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KR101050620B1 - 무선 패킷 이동통신 시스템에서 직교 주파수 분할 다중방식의 심볼 전송을 위한 전처리 방법 및 이를 이용한기지국 송신 장치 - Google Patents

무선 패킷 이동통신 시스템에서 직교 주파수 분할 다중방식의 심볼 전송을 위한 전처리 방법 및 이를 이용한기지국 송신 장치 Download PDF

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KR101050620B1
KR101050620B1 KR1020040033646A KR20040033646A KR101050620B1 KR 101050620 B1 KR101050620 B1 KR 101050620B1 KR 1020040033646 A KR1020040033646 A KR 1020040033646A KR 20040033646 A KR20040033646 A KR 20040033646A KR 101050620 B1 KR101050620 B1 KR 101050620B1
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Abstract

본 발명은 순방향 링크에서 기존 무선 패킷 이동통신 시스템과의 호환성을 유지하면서 방송 서비스를 효율적으로 지원하기 위한 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : 이하, "OFDM") 방식의 심볼 전송을 위한 전처리 방법 및 그 장치에 대한 것으로서, 이는 일반적인 무선 패킷 이동통신 시스템과 동일한 파일럿 및 맥 신호 구간을 가지는 타임 슬롯을 통해 순방향 패킷을 전송하는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식의 무선 패킷 이동통신 시스템에서 역고속 푸리에 변환된 상기 OFDM 심볼에 포함된 OFDM 데이터를 적어도 둘 이상의 구간으로 분할하고, 상기 분할된 OFDM 데이터의 사이 영역에 널(NULL) 구간을 삽입하는 OFDM 심볼 전송을 위한 전처리 방법을 수행하도록 구성됨을 특징으로 한다.
Figure R1020040033646
OFDM, 패킷, 방송 서비스, 슬롯, 순방향, 전처리, 심볼, HRPD, 호환

Description

무선 패킷 이동통신 시스템에서 직교 주파수 분할 다중 방식의 심볼 전송을 위한 전처리 방법 및 이를 이용한 기지국 송신 장치{PREPROCESSING METHOD FOR TRANSMITTING SYMBOL BASED ON ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING IN WIRELESS PACKET COMMUNICATION SYSTEM AND TRANSMISSION APPARATUS OF BASE STATION USING THE SAME}
도 1은 종래 무선 패킷 이동통신 시스템의 순방향 링크의 슬롯 구조를 나타낸 도면
도 2는 종래 무선 패킷 이동통신 시스템에서 기지국 송신기의 구조를 나타낸 블록 구성도
도 3은 일반적인 OFDM 방식이 적용된 무선 패킷 이동통신 시스템의 슬롯 구조를 나타낸 도면
도 4는 일반적인 OFDM 심볼의 구조를 나타낸 도면
도 5는 일반적인 OFDM 방식이 적용된 무선 패킷 이동통신 시스템에서 기지국 송신기의 구성을 나타낸 블록 구성도
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 OFDM 전처리 방식이 적용된 슬롯 구조를 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 OFDM 전처리 방식이 적용된 슬롯 구조를 나타낸 도면
도 8은 본 발명에 따른 OFDM 전처리 방식이 적용된 무선 패킷 이동통신 시스템의 기지국 송신기의 구성을 나타낸 블록 구성도
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 OFDM 심볼의 전처리 방법을 설명하기 위한 도면
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 OFDM 심볼의 전처리 방법을 설명하기 위한 도면
도 11은 본 발명에 따른 OFDM 심볼 전처리에 선형 결합 전처리 방식을 적용한 기지국 송신기의 구성을 나타낸 블록 구성도
도 12는 도 11의 선형결합 전처리 유도 과정을 설명하기 위한 도면
본 발명은 무선 패킷 이동통신 시스템에서 데이터 전송 방법 및 그 장치에 대한 것으로서, 특히 순방향 링크에서 기존 무선 패킷 이동통신 시스템과의 호환성을 유지하면서 방송 서비스를 효율적으로 지원하기 위한 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : 이하, "OFDM") 방식의 심볼 전송을 위한 전처리 방법 및 이를 이용한 기지국 송신 장치에 대한 것이다.
일반적으로 무선 패킷 이동통신 시스템이 지원하는 서비스는 특정 송신자와 수신자 사이에 정보를 교환하는 통신 서비스이다. 통신 서비스에서 서로 다른 수신자는 서로 다른 채널을 통해 정보를 수신한다. 그런데 무선 이동통신 시스템에서는 채널간의 격리도가 낮기 때문에 간섭에 의해 성능이 제한되는 특징을 갖는다. 현존하는 이동통신 시스템에서는 채널간의 격리도를 높이기 위하여 CDMA(Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access)와 같은 다중 접속 방식과 셀룰러(Cellular) 개념을 사용하고 있다.
한편 종래 방송 서비스나 멀티캐스트(Multicast) 서비스(이하, "방송 서비스 등")를 위한 무선 전송 방식은 고정 수신과 저속 이동 수신을 목적으로 개발되었으나, 최근 방송 서비스 등을 고속 이동 환경에서 소형 단말기로 수신하기 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 예컨대, DMB(Digital Multimedia Broadcast)와 DVB-H(Digital Video Broadcast - Handheld) 등의 방송 기술은 휴대 가능한 크기의 소형 단말로 비디오 수준의 방송을 수신하기 위해 개발된 기술이다. 한편 기존의 단방향 방송 서비스를 쌍방향으로 발전시키려는 연구도 병행되고 있으며, 이를 위해 기존의 유무선 통신망을 리턴 채널로 활용하는 방안이 모색되고 있다.
그러나 이러한 접근은 방송과 통신이 서로 다른 전송방식을 사용하고 있어서 근본적인 쌍방향 방송의 구현에 한계가 있다. 또한 기존 무선 패킷 이동통신 시스템이 지원하는 다중 전송 방식이나 셀룰러 방식의 경우 근본적으로 간섭을 억제하는 효과를 얻을 수는 없기 때문에 간섭이 여전히 성능을 제한하는 요소로 작용한 다. 상기한 종래 무선 패킷 이동통신 시스템의 일 예로 고속 패킷 이동통신 시스템(HRPD, High Rate Packet Data)의 순방향 링크는 다중 접속 기술로 TDMA 기법을, 다중화 방식으로 TDM/CDM 기법을 사용하고 있다.
도 1은 종래 무선 패킷 이동통신 시스템(HRPD)의 순방향 링크의 슬롯(Slot) 구조를 나타낸 것으로서, 도 1의 슬롯 내에서 각 구간의 하단에 기재된 내용은 슬롯 내 해당 영역의 칩(chip) 길이를 의미한다.
도 1에서 한 슬롯은 반 슬롯 구조가 반복된 형태를 갖는다. 반 슬롯의 중앙에는 N Pilot chip 길이의 Pilot(103, 108)이 삽입되는데, 이는 수신 단말에서 순방향 링크의 채널 추정에 이용된다. Pilot(103, 108)의 양측에는 역방향 전력제어 정보, 자원 할당 정보 등을 포함하는 N MAC chip 길이의 MAC(Medium Access Control) 정보(102, 104, 107, 109)가 전송된다. MAC 정보의 양측에는 N DATA chip 길이의 실제 전송 데이터(101, 105, 106, 110)가 전송된다. 이와 같이 도 1의 슬롯 구조는 Pilot, MAC, 데이터 등이 서로 다른 시간에 전송되는 TDM 방식으로 다중화 되어있다.
한편 MAC과 데이터 정보는 Walsh 코드를 이용한 CDM 방식으로 다중화하는 방법을 이용하고 있다. 도 2는 종래 무선 패킷 이동통신 시스템(HRPD)의 순방향 링크 송신기 구조를 나타낸 것이다.
즉 데이터 발생기(201)로부터 전송하고자 하는 데이터가 전달되면, 이를 부호화기(202)를 통해 채널 부호화하고 부호화된 신호를 QPSK, QAM 등으로 변조하기 위해 변조기(203)에 입력한다. 변조된 신호는 역다중화기(204)와 CDM 다중화기(205)를 통해 다중코드(multicode) 전송 신호가 된다. 이렇게 생성된 데이터 신호는 MAC 신호 발생기(206)와 Pilot 신호 발생기(207)에서 각각 만들어진 MAC 신호와 Pilot 신호와 함께 TDM 다중화기(208)를 통해 다중화되어 상기 도 1의 슬롯 구조를 완성한다.
도 1과 도 2에서 기술한 HRPD 순방향 링크의 슬롯 구조와 송신기 구조는 무선 패킷 이동통신의 용도로 설계된 것이지만, 방송 서비스 등의 용도로 설계된 BCMCS(Broadcast Multicast Service) 동작에서도 동일한 슬롯 구조와 송신기 구조가 이용된다.
한편 효율적으로 BCMCS를 지원하는 새로운 전송 방식은 반드시 도 1의 슬롯 구조와 호환성을 유지하여야 한다. 이를 위해서 Pilot(103, 108)과 MAC 정보(102, 104, 107, 109)가 전송되는 구간은 기존과 동일한 방식으로 발생된 신호를 전송하여야 한다. 다만 데이터(101, 105, 106, 110) 구간은 방송 혹은 멀티캐스트 정보를 전송하는 것이므로 수신기와 이미 약속이 되어 있다면 전송 방식을 변경하여도 무방하다.
이와 관련하여 방송 서비스 등은 일반 통신 서비스와 달리 송신자가 다수의 수신자에게 일방적으로 정보를 송출하는 방식으로 동일한 정보를 수신하는 사용자는 동일한 채널을 공유하기 때문에 이들 사용자 간에는 간섭이 발생하지 않는다. 다만 이동 방송 서비스의 경우 고속 이동 환경에서 발생하는 다중 경로 페이딩 현상이 성능을 저하시키는 주된 원인이 된다. 한편 방송 서비스 등에서 다중 경로 페이딩 현상을 극복하기 위해 이동 수신이 가능하도록 설계된 예컨대, DVB-T(Digital Video Broadcast-Terrestrial), DVB-H, DAB(Digital Audio Broadcast) 등과 같은 방송 시스템들은 OFDM 전송 방식을 사용하고 있다.
상기 OFDM 방식은 직렬로 입력되는 심벌(Symbol)열을 병렬 변환한 후, 상호 직교성을 갖는 다수의 부반송파(Subcarrier)를 통해 변조하여 전송하는 방식으로 과거 다중 반송파간의 직교 변조의 구현에 어려움이 있어 실제 시스템 적용에 한계가 있었다. 그러나 1971년 Weinstein 등이 DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용하여 OFDM 방식의 변복조가 효율적으로 처리 가능함을 발표하고, 보호구간(Guard Interval)의 사용과 삽입 방식이 알려지면서 다중 경로 페이딩 현상에 대한 시스템의 부정적 영향이 더욱 감소되었으며, 하드웨어적인 복잡도(Complexity)를 해결하는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT)과 역고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform: IFFT)을 포함한 디지털 신호 처리 기술의 발전에 힘입어 그 실현 가능성이 더욱 높아지고 있다.
방송 시스템에서 상기한 OFDM 전송 방식이 갖는 장점은 다음과 같다. OFDM 전송 방식을 사용할 경우, 먼저 다중 경로 페이딩이 자기 간섭을 일으키는 현상을 방지할 수 있다. 특히 방송 서비스에서는 SFN(Single Frequency Netwrok)을 통해 서로 다른 기지국이 동일한 방송 신호를 전송하기 때문에, 이동 단말은 OFDM을 통해 서로 다른 기지국이 송출한 신호를 서로 간섭이 되지 않고, 수신할 수 있는 장점을 갖는다. 따라서 OFDM 전송 방식을 방송 시스템에 적용할 경우 간섭이 발생하지 않는 환경을 구현할 수 있어서 전송 효율을 극대화할 수 있다.
그리고 방송 서비스는 모든 기지국이 동일한 정보를 송출하기 때문에, 단말 수신기 입장에서는 서로 다른 기지국에서 송출한 신호가 마치 하나의 기지국에서 다중 경로 페이딩 채널을 겪은 것과 같은 방송 신호를 수신하게 된다. 따라서 셀간 간섭도 OFDM 기법을 통해 방지할 수 있다. 셀간 간섭이 발생하지 않을 경우, 셀의 경계에 위치한 단말 수신기도 간섭에 의한 성능이 저하되지 않게 된다. 따라서 OFDM 방식을 방송 서비스에 적용하면, 서비스 영역 전반에서 고른 품질을 보장할 수 있기 때문에 이에 대한 연구가 요망된다.
본 발명의 목적은 순방향 링크에서 기존 무선 패킷 이동통신 시스템과의 호환성을 유지하면서 방송 서비스를 효율적으로 지원하는 OFDM 방식의 심볼 전송을 위한 전처리 방법 및 이를 이용한 기지국 송신 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 쌍방향 통신의 구현을 용이하게 하고, 전송효율이 높은 방송 서비스를 제고하는 OFDM 방식의 심볼 전송을 위한 전처리 방법 및 이를 이용한 기지국 송신 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 무선 패킷 이동통신 시스템에서 직교 주파수 분할 다중 방식의 심볼 전송을 위한 전처리 방법은 일반적인 무선 패킷 이동통신 시스템과 동일한 파일럿 및 맥 신호 구간을 가지는 타임 슬롯을 통해 순방향 패킷을 전송하는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식의 무선 패킷 이동통신 시스템에서 OFDM 심볼 전송을 위한 전처리 방법에 있어서, 역고속 푸리에 변환된 상기 OFDM 심볼에 포함된 OFDM 데이터를 적어도 둘 이상의 구간으로 분할하는 과정과, 상기 분할된 OFDM 데이터의 사이 영역에 널(NULL) 구간을 삽입하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 무선 패킷 이동통신 시스템에서 직교 주파수 분할 다중 방식의 심볼 전송을 위한 기지국 송신 장치는 일반적인 무선 패킷 이동통신 시스템과 동일한 파일럿 및 맥 신호 구간을 가지는 타임 슬롯을 통해 순방향 패킷을 전송하는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식의 무선 패킷 이동통신 시스템에서 변조된 데이터를 다수의 데이터 스트림으로 역다중화하는 역다중화기와, MAC 신호 발생기 및 파일롯 신호 발생기가 구비된 기지국 송신 장치에 있어서, 상기 다수의 데이터 스트림을 각각 OFDM 데이터로 변환하는 다수의 역고속 푸리에 변환기와, 상기 OFDM 데이터를 적어도 둘 이상의 구간으로 분할하고 상기 분할된 OFDM 데이터의 사이에 널(NULL) 구간을 삽입하는 다수의 전처리기와, 상기 OFDM 데이터의 전단에 선두부를 붙여 OFDM 심볼을 출력하는 다수의 선두부 첨부기와, 상기 다수의 OFDM 심볼과 상기 MAC 신호 및 파일롯 신호를 시분할 다중화하여 출력하는 다중화기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다. 아울러 이하 슬롯 구조를 설명하는 각 구간의 하단에 기재된 내용은 별 다른 설명이 없는 한 칩(chip) 길이를 의미하는 것으로 한다.
먼저 본 발명의 설명에 앞서 본 발명의 기본 개념을 간략히 설명하기로 한다.
다중화 방식으로 OFDM 기법을 이용할 경우, 다중 경로 페이딩 채널에서 자기 간섭이 일어나는 현상을 방지할 수 있다. 그리고 방송 서비스는 모든 기지국이 동일한 정보를 송출하기 때문에, 순방향 링크에서 수신측인 이동 단말의 입장에서는 서로 다른 기지국에서 송출한 신호가 마치 하나의 기지국에서 다중 경로 페이딩을 통해 전송된 것과 같은 방송 신호를 수신하게 된다. 따라서 셀간 간섭은 OFDM 전송 방식을 이용하면 방지할 수 있다. 셀간 간섭이 발생하지 않는다면, 셀의 경계에 위치한 이동 단말도 간섭에 의한 성능이 저하되지 않게 되어, 서비스 영역 전반에서 고른 품질을 보장할 수 있다.
상기와 같은 OFDM 방식을 이용하여 간섭이 발생되지 않는 전송 동작을 구현하기 위해서는 OFDM 심볼에 앞단에 주기적으로 붙여지는 선두부(Cyclic Prefix)의 크기를 충분히 크게 설정해야 한다. 이와 관련하여 OFDM 심볼의 크기가 작아질수록 선두부(Cyclic Prefix)가 차지하는 비중이 커지게 되어 전송 효율이 떨어지게 된다. 따라서 본 발명은 기존 HRPD 슬롯 구조와 호환성을 유지하면서도 OFDM 심볼의 크기가 HRPD 슬롯 구조에서 허용된 데이터 필드의 크기를 초과할 수 있게 하는 새로운 OFDM 심볼의 전처리 방식을 제안한 것이다.
그리고 본 발명은 방송 혹은 멀티 캐스트의 용도로 사용되는 HRPD 시스템에 적용하기 위해 개발되었으나, 유니 캐스트 서비스에도 적용할 수 있으며 기타 다른 무선 패킷 이동통신 시스템에서도 유사한 방법을 적용할 수 있음에 유의하여야 할 것이다.
이하에서는 본 발명의 이해를 돕도록 도 3 내지 도 5를 참조하여 일반적인 OFDM 방식이 적용된 무선 패킷 이동통신 시스템의 슬롯 구조와 기지국 송신 장치의 구성을 설명하기로 한다.
즉 도 3은 일반적인 OFDM 방식이 적용된 무선 패킷 이동통신 시스템의 슬롯 구조를 나타낸 도면으로서, 이는 도 1의 HRPD 슬롯 구조와 호환성을 유지하면서 데이터 구간에 OFDM 심볼을 전송하는 슬롯 구조의 예를 나타낸다.
도 3의 슬롯 구조는 HRPD 순방향 호환성을 유지하기 위해, Pilot과 MAC 신호의 위치와 크기는 도 1의 HRPD 슬롯 구조와 일치하게 설정되어 있다. 즉 도 3에서 반 슬롯의 중앙에 N Pilot chip 길이의 Pilot(304, 311)이 위치하고 Pilot 신호 양측에 N MAC chip 길이의 MAC 신호(303, 305, 310, 312)가 위치한다. 따라서 OFDM 기반 방송 서비스를 지원하지 않는 기존의 HRPD 단말기도 도 3의 슬롯 구조에서 Pilot(304, 311)을 통해 채널을 추정하고, MAC 신호(303, 305, 310, 312)를 수신할 수 있다. 도 3의 슬롯 구조에서 Pilot과 MAC 신호를 할당하고, 남은 영역에서는 OFDM 심볼(301, 302, 306, 307, 308, 309, 313, 314)을 삽입한다.
도 3의 슬롯 구조는 HRPD 슬롯에서 데이터를 전송하는 N DATA chip 길이의 구간에 두개의 N OS chip 길이의 OFDM 심볼(301, 302, 306, 307, 308, 309, 313, 314) 을 삽입한 예로 2N OS = N DATA 의 관계를 만족해야 한다. 여기서 OFDM 심볼의 일반적인 구조는 도 4와 같이 구성된다.
도 4에서 402는 전송하고자 하는 데이터 심볼을 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 취한 OFDM 데이터이다. 이 OFDM 데이터(402)의 뒷부분(도 4에서 음영으로 표시된 부분)에서 N CP chip 크기의 정보(403)를 OFDM 데이터 앞부분에 복사하게 되는데 이것이 OFDM 심볼의 선두부(Cyclic Prefix)(401)가 된다. 상기 선두부(401)는 다중 경로 페이딩에 의한 시간 지연 신호 성분이 자기 간섭으로 작용하지 않도록 하기 위한 것으로, 이를 위해서는 선두부(401)의 크기(N CP chip)가 채널에서 발생하는 최대 시간 지연보다 최소한 작지 않도록 충분한 길이로 설정되어야 한다.
도 5는 일반적인 OFDM 방식이 적용된 무선 패킷 이동통신 시스템에서 기지국 송신기의 구성을 나타낸 블록 구성도로서, 도 5의 기지국 송신기는 도 3에서 설명한 HRPD 시스템의 기지국 송신기와 호환되도록 구성된 것이다.
도 5에서 데이터 발생기(501)로부터 전송하고자 하는 데이터가 전달되면, 이는 부호화기(502)를 통해 채널 부호화되고, 부호화된 신호는 QPSK, QAM 등으로 변조하기 위해 변조기(503)에 입력된다. 그리고 변조된 신호는 복수 개의 OFDM 심볼로 변환되도록 역다중화기(504)를 통해 복수개의 데이터 스트림으로 역다중화된다. 여기서 역다중화 된 각각의 데이터 스트림은 IFFT(505, 506)를 통해 OFDM 데이터로 변환되고, CP 첨부기(507, 508)는 각각의 OFDM 데이터에 전술한 선두부(401)를 붙여 OFDM 심볼을 생성한다. 이렇게 생성된 복수 개의 OFDM 심볼은 MAC 신호 발생기(509)와 Pilot 신호 발생기(510)에서 각각 생성된 MAC 신호와 Pilot 신호와 함께 시분할 다중화기(511)를 통해 다중화(TDM)되어 상기 도 3과 같은 슬롯 구조를 완성한다.
상기한 일반적인 OFDM 방식이 적용된 무선 패킷 이동통신 시스템의 슬롯 구조는 기존 HRPD 슬롯 구조에서 데이터 필드에 적어도 하나의 OFDM 심볼을 삽입하는 예를 나타낸 것으로 OFDM 심볼의 크기가 데이터 필드의 크기 N DATA 보다 크지 않아야 도 1의 종래 슬롯 구조와 호환성이 유지되는 기술이다. 여기서 OFDM 심볼의 크기는 통신 시스템의 적용 환경에 의해 결정되므로 OFDM 심볼의 크기가 작으면, 빠르게 변하는 다중 경로 페이딩에 적합하지만 OFDM 심볼 내에서 이 선두부(401)가 차지하는 비중이 커지므로 전송 효율이 떨어지는 단점을 갖는다.
즉 방송 서비스 등의 제공 시 이동 단말은 다른 기지국에서 수신한 신호도 자신에게 전송된 신호로 파악할 수 있도록 선두부의 크기를 다른 기지국 신호의 수신 지연 시간까지 고려하여 충분히 크게 설정해야 한다. 예를 들어, 64 chip까지의 지연신호를 모두 자기신호가 되도록 선두부의 크기를 64 chip으로 설정하였을 때, OFDM 심볼의 크기가 256 chip인 경우와 1024 chip인 경우를 비교하며, 전자의 경우(256 chip) 선두부가 차지하는 비중이 심볼 크기의 1/4이고, 후자의 경우(1024 chip) 심볼 크기의 1/16이 된다. 그러나 선두부는 실제 정보를 전송하는 구간이 아니므로 실제 정보가 전송되는 전송 효율을 보면, 전자는 3/4이고, 후자는 15/16으로 후자의 경우 즉, OFDM 심볼의 크기가 클수록 전송 효율이 우수함을 알 수 있다.
그러나 전송 효율을 높이기 위해 OFDM 심볼의 크기를 키우려 설정하려 해도 도 1과 같은 HRPD 슬롯 구조와의 호환성 유지를 위해서는 OFDM 심볼의 크기를 HRPD 데이터 필드의 크기인 N DATA보다 크게 설정할 수 없으므로 전송 효율의 제약이 발생되는 것이고, 본 발명은 기존 HRPD 슬롯 구조와 호환성을 유지하면서도 OFDM 심볼의 크기가 기존 HRPD 슬롯 구조에서 허용된 데이터 필드의 크기를 초과할 수 있게 하는 새로운 OFDM 심볼의 전처리 방식을 제안한 것이다.
이하 도 6 내지 도 12를 참조하여 본 발명에 따른 OFDM 심볼의 전처리 방식을 설명하기로 한다. 첨부된 도면을 간략히 설명하면, 도 6과 도 7을 참조하여 본 발명에서 제안하는 슬롯 구조를 설명한 후, 도 8을 참조하여 본 발명의 슬롯 구조로 OFDM 심볼을 전송하는 기지국 송신 장치를 설명하고, 도 9와 도 10을 참조하여 본 발명의 OFDM 심볼 전처리 방식을 설명하기로 한다. 아울러 도 11과 도 12에서는 본 발명에 따른 OFDM 심볼 전처리에 선형 결합 전처리 방식을 도입한 실시예를 설명하기로 한다.
먼저 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 OFDM 전처리 방식이 적용된 슬롯 구조를 나타낸 도면으로서, 이는 도 1의 HRPD 한 슬롯에 두 개의 OFDM 심볼을 삽입한 예를 나타낸 것이다.
본 발명에서 제안하는 OFDM 심볼은 도 6의 601, 607과 같이 HRPD와 호환성을 유지할 수 있도록 Pilot 및 MAC 신호(606, 612) 위치에서 같은 크기의 신호가 존재하지 않는 NULL 구간이 존재하는 형태를 갖는다. 그리고 HRPD와의 호환성을 위해 데이터 영역에 채워지는 OFDM 심볼의 크기도 HRPD와 동일하게 설정되어 있다. 도 6의 예를 살펴보면, 본 발명에 따라 전처리 된 OFDM 데이터(601, 607)는 Pilot과 MAC 신호(606, 612)의 위치에 (N Pilot+2N MAC) chip 길이 동안 신호가 존재하지 않는 NULL 구간이 존재한다. 이 NULL 구간의 앞부분을 편의상 OFDM 데이터 A, 뒷부분을 OFDM 데이터 B라고 명명한다. 그리고 상기 전처리 과정에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
도 6의 OFDM 데이터(601, 607)는 전송하고자 하는 데이터가 IFFT 과정을 거친 뒤 후술할 전처리 과정을 통해 생성된다. 전처리 된 OFDM 데이터(601, 607)의 뒷부분에서 N CP chip 길이에 해당되는 부분(602, 608)을 복사하여 반 슬롯의 앞부분에 복사한 것이 선두부(Cyclic Prefix)(603, 609)이다. 그리고 전처리 된 OFDM 데이터(601, 607)를 선두부(603, 609) 다음에 이어서 배치한다. 따라서 OFDM 데이터 A와 B 부분은 각각 604, 610과 605, 611의 위치에 놓인다. 전처리 된 OFDM 데이터(601, 607)에는 중간에 NULL이 위치하였기 때문에, 이 부분에 Pilot과 MAC 신호(606, 612)를 삽입하면 기존의 HRPD와 호환하는 슬롯 구조를 생성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 OFDM 전처리 방식이 적용된 슬롯 구조를 나타낸 도면으로서, 이는 도 1의 HRPD 한 슬롯에 한 개의 OFDM 심볼을 삽입한 예를 나타낸 것이다.
도 7의 예를 살펴보면, 전처리 된 OFDM 데이터(701)는 Pilot과 MAC 신호(707, 708)의 위치에 (N Pilot+2N MAC) chip 길이 동안 신호가 존재하지 않는 두개 의 NULL 구간이 있다. 설명의 편의상 첫 번째 NULL의 앞부분을 OFDM 데이터 A, NULL 사이의 부분을 OFDM 데이터 B, 두 번째 NULL의 뒷부분을 OFDM 데이터 B라고 명명한다. 도 7에서도 도 6의 경우와 마찬가지로 전처리 된 OFDM 데이터는 실제 전송하고자 하는 데이터를 IFFT와 전처리를 통해 얻으며 사용되는 전처리 방법은 후술하기로 설명한다.
도 7의 전처리 된 OFDM 데이터(701)에서 뒷부분에서 N CP chip 길이에 해당되는 부분(702)을 복사하여 반 슬롯의 앞부분에 복사한 것이 선두부(703)이다. 그리고 이 선두부(703) 뒤에 전처리 된 OFDM 데이터(701)를 배치한다. 따라서 도 7에서 OFDM 데이터 A, B, C는 각각 704, 705, 706의 위치에 놓인다. 그리고 전처리 된 OFDM 데이터(701)의 중간에 두 개의 NULL이 위치하였기 때문에, 이 부분에 Pilot과 MAC 신호(707, 708)를 삽입하면 기존의 HRPD와 호환하는 슬롯 구조를 생성할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 도 6과 도 7에서 제안된 슬롯 구조에서는 도 1의 HRPD 한 슬롯에 두 개 또는 한 개의 OFDM 심볼을 삽입한 예를 설명하였으나, 유사한 방법으로 복수 개의 슬롯에 걸쳐 적어도 하나의 OFDM 심볼이 삽입되도록 확장하는 것이 가능함을 잘 알 수 있을 것이다.
또한 바람직하게는 본 실시예에 의하면, 타임 슬롯의 반 슬롯 구간을 최소 단위로 하여 복수 개의 반 슬롯 구간에 적어도 하나의 OFDM 심볼이 삽입될 수 있다. 이 경우에도 기존 HRPD 슬롯 구조에서 파일롯과 MAC 신호 구간의 위치는 유지 되며, 분할된 OFDM 데이터에서 파일롯과 MAC 신호 구간의 대응되는 위치에는 NULL 구간이 삽입됨에 유의하여야 한다.
또한 경우에 따라서는 예컨대, 도 1과 같은 HRPD 슬롯 구조에서 3 개의 NDATA 구간에 하나의 OFDM 심볼을 분할하여 삽입할 수도 있다. 이 경우 하나의 OFDM 심볼은 반 슬롯 단위가 아닌 '반 슬롯+NDATA 구간'에 실리게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 OFDM 전처리 방식이 적용된 무선 패킷 이동통신 시스템의 기지국 송신기의 구성을 나타낸 블록 구성도로서, 이는 도 5의 구성에서 IFFT와 CP 첨부기 사이에 OFDM 전처리를 수행하는 전처리기를 개재하여 구성된 것이다.
도 8에서 데이터 발생기(801)로부터 전송하고자 하는 데이터가 전달되면, 이는 부호화기(802)를 통해 채널 부호화되고, 부호화된 신호는 QPSK, QAM 등으로 변조하기 위해 변조기(803)에 입력된다. 변조된 신호는 복수개의 OFDM 심볼로 변환되도록 역다중화기(804)를 이용하여 복수 개의 데이터 스트림으로 역다중화된다. 여기서 역다중화 된 각각의 데이터 스트림은 IFFT(805, 806)를 통해 OFDM 데이터로 변환되고, OFDM 데이터는 전처리기(807, 808)를 통해 도 6 또는 도 7의 슬롯 구조에 부합되도록 적어도 하나의 NULL 구간이 삽입되어 전처리 된 OFDM 데이터(601, 607, 701)가 출력된다. 그리고 CP 첨부기(809, 810)은 전처리 된 OFDM 데이터(601, 607, 701)의 전단에 선두부(809, 810)을 붙여 전처리된 OFDM 심볼을 생성한다.
따라서 상기한 과정에 따라 생성된 OFDM 심볼은 Pilot과 MAC 신호 부분에서 신호가 존재하지 않는 NULL인 형태를 갖게 된다. 이 NULL 부분은 MAC 신호 발생기(811)와 Pilot 신호 발생기(812)에서 각각 만들어진 MAC 신호와 Pilot 신호와 함께 시분할 다중화기(813)를 통해 TDM 다중화되어 전술한 도 6, 도 7과 같은 형태의 슬롯 구조를 완성한다. 상기한 것처럼 본 발명에서는 Pilot과 MAC 신호부분이 NULL 형태를 갖는 OFDM 심볼을 발생시켜 기존 HRPD와 호환성을 유지한 슬롯구조를 제안하였다. 이하에서는 이러한 형태의 OFDM 심볼을 만들기 위한 전처리 과정에 대해 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 OFDM 심볼의 전처리 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 이는 도 6의 슬롯 구조에 적용되는 전처리 과정을 나타낸 것이다.
도 9에서 IFFT된 2N Data-N CP chip 길이의 OFDM 데이터(901)는 Pilot과 MAC 신호 부분이 NULL인 전처리 된 OFDM 데이터(907)로 변환된다. 이를 위해서 OFDM 데이터(901)에서 N Data-N CP chip 길이의 앞부분(902)을 분리하여 OFDM 데이터 A 부분(904)에 복사하고, N Data chip 길이의 나머지 부분(903)을 OFDM 데이터 B 부분(905)에 복사한다. 그리고 OFDM 데이터 A(904)와 OFDM 데이터 B(905) 부분 사이에는 Pilot과 MAC 신호 크기(N Pilot+2N MAC chip 길이)만큼의 NULL(906) 구간을 삽입하여 도 6의 슬롯 구조에 적용되는 전처리된 OFDM 데이터(907)를 생성한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 OFDM 심볼의 전처리 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 이는 도 7의 슬롯 구조에 적용되는 전처리 과정을 나타낸 것이다.
도 10에서 IFFT된 4N Data-N CP chip 길이의 OFDM 데이터(1001)는 Pilot과 MAC 신호 부분이 NULL인 전처리된 OFDM 데이터(1010)로 변환된다. 이를 위해서 OFDM 데이터(1001)에서 N Data-N CP chip 길이의 앞부분(1002)을 분리하여 OFDM 데이터 A 부분(1005)에 복사하고, 2N Data chip 길이의 중간부분(1003)을 OFDM 데이터 B 부분(1006)에 복사한다. 그리고 N Data chip 길이의 뒷부분(1004)을 OFDM 데이터 C 부분(1007)에 복사한다. 그리고 OFDM 데이터 A(1005)와 B 부분(1006) 사이와 OFDM 데이터 B(1006)와 C(1007) 사이에는 각각 Pilot과 MAC 신호 크기(N Pilot+2N MAC chip 길이)만큼의 NULL(1008, 1009)을 삽입하여 도 7의 슬롯 구조에 적용되는 전처리된 OFDM 데이터(1010)를 생성한다.
이하에서는 도 11과 도 12를 참조하여 본 발명에 따른 OFDM 심볼 전처리에 선형 결합 전처리 방식을 도입한 실시예를 설명하기로 한다.
즉 도 11은 본 발명에 따른 OFDM 심볼 전처리에 선형 결합 전처리 방식을 적용한 기지국 송신기의 구성을 나타낸 블록 구성도로서, 도 11의 기지국 송신기는 전처리기가 IFFT 이후에 적용되는 도 8의 기지국 송신기와 달리 IFFT 이전에 전처리기가 적용된 것을 특징으로 한다.
도 11에서 데이터 발생기(1101)로부터 전송하고자 하는 데이터가 전달되면, 이는 부호화기(1102)를 통해 채널 부호화되고, 부호화된 신호는 QPSK, QAM 등으로 변조하기 위해 변조기(1103)에 입력한다. 변조된 신호는 복수 개의 OFDM 심볼로 변 환되도록 역다중화기(1104)를 통해 복수 개의 데이터 스트림으로 역다중화된다. 여기서 역다중화된 각각의 데이터 스트림은 선형결합 전처리기(1105, 1106)를 통해 전처리 된 후, IFFT(1107, 1108)를 통해 OFDM 데이터로 변환된다.
여기서 상기 선형결합 전처리기(1105, 1106)는 각각의 데이터 스트림이 IFFT 변환 후에 도 6의 601, 607과 도 7의 701과 같은 Pilot과 MAC 신호부분이 NULL로 전처리 된 OFDM 데이터의 형태를 갖도록 한다. 즉 선형결합 전처리기(1105, 1106)는 IFFT 과정에서 원하는 위치가 NULL이 되게 하는 처리를 수행한다. 그리고 CP 첨부기(1109, 1110)는 전처리 된 OFDM 데이터에 선두부를 첨부하여 OFDM 심볼을 생성한다.
따라서 상기한 과정에 따라 생성된 OFDM 심볼은 Pilot과 MAC 신호 부분에서 신호가 존재하지 않는 NULL인 형태를 갖게 된다. 이 NULL 부분은 MAC 신호 발생기(1111)와 Pilot 신호 발생기(1112)에서 각각 만들어진 MAC 신호와 Pilot 신호와 함께 시분할 다중화기(1113)을 통해 TDM 다중화되어 전술한 도 6, 도 7과 같은 형태의 슬롯 구조를 완성한다.
도 12는 도 11의 선형결합 전처리 유도 과정을 설명하기 위한 것으로서, 이는 예컨대, 도 6의 전처리 방법을 통해 전처리 된 OFDM 데이터의 구조를 나타낸 것으로서, 도 12에서 OFDM 데이터 A(1202)와 B(1204)의 크기는 각각 MA와 MB로 표기하고, 그 사이의 NULL 부분(1203)의 크기는 MC로 표기한다. 그리고 전처리 된 OFDM 데이터의 전체 크기는 M으로 표기한다. 도 12의 OFDM 데이터가 도 6과 동일한 형태를 갖기 위해서는 하기 <수학식 1>과 같이 MA ,MB ,MC ,M이 정의되어야 한다.
Figure 112004020045526-pat00001
전송하고자 하는 데이터 스트림을 벡터 S로, 선형결합 전처리 과정을 GPRE로, IFFT를 F로 표기하자. 여기서 S의 크기는 M-MC이고, GPRE는 M×(M-MC)크기의 행렬이고, F는 하기 <수학식 2>를 만족하는 M×M 행렬이다.
Figure 112004020045526-pat00002
도 11에 의하면 전처리된 OFDM 데이터는 S를 전처리하고 IFFT하여 얻어진다. 전처리된 OFDM 데이터를 M 크기의 벡터 X로 표기하면 X를 얻는 과정은 하기 <수학식 3>과 같다. X는 도 12에서와 같이 중간부분에 MC 크기 동안 값이 0이다. 따라서 OFDM 데이터 A부분을 MA 크기의 벡터, OFDM 데이터 B부분을 MB 크기의 벡터 X B라고 표기하면, 나머지 부분은 MC 크기의 영벡터 0으로 표현할 수 있다. 하기 <수학식 3>은 X를 이와 같이 표현한 것이다.
Figure 112004020045526-pat00003
그런데 영벡터 0을 만들어 내는 부분은 IFFT F의 MA+1번째 행부터 M1+MC 번째 행까지의 부행렬을 통해서 얻어진다. 이 연산을 다시 표현하면 하기 <수학식 4>와 같다.
Figure 112004020045526-pat00004
S와 무관하게 상기 <수학식 4>를 만족하기 위해서 FSUBGPRE=0 이어야 한다. 따라서 GPRE는 FSUB의 영 공간(Null Space)의 원소여야 한다. 여기서 GPRE 를 구성하는 방법을 살펴보면, FSUB를 비정칙치 분해(Singular Value Decomposition)한 것을 하기 <수학식 5>와 같이 표기한다.
Figure 112004020045526-pat00005
여기서 IMAC는 MC×MC 크기의 항등행렬(Identity Matrix)이고,
OMCㅧ(M-MC)은 MC×(M-MC) 크기의 영행렬이다. FSUB가 하기 <수학식 5>와 같이 분해될 때, GPRE는 하기 <수학식 6>과 같이 구할 수 있다.
Figure 112004020045526-pat00006
상기 <수학식 6>에서 행렬 VSUB는 상기 <수학식 5>에서 비정칙치 분해를 통해 구한 행렬 V의 MC+1번째 열부터 마지막 열(M 번째 열)까지의 부행렬이고, A는 Trace(AAH)=1을 만족하는 임의의 행렬이다. A의 조건인 Trace(AAH)=1는 GPRE 의 적용을 통해 신호의 전력이 증가하는 효과를 막기 위한 것으로 실제 구현에서는 증폭기와 함께 설계될 경우 고려하지 않아도 된다. 상기 <수학식 5>에 따르면 행렬 VSUB에 대응되는 비정칙치(Singular Valude)는 모두 0이다. 따라서 상기 <수학식 6>과 같이 만들어진 GPRE는 FSUB의 영 공간에 속한다.
상기에서 설명한 선형결합 전처리기 FSUB를 만드는 방법을 확장하면, 도 6과 같이 NULL 구간이 하나인 형태 뿐 아니라 도 7과 같이 NULL 구간이 둘 이상인 형태에도 적용 가능하다. 부행렬 FSUB를 정의할 때, 행렬 F로부터 X에서 0이어야 하는 부분(NULL)에 해당하는 행들을 취하면 임의의 위치, 크기, 개수의 NULL이 존재하는 형태로 전처리된 OFDM 데이터를 발생시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, HPRD 방식의 슬롯 구조를 갖는 무 선 패킷 이동통신 시스템과의 호환성을 유지하면서 방송 서비스와 멀티 캐스트 서비스 등을 효율적으로 지원하는 OFDM 방식의 심볼 전송을 위한 전처리 방법 및 이를 이용한 기지국 송신 장치를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, HRPD 슬롯 구조와 호환성을 유지하면서도 OFDM 심볼의 크기가 기존 HRPD 슬롯 구조에서 허용된 데이터 필드의 크기를 초과할 수 있게 하는 새로운 OFDM 심볼의 전처리 방식을 제공함으로써 쌍방향 통신의 구현을 용이하게 하고, 전송효율이 높은 방송 서비스를 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 일반적인 무선 패킷 이동통신 시스템과 동일한 파일럿 및 맥 신호 구간을 가지는 타임 슬롯을 통해 순방향 패킷을 전송하는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식의 무선 패킷 이동통신 시스템에서 OFDM 심볼 전송을 위한 전처리 방법에 있어서,
    역고속 푸리에 변환된 상기 OFDM 심볼에 포함된 OFDM 데이터를 적어도 둘 이상의 구간으로 분할하는 과정과,
    상기 분할된 OFDM 데이터의 사이 영역에 널(NULL) 구간을 삽입하는 과정을 포함하며,
    상기 타임 슬롯에서 상기 널 구간에 대응되는 영역에는 상기 파일럿 및 맥 신호가 복사됨을 특징으로 하는 OFDM 심볼 전송을 위한 전처리 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 타임 슬롯을 형성하는 복수 개의 반 슬롯 구간에 적어도 하나의 OFDM 심볼이 실리는 것을 특징으로 하는 OFDM 심볼 전송을 위한 전처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 타임 슬롯의 1 슬롯 구간에 하나의 OFDM 심볼이 실리는 것을 특징으로 하는 OFDM 심볼 전송을 위한 전처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 타임 슬롯의 반 슬롯 구간에 하나의 OFDM 심볼이 실리는 것을 특징으로 하는 OFDM 심볼 전송을 위한 전처리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 OFDM 데이터의 뒷부분에서 소정 칩 길이의 데이터를 상기 타임 슬롯의 선두에 복사함을 특징으로 하는 OFDM 심볼 전송을 위한 전처리 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 반 슬롯 구간의 각각의 선두에는 상기 OFDM 데이터의 뒷부분에서 복사된 소정 칩 길이의 선두부가 붙여짐을 특징으로 하는 OFDM 심볼 전송을 위한 전처리 방법.
  8. 일반적인 무선 패킷 이동통신 시스템과 동일한 파일럿 및 맥 신호 구간을 가지는 타임 슬롯을 통해 순방향 패킷을 전송하는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식의 무선 패킷 이동통신 시스템에서 변조된 데이터를 다수의 데이터 스트림으로 역다중화하는 역다중화기와, 맥 신호 발생기 및 파일롯 신호 발생기가 구비된 기지국 송신 장치에 있어서,
    상기 다수의 데이터 스트림을 각각 OFDM 데이터로 변환하는 다수의 역고속 푸리에 변환기와,
    상기 OFDM 데이터를 적어도 둘 이상의 구간으로 분할하고 상기 분할된 OFDM 데이터의 사이에 널(NULL) 구간을 삽입하는 다수의 전처리기와,
    상기 OFDM 데이터의 전단에 선두부를 붙여 OFDM 심볼을 출력하는 다수의 선두부 첨부기와,
    상기 다수의 OFDM 심볼과 상기 맥 신호 및 파일롯 신호를 시분할 다중화하여 출력하는 다중화기를 포함하며,
    상기 다중화기는, 상기 타임 슬롯에서 상기 널 구간에 대응되는 영역에 상기 파일럿 및 맥 신호를 다중화함을 특징으로 하는 기지국 송신 장치.
  9. 삭제
  10. 일반적인 무선 패킷 이동통신 시스템과 동일한 파일럿 및 맥 신호 구간을 가지는 타임 슬롯을 통해 순방향 패킷을 전송하는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식의 무선 패킷 이동통신 시스템에서 변조된 데이터를 다수의 데이터 스트림으로 역다중화하는 역다중화기와, 맥 신호 발생기 및 파일롯 신호 발생기가 구비된 기지국 송신 장치에 있어서,
    상기 데이터 스트림의 소정 위치에 역고속 푸리에 변환 후 널(NULL) 구간이 삽입되는 위치를 지정하는 다수의 선형결합 전처리기와,
    상기 데이터 스트림을 OFDM 데이터로 변환하는 다수의 역고속 푸리에 변환기와,
    상기 OFDM 데이터의 전단에 선두부를 붙여 OFDM 심볼을 출력하는 다수의 선두부 첨부기와,
    상기 다수의 OFDM 심볼과 상기 맥 신호 및 파일롯 신호를 시분할 다중화하여 출력하는 다중화기를 포함하며,
    상기 다중화기는, 상기 타임 슬롯에서 상기 널 구간에 대응되는 영역에 상기 파일럿 및 맥 신호를 다중화함을 특징으로 하는 기지국 송신 장치.
  11. 삭제
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