)의 출력은 SF 비트씩 묶여 (4+CR)개의 LoRa 심볼에 매핑된다. 이때 코드워드의 비트들이 LoRa 심볼로 매핑되는 SF 비트 묶음에서 차지하는 위치가 달라지도록 하기 위해, 인터리빙(interleaving)의 'write' 과정은 대각선 방향으로 처리하고 'read' 과정은 세로 방향으로 처리해 줄 수 있다. 이와 같이, 전송 장치에서는 인터리버의 출력을 SF 비트씩 묶어 로라(LoRa) 심볼에 매핑할 때 그레이 인덱싱(gray indexing) 방식을 적용할 수 있다.
그레이 인덱싱이란 인접된 심볼 인덱스에 해당되는 SF 비트들 간의 해밍 거리(hamming distance)가 1이 되도록 심볼 매핑을 해주는 방식을 의미한다. 그레이 인덱싱을 사용하면, 주파수 오차나 도플러 시프트(Doppler shift)에 의한 인접 심볼로의 판정 오류가 1 비트의 오류만 만들도록 해주어 해밍 코드로 오류를 정정할 수 있다. 이때, 본 실시예에서는 비트 오류를 줄이기 위해 SF가 커짐에 따라 비트열 간의 최소 거리(minimum distance)를 최소화하는 그레이 매핑 기법을 적용할 수 있다.
네 번째, 수신기에서 상관기 구조를 개선하기 위해 새로운 프리앰블 패턴을 이용할 수 있다. 그리고 다섯번째, 도플러 환경에 강인한 차동(differential) 변조 방식을 사용할 수 있다. 새로운 프리앰블 패턴과 차동 전송 방식에 대하여는 후술하기로 한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전송 장치나 방법에 채용할 수 있는 프리앰블 패턴 구조를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7을 참조하면, 수신기에서 상관기 구조를 개선하기 위해, 프리앰블 패턴은 연속적인 업처프(upchirp) 심볼과 연속적인 다운처프(downchirp) 심볼이 대칭적인 길이로 존재하는 구조를 가진다. 업처프는 연속적인 삼각파 또는 톱니파 형태를 구비하고, 다운처프는 업처프와 수직 대칭되는 삼각파 형태를 구비할 수 있다. 업처프와 다운처프 각각의 단위 삼각파의 처프 구간(chirp duration)은 동일할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
이와 같이, 업처프와 다운처프로 구성되는 상관기 구조를 사용함으로써, FFT 이후 각 주파수 영역의 값들을 이동 평균 필터(moving average filter)를 통해 잡음(noise) 성분을 제거한 평균값을 얻고, 평균값을 통해 최대값을 계산하고, 최대값의 위치를 통해 대략적인 주파수 오차와 시각 오차를 계산할 수 있다.
도 8은 도 7의 프리앰블 패턴 구조를 이용할 수 있는 버스트 검출 및 도플러 주파수 검출 상관기 구조에 대한 예시도이다. 도 9는 도 8의 상관기 구조에 의해 검출할 수 있는 버스트 구조에 대한 예시도이다.
도 8을 참조하면, 도플러 환경에 강인한 전송 방식의 구현을 위해, 수신기는 차동 처프 확산 스펙트럼(differential chirp spread spectrum) 방식을 이용할 수 있다.
예를 들어, 수신단에 수신된 I(in-phase)/Q(quadrature) 칩 샘플 입력의 심볼들(1st symbol, 2nd symbol, …, n-th symbol, …) 중 제1 심볼(1st symbol) 길이만큼 해당 I/Q 샘플 버퍼(samples buffer)로부터 업처프 FFT(fast fourier transform) 블록(upchirp FFT, 81)에 입력되고 제n 심볼(n-th symbol) 길이만큼 해당 I/Q 샘플 버퍼(samples buffer)로부터 다운처프 FFT 블록(downchirp FFT, 82)으로 입력되면, 비트 열을 획득하기 위해 업처프 FFT 블록(81), 제1 가산기(83) 및 제1 ABS 블록(85)의 제1 직렬 구조와 다운처프 FFT 블록(82), 제2 가산기(84) 및 제2 ABS 블록(86)의 제2 직렬 구조가 병렬적으로 동작할 수 있다.
제1 가산기(83)는 업처프 FFT 블록(81)의 출력에서 제1 ABS 블록(85)의 출력을 뺀 값을 제1 ABS 블록(85)으로 다시 입력하도록 구성될 수 있다. 이와 유사하게, 제2 가산기(84)는 다운처프 FFT 블록(82)의 출력에서 제2 ABS 블록(86)의 출력을 뺀 값을 제2 ABS 블록(86)으로 다시 입력하도록 구성될 수 있다.
그리고 제1 직렬 구조의 출력과 제2 직렬 구조의 출력은 최대값 선택 블록(88)에 입력될 수 있다. 최대값 선택 블록(88)은 최대값(Max value)과 최대값의 위치(position)를 결정하도록 구성될 수 있다.
이와 같이, 도플러 주파수 드리프트와 샘플링 주파수 오차가 있는 경우, 수신단에서 FFT를 통해서 얻어지는 에너지의 양이 줄어들 수 밖에 없다. 특히 SF 12를 사용하는 경우, 수신단에서는 인접 주파수 빈(frequency bin)과의 거리가 ±15㎐라서 15㎐를 넘는 경우 인접 심볼의 오류로 판정하게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 도플러 드리프트에 의해 인접 심볼 간 오류를 줄이는 방안으로 차동 처프 확산 스펙트럼 전송 방식을 적용한다. 이 경우, 코히런트 처프 확산 스펙트럼(coherent chirp spread spectrum) 대비 이론적으로 SNR 1㏈ 손실이 생기지만 도플러 추정기의 연산량 감소 등 성능 손실을 최소화할 수 있다.
전술한 차동 처프 확산 스펙트럼 전송 방식의 인코딩 방식은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서 k는 심볼 인덱스(symbol index)이다. 수학식 1에서 S-1를 0으로 두면, 도 9에 도시한 레퍼런스 심볼(reference symbol, 92)을 포함하는 버스트 구조를 사용할 수 있다. 레퍼런스 심볼(92)은 프리앰블(preamble, 91)과 페이로드(payload, 93) 사이에 위치할 수 있다. 즉, 본 실시예의 수신 장치는 차동 상관 기반 검출 동작시에 레퍼런스 심볼(92)을 포함하는 버스트 구조를 이용하여 도플러 드리프트에 의해 발생하는 인접 심볼 간 오류를 줄일 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 통신 장치에 대한 개략적인 블록도이다.
도 10을 참조하면, 통신 장치(100)는 사물인터넷(IoT) 또는 LoRa 통신을 위한 전송 장치, 수신 장치, 통신 장치, 게이트웨이 장치 등을 포함할 수 있다. 즉, 통신 장치(100)는 가정, 회사, 공장, 기관 등에 설치되는 센서, 설비, 차량, 모바일 기기, 스마트 워치 등의 모든 사물인터넷(IoT) 장치를 포함할 수 있다.
전술한 통신 장치(100)는 기본적으로 적어도 하나의 프로세서(110), 메모리(120) 및 송수신 장치(130)를 포함할 수 있다. 여기서, 송수신 장치(130)는 처프 확산 스펙트럼을 이용한 무선 통신 방식으로 통신을 수행할 수 있는 통신서브시스템을 구비할 수 있다. 또한, 통신 장치(100)는 선택적으로 저장 장치(140), 입력 인터페이스 장치(150), 출력 인터페이스 장치(160) 등을 더 포함할 수 있다. 통신 장치(100)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
프로세서(110)는 메모리(120) 및 저장 장치(140) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로그램 명령은 입력되는 메시지 비트를 부호화하는 명령, 부호화된 데이터를 인터리빙하는 명령, 처프(chirp) 확산 스펙트럼 기법으로 인터리빙된 데이터를 변조하는 명령, 연속적인 업처프(upchirp) 심볼과 연속적인 다운처프(downchirp) 심볼이 대칭적인 길이로 존재하는 구조를 가지는 프리앰블의 패턴을 생성하는 명령, 상기의 프리앰블 패턴을 검출하는 명령 등을 포함할 수 있다.
전술한 프로세서(110)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예에 따른 방법들 중 적어도 하나의 방법이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다.
메모리(120) 및 저장 장치(140) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
송수신 장치(130)는 외부의 게이트웨이, 사용자 단말, 데이터 수집 장치, 관리자 단말 등과 무선 통신을 수행하기 위한 서브통신시스템을 포함할 수 있다. 서브통신시스템은 적어도 처프 확산 스펙트럼 통신 방식을 지원하도록 구성될 수 있다.
입력 인터페이스 장치(150)는 키보드, 마이크, 터치패드, 터치스크린 등의 입력 수단들에서 선택되는 적어도 하나와 적어도 하나의 입력 수단을 통해 입력되는 신호를 기저장된 명령과 매핑하거나 처리하는 입력 신호 처리부를 포함할 수 있다.
그리고 출력 인터페이스 장치(160)는 프로세서(110)의 제어에 따라 출력되는 신호를 기저장된 신호 형태나 레벨로 매핑하거나 처리하는 출력 신호 처리부와, 출력 신호 처리부의 신호에 따라 진동, 빛 등의 형태로 신호나 정보를 출력하는 적어도 하나의 출력 수단을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 출력 수단은 스피커, 디스플레이 장치, 프린터, 광 출력 장치, 진동 출력 장치 등의 출력 수단들에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전술한 통신 장치(100)는, 확산 스펙트럼을 이용한 무선 통신 방식으로 기지국이나 액세스 포인트로 신호를 전송하고 기지국이나 액세스 포인트로부터 신호를 수신하는 장치일 수 있다. 이러한 단말은 무선 통신 단말의 일종으로서 소모 전력을 최소화하도록 운용될 필요가 있다.
또한 전술한 통신 장치(100)는, A 클래스(class), B 클래스 및 C 클래스 중 적어도 어느 하나의 통신 방식을 지원할 수 있다. 즉, A 클래스 통신 방식은 LoRa 디바이스(Device)와 LoRa 게이트웨이(Gateway) 사이에서 LoRa 디바이스가 게이트웨이로 메시지를 전송한 후, 잠시 동안 두 번에 걸쳐 메시지 수신을 허용하는 방식이다. B 클래스 통신 방식은 A 클래스의 기능을 제공하면서 예정된 시간에 수신이 가능한 방식이다. 그리고 C 클래스는 수신 가능 상태를 유지하기 위해서 다른 클래스에 비해 최소 지연시간을 가지지만, 송신하는 시간을 제외하고는 수신 대기 상태가 지속되므로, 가장 많은 전력을 소비하는 방식이다.
본 실시예에 의하면, 수신기가 복잡해지지 않으면서 즉, 전력 소모의 부담을 줄이면서 도플러 드리프트 영향에 의한 성능 열화를 막을 수 있도록 새로운 프리앰블 심볼 등을 이용하여 도플러 드리프트를 보상할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 연구는 2021년 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행된 것임(No. 1711116793, 저궤도 초소형 위성(10kg) 기반 글로벌 IoT 서비스를 위한 저전력 위성다중액세스 핵심기술개발).

Claims (20)

  1. 저궤도 위성 환경을 포함한 고속 이동체 환경에 적용하기 위한 저전력 전송 장치로서,
    입력되는 메시지 비트를 부호화하는 인코딩 블록;
    부호화된 데이터를 인터리빙하는 인터리빙 블록; 및
    처프(chirp) 확산 스펙트럼 기법으로 인터리빙된 데이터를 변조하는 변조 블록을 포함하고,
    변조된 신호를 포함한 페이로드는 프리앰블과 함께 안테나를 통해 외부로 전송되며,
    상기 프리앰블의 패턴은 연속적인 업처프(upchirp) 심볼과 연속적인 다운처프(downchirp) 심볼이 대칭적인 길이로 존재하는 구조를 가지는,
    저전력 전송 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부로 전송되는 송신 신호는 상기 프리앰블 및 상기 페이로드 사이에 레퍼런스 심볼을 가진 버스트 구조를 가지는, 저전력 전송 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 인터리빙 블록은, 채널코딩된 데이터 블록의 각 4+CR(coding rate) 비트의 SF(spreading factor) 개에 대해 인터리빙(interleaving)을 수행하며,
    상기 SF는 최하위비트(least significant bit, LSB)와 최상위비트(most significant bit, MSB) 간의 행-열 심볼의 열 길이에 대응하고,
    상기 4+CR 비트는 상기 행-열 심볼의 행 길이에 대응하는, 저전력 전송 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 인터리빙 블록의 출력은 SF 비트씩 묶여 (4+CR)개의 LoRa 심볼에 매핑되며, 여기서 상기 인터리빙의 쓰기(write) 과정을 대각선 방향으로 처리하고, 읽기(read) 과정을 세로 방향으로 처리하여 상기 출력의 코드워드의 비트들이 LoRa 심볼로 매핑되는 SF 비트 묶음에서 차지하는 위치가 달라지도록 하는, 저전력 전송 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 인터리빙 블록의 출력에 그레이 인덱싱 기법을 적용하며,
    상기 그레이 인덱싱은 인접된 심볼 인덱스에 해당되는 SF 비트들 간의 해밍 거리(hamming distance)가 1이 되도록 심볼 매핑을 해주는 것을 포함하는, 저전력 전송 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 인터리빙 블록은 상기 SF가 커짐에 따라 상기 변조 블록에서 출력되는 비트열 간의 최소 거리(minimum distance)를 최소화하는 그레이 매핑 기법을 적용하는, 저전력 전송 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 인터리빙 블록은 대각 인터리버(diagonal interleaver), 행-열 나선형 비트 인터리버(row-column helicoidal bit interleaver), 블록 인터리버(block interleaver), 순환 쉬프트 인터리버(cyclic shift interleaver), 헬리칼 인터리버(helical interleaver) 및 랜덤 인터리버(random interleaver) 중 어느 하나를 포함하는, 저전력 전송 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 인코딩 블록은 해밍코드를 이용하는 해밍 인코딩 블록이나 길쌈부호를 이용하는 인코딩 블록을 포함하는, 저전력 전송 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 인코딩 블록과 상기 인터리빙 블록 사이에 화이트닝 블록을 더 포함하며, 여기서 상기 화이트닝 블록은 인코딩 과정에서 발생한 비트간 상관성(correlation)을 제거하는, 저전력 전송 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 인터리빙 블록과 상기 변조 블록 사이에 그레이 인덱싱 블록을 더 포함하며, 상기 그레이 인덱싱 블록은 수신기에서 발생하는 심볼 에러로 인한 비트 에러를 최소화하기 위한 심볼을 생성하는, 저전력 전송 장치.
  11. 저궤도 위성 환경을 포함한 고속 이동체 환경에 적용하기 위한 저전력 통신 장치로서,
    복조 모듈 및 디코딩 모듈을 구비하는 수신단을 포함하고,
    상기 복조 모듈은 버스트 검출 및 도플러 주파수 검출을 위한 상관기를 구비하고,
    상기 상관기는
    업처프 FFT 블록, 제1 가산기 및 제1 ABS 블록을 구비한 제1 직렬 구조,
    다운처프 FFT 블록, 제2 가산기 및 제2 ABS 블록을 구비하는 제2 직렬 구조,
    상기 제1 직렬 구조와 상기 제2 직렬 구조가 병렬적으로 연결되는 최대값 선택 블록을 구비하고,
    상기 최대값 선택 블록은 상기 수신단의 안테나를 통해 수신된 I(in-phase)/Q(quadrature) 샘플 입력의 심볼들에서 최대값과 상기 최대값의 위치를 결정하는, 통신 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 가산기는 상기 업처프 FFT 블록의 출력에서 상기 제1 ABS 블록의 출력을 뺀 값을 상기 제1 ABS 블록으로 다시 입력하고, 상기 제2 가산기는 상기 다운처프 FFT 블록의 출력에서 상기 제2 ABS 블록의 출력을 뺀 값을 상기 제2 ABS 블록으로 다시 입력하도록 구성되는, 통신 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 수신단의 안테나로 수신되는 신호는 프리앰블 및 페이로드 사이에 레퍼런스 심볼을 가진 버스트 구조를 가지는, 통신 장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    인코딩 모듈과 변조 모듈을 구비하는 송신단을 더 포함하며,
    상기 송신단은,
    입력되는 메시지 비트를 부호화하는 인코딩 블록;
    부호화된 데이터를 인터리빙하는 인터리빙 블록; 및
    처프(chirp) 확산 스펙트럼 기법으로 인터리빙된 데이터를 변조하는 변조 블록을 포함하고,
    상기 송신단을 통해 외부로 전송되는 송신 신호의 프리앰블의 패턴은 연속적인 업처프(upchirp) 심볼과 연속적인 다운처프(downchirp) 심볼이 대칭적인 길이로 존재하는 구조를 가지는, 통신 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 인터리빙 블록은, 채널코딩된 데이터 블록의 각 4+CR(coding rate) 비트의 SF(spreading factor) 개에 대해 인터리빙(interleaving)을 수행하며,
    상기 SF는 최하위비트(least significant bit, LSB)와 최상위비트(most significant bit, MSB) 간의 행-열 심볼의 열 길이에 대응하고, 상기 4+CR 비트는 상기 행-열 심볼의 행 길이에 대응하는, 통신 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 인터리빙 블록은 그 출력이 SF 비트씩 묶여 (4+CR)개의 LoRa 심볼에 매핑되도록 구성되며, 여기서 상기 인터리빙 블록은 상기 인터리빙의 쓰기(write) 과정을 대각선 방향으로 처리하고 읽기(read) 과정을 세로 방향으로 처리하여 상기 출력의 코드워드의 비트들이 LoRa 심볼로 매핑되는 SF 비트 묶음에서 차지하는 위치가 달라지도록 동작하는, 통신 장치.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 인터리빙 블록은 그 출력에 그레이 인덱싱 기법을 적용하도록 구성되며, 여기서 그레이 인덱싱은 인접된 심볼 인덱스에 해당되는 SF 비트들 간의 해밍 거리(hamming distance)가 1이 되도록 심볼 매핑을 해주는 것을 포함하고,
    상기 인터리빙 블록은 상기 SF가 커짐에 따라 상기 변조 블록에서 출력되는 비트열 간의 최소 거리(minimum distance)를 최소화하는, 통신 장치.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 인코딩 블록은 해밍코드를 이용하는 해밍 인코딩 블록이나 길쌈부호를 이용하는 인코딩 블록을 포함하는, 통신 장치.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 인코딩 블록과 상기 인터리빙 블록 사이에 화이트닝 블록을 더 포함하며, 여기서 상기 화이트닝 블록은 인코딩 과정에서 발생한 비트간 상관성(correlation)을 제거하는, 통신 장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 인터리빙 블록과 상기 변조 블록 사이에 그레이 인덱싱 블록을 더 포함하며, 상기 그레이 인덱싱 블록은 수신기에서 발생하는 심볼 에러로 인한 비트 에러를 최소화하기 위한 심볼을 생성하는, 통신 장치.
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