KR100913874B1

KR100913874B1 - 직교주파수분할다중 시스템에서 부채널 간 간섭 제거 방법

Info

Publication number: KR100913874B1
Application number: KR1020030075197A
Authority: KR
Inventors: 윤재연; 이용훈; 김응선; 이종혁; 김호진; 황찬수; 남승훈
Original assignee: 삼성전자주식회사; 한국과학기술원
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2009-08-26
Also published as: KR20050040059A; US20050147176A1; US7433419B2

Abstract

본 발명은 OFDM 시스템에서 사전부호화 기법을 통해 부채널 간 간섭을 제거하기 위한 간섭제거방법에 관한 것으로, 본 발명에서는 부채널간 간섭 제거를 위해 다수의 파일럿 부채널로 이루어지는 하나 이상의 파일럿 부채널 그룹들을 데이터 부채널들과 관련하여 등 간격으로 배치하여 전송신호를 생성하고 상기 전송신호에 사전부호화 행렬을 적용하여 전송한다.

직교주파수분할다중화, 부채널, 사전부호화, 등화, 부채널간 간섭

Description

직교주파수분할다중 시스템에서 부채널 간 간섭 제거 방법{ICI CANCELLATION METHOD IN OFDM SYSTEM}

도 1은 본 발명에 따른 OFDM 시스템을 개략적으로 보인 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 OFDM 시스템에 적용될 파일럿 부채널과 데이터 부채널의 배치를 설명하기 위한 도면.

도 3는 본 발명에 따른 부채널 간 간섭 제거 방법에 적용될 사전부호화행렬의 형태를 보여주는 도면.

도 4는 도 3의 행렬을 대역 효율이 최대가 되도록 구성했을 때의 사전부호화행렬의 형태를 보인 도면.

도 5는 본 발명에 따른 부채널 간 간섭 제거 방법에서의 전송 신호 벡터의 구성을 보인 도면.

도 6은 본 발명에 따른 부채널 간 간섭 제거 방법에서 사전 부호화를 거친 후의 신호 행렬의 형태를 보인 도면.

도 7은 본 발명에 따른 부채널 간 간섭 제거 방법에서 송신 신호 벡터와 ICI 가 제거된 수신 신호 벡터의 관계를 보인 도면.

도 8a, 도 8b, 및 도8c는 본 발명에 따른 채널 간섭 제거 방법의 성능 향상 을 종래의 기술들과 속도별로 비교하여 보여주는 그래프.

본 발명은 OFDM 기반의 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, OFDM 시스템에서 사전부호화 기법을 통해 부채널 간 간섭을 제거하기 위한 간섭제거방법에 관한 것이다.

차세대 이동 통신 서비스에서 요구되는 데이터 전송 속도를 지원하기 위해, 최근에는 차세대 이동 통신망의 기반 기술로서 직교 주파수 분할 다중화 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 방식이 고려되고 있다.

OFDM 방식을 이용할 경우 주파수 선택적인 채널을 여러 개의 간단한 1-탭 등화기로 보상할 수 있기 때문에 간단한 등화 복잡도가 요구되고, 직교성을 이용하여 각 부채널의 대역이 겹쳐 사용하기 때문에 대역 효율이 매우 높아 무선 랜 및 DSL과 같은 기존 광대역 시스템에서 데이터 전송 방식으로서OFDM 방식 고려되어왔다. 그러나 이동 통신망에서 OFDM 시스템을 사용할 경우, 사용자의 이동에 의한 송수신단 사이의 채널 변화가 심각한 문제가 된다.

차세대 이동 통신 서비스의 경우 최대 5GHz 정도의 높은 주파수 대역을 사용하고 지원 요구되는 사용자의 최대 이동 속도가 250Km 정도이기 때문에 채널의 변화가 상당히 크다. 이 경우, OFDM 시스템을 사용하면 OFDM 시스템을 사용하면 OFDM 심볼 내에서 채널이 변하여 부채널 사이의 직교성이 유지되지 않아 부채널 간 간섭 (Inter-Channel Interference: ICI)이 발생하게 되어 심각한 시스템 성능 저하를 가져온다.

다시 말해, 단일 OFDM 심볼 구간 내에서 채널이 변화하는 상황에서는 부채널 간 ICI가 발생하기 때문에 일반적인 1-탭 등화기를 사용하는 경우 검파 성능이 떨어져 비트오류율 (Bit Error Rate: BER)이 높아진다. 이는 부채널 사이의 직교성이 유지되지 않음에도 불구하고 직교성이 유지됨을 가정하여 채널 추정을 하고 등화를 수행하였기 때문에 발생하는 구조적인 문제이다.

이와 같은 문제를 해결하기 위한 연구 방향은 크게 두 가지로 분류된다. 첫 번째는 발생하는 ICI를 상쇄하는 변복조 방식을 이용하는 것이고 두 번째는 채널을 시변 특성에 맞게 모델링하여 추정하고 시변 채널 파라미터 값을 이용하는 새로운 구조의 등화 방식을 사용하는 것이다.

ICI 상쇄 기술의 하나로 ICI 자체 제거 변복조 기법이 알려져 있다. 상기 ICI 자체 제거 변복조 기법에서는 변조시 전송하고자 하는 신호를 짝수 번 부채널들을 통해 전송하고 바로 옆의 홀수 번 부채널들에는 짝수 번 부채널에 보낸 신호의 음의 값을 전송하며 복조 시에는 짝수 번 부채널 수신 신호에서 홀수 번 부채널 수신 신호를 뺌으로써 원래의 신호를 복원한다. 이와 같은 방식에 의해 복조 된 부채널 수신 신호는 ICI가 상쇄되어 근사적으로 송신 신호가 단일 경로 채널을 거친 형태로 나타나게 된다. 이 방식에서는 차동위상변조 (Differential Phase Shift Keying: DPSK) 방식을 사용하며 시변 채널 추정을 고려하지 않는다.

그러나 이 방식에서는 짝수 번 부채널 만을 데이터 전송을 위해 사용하고 홀수 번 부채널들은 ICI 제거를 위해 사용되므로 대역 효율이 절반으로 감소하며, DPSK 변조 방식을 사용하기 때문에 채널의 주파수 선택도 (frequency selectivity)에 취약하다는 단점이 있다. 이는 부채널간 간섭을 자체 제거하는 변복조 기법을 사용하는 경우 주파수 선택도가 실제의 2배 크기로 DPSK 성능에 영향을 주어 시스템의 성능을 영화시키기 때문이다. 더욱이, 채널의 주파수 선택도를 낮추기 위해 전체 부채널의 개수를 늘이게 되면 OFDM 심볼 구간의 길이가 길어져 단일 OFDM 심볼 구간 내의 채널 변화가 커지게 되고 ICI가 상쇄 시킬 수 있는 이상으로 증가하여 성능이 저하된다.

한편, 종래의 시변 채널 추정 및 등화 방식에서는 OFDM 심볼 내에서의 채널 변화를 모델링하고 파일럿 부채널을 사용하여 시변 채널 파라미터를 추정하는 기법을 제안하고 있다. 이 방법에서는 최적 채널 추정 성능을 얻기 위한 파일럿 부채널의 배치 방식도 언급되어 있다. 이 채널 추정 방식을 사용하면 변화하는 채널을 추정할 수 있긴 하지만, 채널 변화가 커지는 경우 증가하는 ICI의 영향으로 채널 추정 성능이 급격히 감소하게 된다. 이 경우 파일럿 부채널의 개수를 늘려 채널 추정 성능을 높일 수 있지만 ICI의 영향을 미약하게 하려면 파일럿 부채널의 수가 너무 많이 필요하여 대역 효율이 현저히 감소하게 된다.

한편, 시변 채널 추정치가 주어진 경우 OFDM 시스템에서 시변 채널을 등화 하기 위한 방안은 여러 형태로 존재한다. OFDM 시스템의 전체 부채널의 개수를 N이라 하고 송신 신호 벡터를 X=[X(0), ..., X(N-1)]T, 수신 신호 벡터를 Y=[Y(0), ..., Y(N-1)]T, 그리고 차원이 N x 1인 AWGN 잡음 벡터를 W라 했을 때, 송수신 신호 사이의 관계는 다음 <식 1>과 같이 나타낼 수 있다.

Y = HX+W

부채널들 사이의 직교성이 유지되는 일반적인 경우 대각 행렬로 나타나는 N X N 차원의 H 행렬이 ICI의 영향으로 모든 원소가 0이 아닌 가득 찬 행렬로 나타난다. 등화 과정은 시변 채널 추정치로부터 얻어낸 H 행렬의 원소들을 사용하여 X 벡터를 Y벡터로부터 찾아 내는 과정으로 종래의 등화 기술은 H 행렬을 가득 찬 행렬로 고려하여 N X N 행렬의 역행렬을 구하여 등화에 사용하는 방식이거나 H 행렬이 ICI 가 존재하는 경우에도 대각 원소들과 대각 원소 주위의 원소들이 나머지 원소들에 비해 상대적으로 큰 값을 가지는 것을 이용, 대각 원소와 대각 원소 주위의 원소들을 0이라고 가정하고, 역행렬 계산 수행 복잡도를 줄이는 방식이다. 첫 번째 방식은 전체 부채널의 개수 N이 일반적으로 큰 값이기 때문에 상당히 많은 계산량을 요구하여 실제 시스템엔 적용하기 힘들고, 두 번째의 방식은 ICI 가 큰 경우 가정과 실제 사이에 차이가 생겨 성능 저하를 야기시키는 문제점이 존재한다.

한편, 시변 채널 등화시의 보다 근본적인 문제점은 사용자 단말의 이동 속도가 빨라지는 경우 ICI 에 의해 채널 추정치의 오차가 커져 등화기의 성능이 아무리 좋더라도 성능 저하는 피할 수 없게 된다.

상기한 바와 같이, 종래의 ICI 상쇄 변복조 기술에서는 주파수 선택도에 대한 취약성이 시스템의 심각한 성능 저하를 가져오며 ICI 제거를 위해 전체 사용 부채널의 절반을 이용하기 때문에 대역 효율이 낮다.

또한, 상기 종래의 시변 채널 추정을 이용한 등화 방법에서는 ICI가 큰 경우시변 채널 추정 성능이 낮고 이로 인해 성능이 감소하며 시변 채널 성능을 높이기 위해 파일럿 부채널의 수를 늘이는 경우 대역 효율이 매우 낮아진다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 본 발명의 목적은 사전 부호화를 통해 파일럿 부채널에 영향을 주는 데이터 부채널에 의한 간섭을 제거하여 채널 추정 정확도를 향상시킬 수 있는 직교주파주분할다중화 시스템에서의 부채널 간 간섭 제거 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 등화시 파일럿 부채널의 데이터 부채널에 대한 간섭을 제거하여 등화 복잡도를 낮출 수 있는 직교주파수분할다중 시스템에서 부채널 간 간섭 제거 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 채널 추정시 파일럿 부채널에 영향을 주는 데이터 부채널의 간섭 성분을 제거하여 채널 추정 정확도를 향상시키고 등화시 데이터 부채널에 영향을 주는 파일럿 부채널의 간섭 성분을 제거할 수 있는 사전 부호화 기법을 적용함으로써 전체 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 직교주파수분할 다중 시스템에서의 부채널 간 간섭 제거 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따라 수신기가 전송 신호에 포함된 파일럿 부채널들을 이용하여 채널 추정을 수행하는 OFDM 통신 시스템에서 부채널간 간섭 제거 방법은 파일럿 부채널들과 데이터 부채널들이 일정하게 배치된 전송 신호를 생성하는 과정과; 상기 전송 신호에 사전 부호화를 수행하는 과정과; 상기 사전 부호화된 전송 신호를 OFDM 심볼로 변조하여 송신하는 과정과; 상기 OFDM 심볼을 수신하여 수신신호로 복조하는 과정과; 상기 복조된 수신 신호로부터 파일럿 채널을 검출하는 과정과; 상기 파일럿 채널을 이용하여 시변 채널을 추정하는 과정; 및 상기 추정된 시변 채널을 이용하여 전송 신호를 복원하는 과정을 포함한다.

삭제

본 발명에 따라 수신기가 전송 신호에 포함된 파일럿 부채널들을 이용하여 채널 추정을 수행하는 OFDM 통신 시스템의 송신기에서 수행되는 사전부호화 방법은 파일럿 부채널들을 포함하는 적어도 하나의 파일럿 부채널 그룹을 데이터 부채널들과 관련하여 등 간격으로 배치하여 전송신호를 생성하는 과정과; 상기 전송신호를 사전 부호화하는 과정; 및 상기 사전 부호화된 전송 신호를 OFDM 심볼로 변조하는 과정을 포함한다.

삭제

또한 본 발명에 따라 데이터 신호과 파일롯 신호를 포함하는 심볼을 무선 채널을 통해 수신기에게 전송하는 OFDM 시스템의 송신기는 적어도 하나의 변조 방식에 의해 입력 신호를 변조하는 변조기와; 상기 변조기에서 출력된 변조신호에 상기 파일럿 신호를 삽입하는 파일럿 삽입 모듈과; 상기 파일럿 신호가 삽입된 전송신호를 사전부호화하는 사전 부호기; 및 상기 사전 부호기에 의해 사전 부호화된 신호를 OFDM 심볼로 변조하여 안테나를 통해 송신하는 OFDM 변조기를 포함한다.

삭제

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

채널이 빠르게 변화는 OFDM 기반의 이동통신 시스템에서는 각 OFDM 심볼 구간의 채널이 계속 변화하게 된다. 따라서 전통적인 프리엠블 훈련 신호열을 이용한 채널 추정 방식을 OFDM 기반의 이동 통신 시스템에 적용하는 것은 사실상 어렵고 각 OFDM 심볼에서 파일럿 부채널을 사용하여 해당 OFDM 심볼의 채널을 추정하고 등화를 위해 사용해야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 OFDM 시스템을 개략적으로 보인 블록도이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 상기 송수신기는 안테나를 통해 OFDM 신호를 송신 및 수신하기 위한 송신 장치 (3)과 수신 장치 (5)로 구성된다. 상기 송신 장치 (3)의 입력데이터는 위상변조 (PSK) 혹은 직교 진폭 변조 (QAM) 방식에 따라 변조기(10)에 의해 변조 된 후 파일럿 삽입 모듈 (20)에 의해 파일럿 채널이 추가되어 사전부호기(30)로 전달된다. 상기 사전부호기(30)는 사전부호화 행렬(

)를 이용하여 심볼(S)를 심볼(X)로 사전 부호화한다. 상기 심볼(X)는 직교주파수분할다중화 변조기(40)로 전달되어 OFDM 심볼로 변조되고 상기 직교주파수분할다중화 변조기(40)로부터 출력된 OFDM 심볼들은 송신 신호 처리기(50)에 의해 처리된 후 안테나(55)를 통해 송신된다.

한편, 수신 장치(5)의 안테나(65)를 통해 수신된 신호는 수신 신호 처리기 (60)에 의해 처리된 후 직교주파수분할다중화 복조기(70)에 의해 복조 된다. 복조된 신호는 채널 추정기(90)에 의해 검출된 채널 추정치를 이용하여 등화기(80)에 의해파일럿 채널이 제거된 전송 데이터로 복구되고 복조기(100)에 의해 원본 데이터로 복원된다.

상기 사전부호기(30)에 의한 부호화 과정은 PSK 혹은 QAM 신호에 사전부호(precode) 행렬을 곱하는 것으로 이루어진다. 사전 부호 행렬의 적용은 시변 채널을 추정하기 위한 파일럿 부채널의 배치를 먼저 결정한 뒤에 수행된다. 파일럿 부채널들은 부채널 영역에서 그룹 지어 등 간격으로 배치시키는 경우 최적 시변 채널 추정 성능을 기대할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 간섭 제거 방법에서 파일럿 부채널과 데이터 부채널의 배치를 설명하기 위한 도면이다.

각 파일럿 부채널 그룹은 P개의 파일럿 부채널로 구성되고 이러한 파일럿 부채널 그룹은 NCP개 존재한다. 그리고, 이들 파일럿 부채널 그룹은 N/NCP 간격으로 떨어져 배치된다. 따라서, 파일럿 부채널 그룹 사이의 데이터 부채널 개수는 각각 D(=N/NCPP)개가 된다.

본 발명에 따른 간섭 제거 방법은 크게 사전부호를 구성하는 과정과 상기 사전부호를 이용하여 시변 채널을 추정하는 과정, 그리고 시변 채널 추정치를 이용하여 시변 채널을 등화하는 과정으로 구성된다.

<사전부호 구성>

도 3는 본 발명에 따른 간섭 제거 방법에 적용될 사전부호화행렬의 형태를 보여주는 도면이며 도 4는 도 3의 행렬을 대역 효율이 최대가 되도록 구성했을 때의 사전부호화행렬의 형태를 보인 도면이다.

도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 사전부호화행렬 는 P X P 단위 행렬 IP와 데이터 부분을 사전부호화 하기 위한 행렬 CE 대각으로 일정한 간격을 갖고 배열된 행렬로서 단위 행렬 IP와 사전부호화 하기 위한 행렬 CE 이외의 나머지 부분은 모두 0이다. 행렬 CE의 구성은 다음 조건을 만족하도록 설계된다.

예를 들어,

이 정수 값일 경우

차원의 이산 푸리에 변환 (Discrete Fourier Transform: DFT) 행렬로 구성한 후 첫 번째 열을 제거하거나,

인 경우

차원의 하다마드 (Hadamard) 행렬을 구성한 후 첫 번째 열을 제거하여

행렬을 생성한다. 이 경우 사전부호화 행렬이 1 혹은 -1로만 구성되어 간단히 사전부호화를 수행할 수 있다.

<시변 채널 추정 과정>

송신단에서는 1개의 OFDM 심볼 구간 동안 PSK 혹은 QAM 신호로 변조된 심볼

개를 전송할 수 있으며 ICI 자체 제거를 위해 1개의 OFDM 심볼 당 사용되는 심볼은 최소

개 (n=1인 경우)이다. 송신 신호 벡터 S는 도 5에서와 같은 형태를 갖게 되며 상기 사전부호화 행렬

와 곱해져 (

) 사전부호화 된 후 OFDM 변조된다. 한편, 수신단에서는 수신된 신호 중 파일럿 부채널 신호를 사용하여 시변 채널 추정을 수행한다. 파일럿 부채널에 작용하는 데이터 부채널들에 의한 ICI 들은 사전부호화에 의해 감쇄되고 그 결과 시변 채널 추정 성능이 높아진다.

<시변 채널 등화 과정>

수신단에서 OFDM 복조가 수행된 후 수신 신호를 등화하여 전송 데이터 심볼들을 복구하게 된다. 먼저 수신 신호 등화 과정은 상기 시변 채널 수정치로부터 <식 1>을 이용하여 H 행렬을 구하고 다음 수학식 2에 의해 행렬

구한다.

송신 신호 벡터 S와 수신단에서의 이산 푸리에 변환 이후의 수신 신호 벡터 Y 사이에 AWGN 잡음을 생략하면 수신 신호 Y는 다음 수학식 3와 같이 나타낼 수 있다.

사전 부호화 수행 결과 행렬

는 도 6에서와 같은 형태를 갖게 된다. 이는

로 나타낼 수 있으며, 여기서

는 차원이 N인 열 벡터이다. 도 6에서 박스로 쳐지지 않은 나머지 부분은 근사적으로 0으로 채원진다.

복호화 된 수신 신호로부터 파일럿 부채널에 의한 간섭은 다음 <식 5>에 의해 제거된다.

여기서,

는 전송된

개의 파일럿 심볼 중

번째 파일럿 심볼이고,

는

번째 파일럿 심볼이 사용하는 파일럿 부채널의 부채널 색인 (subcarrier index)으로 다음 수학식 5 과 같이 나타낼 수 있다.

간섭을 제거하여 얻은 벡터

는 도 8의 행렬

에서 전 부채널 수신 신호에 영향을 주는 파일럿 심볼에 의한 간섭, 즉

(

)가 제거되고, 나머지

차원의 행렬들

(

)의 영향만이 남는다. 따라서, 송신 신호 벡터

와 파일럿 심볼에 의한 간섭이 제거된 벡터

사이의 관계를 상기 수학식 2을 이용하여 재구성하면 다음 수학식 6로 나타낼 수 있다.

도 7은 각각의 벡터

와

의 구성을 보인 도면으로 분할된

벡터들과

벡터들이 열 벡터로 구성되어 있음을 알 수 있다.

상기 송신 데이터 심볼

은 잘 알려진 MMSE (Minimum Mean Squared Error) 방식이나 V-BLAST 방식에 의해 추정 및 검파 과정을 거쳐 송신 데이터로 복원된다.

삭제

본 발명은, OFDM 시스템에서 파일럿 심볼들의 수신 신호가 데이터 심볼들에 의한 간섭으로 훼손되어 시변 채널 추정 성능을 저하시키고 결과적으로 송신 신호의 검파 성능을 떨어뜨리는 것에 착안하여, 데이터 심볼에 의한 간섭이 채널에 대한 정보 없이 자체 제거 되도록 하는 사전부호화 기법을 적용한 간섭 제거 방법이다.

사전부호화 행렬은 수학식 1의 OFDM 송신 및 수신 신호 X와 Y 사이의 채널 행렬 H의 성질에 기반으로 구성된다.

채널이 단일 OFDM 심볼 구간 동안 변하기 시작하면 ICI가 발생하여 행렬 H는 가득 찬 행렬이 된다. 채널의 변화 속도가 낮은 경우, 행렬 H의 대각 원소들은 큰 값을 가지고 대각 원소들에서 먼 부분에 위치하는 원소들은 상대적으로 작은 값을 가져 대각 원소 주위 이외의 원소들을 무시할 수 있다. 그러나 채널 변화 속도가 빨라지면 대각 원소의 크기가 감소하면서 비대각 원소들의 크기가 커진다(즉, ICI 가 증가한다). 이 경우, 먼 곳에 위치하는 원소들 또한 크기가 커져 무시할 수 없게 되고, 이로 인해 종래의 채널 추정 방식은 추정 오차가 증가하게 되다. 그런데, 행렬 H의 비대각 원소들을 살펴보면 각각의 원소들이 자신의 주위의 원소들(대각 원소는 제외)과 비슷한 값을 가짐을 실험적으로 알 수 있다. 본 발명에 따른 사전 부호화 행렬의 구성은 행렬 H의 이러한 특성을 이용한다. 파일럿 심볼을 사용하여 채널 추정 시 ICI 영향을 줄이기 위한 방법을 찾기 위해 파일럿 부채널에 해당하는 수신신호를 살펴보면, 부채널 색인이 k인 부채널을 파일럿 부채널로 사용하고 AWGN 잡음을 무시할 경우 k 부채널의 수신 신호는 다음 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.

여기서

는 파일럿 부채널 송신 신호로 수신단에서 알고 있으므로 파일럿 심볼을 사용한 시변 채널 추정에 있어서 원하는 신호 성분이 되고,

는 데이터 부채널 송신 신호로 알 수 없는 성분으로 잡음으로 작용한다. 앞서 언급한 바와 같이 행렬 H의 비대각 원소들은 주위의 원소들과 비슷한 값을 가지기 때문에 데이터 부채널 송신신호를 다음 수학식 8와 같이 구성하면 잡음으로 작용하는 데이터 부채널 송신 신호는 감쇄시킬 수 있다.

본 발명에 따른 사전 부호화 행렬은 전송하고자 하는 전송 심볼이 <식 9>와 같은 성질을 가지도록 만들어주며 이를 위한 조건이 “

"이다. 결과적으로 전송 데이터 심볼에 사전부호화를 수행하면 시변 채널 추정시 잡음에 해당하는 성분이 줄어들어 추정 성능이 높아지게 된다. 한편 도 3과 같이 구성된 사전부호화 행렬

를 송신 신호 벡터

에 곱하여 OFDM 송신 벡터 X를 구성하였을 때, 데이터 심볼들은 사전부호화된 후 새로운 데이터 심볼로 구성된다. 이때, QPSK 혹은 M-QAM 등의 신호 심볼로 구성된 송신 신호 벡터 S 들 사이의 거리가 사전부호화 후에도 유지되기 위해서, 혹은 송신 신호 벡터 S의 원소들 사이를 독립으로 유지하기 위해서는 상기 조건 1이 만족되어야 하고, 이 경우 사전부호화로 최대의 다양성 이득 (diversity gain) 을 얻을 수 있다. 한편 상기 세가지 조건을 만족시키면서 최대 부호화 이득을 얻는 방향으로 사전부호화 행렬을 구성하면 약간의 부호화 이득을 얻을 수 있다. 조건 3은 전송 전력을 제한하기 위한 조건이다.

송신 신호 벡터 S와 수신 신호 벡터 Y 사이에는 상기 <식 4>의 관계가 성립하고 행렬

는 도 6과 같은 형태가 된다. 사전부호화 행렬 중 파일럿 부채널 심볼들이 곱해지는 부분은 단위 행렬들로 이들로 인한 ICI 들은 감쇄되지 않아 전체 부채널에 영향을 주게 되고, 따라서 파일럿 부채널에 의한 ICI 는 수신 신호에서 제거해야 한다. 행렬

는 시변 채널 추정치에서 구할 수 있고, 파일럿 심볼들을 수신단에서 알고 있기 때문에 파일럿에 의한 ICI 제거는식 5를 통해 수행된다. 한 편 사전부호화 행렬 중 데이터 부채널 심볼들이 곱해지는 행렬

는 상기 조건 2에 의해 각 행의 원소들을 합하면 언제나 0이 되도록 구성되어 있다. 그 결과, 행렬 H의 비대각 원소들은 대각 원소들을 제외한 주위 원소들과 비슷한 값을 가짐에 따라 행렬

의 대각 원소들에서 먼 부분은 모두 상쇄되어 0에 가까운 값들이 된다. 결과적으로 ICI 가 감쇄되어 송수신 신호 사이의 관계 분할이 가능하게 된다.

도 7은 송신 신호 벡터와 ICI 가 제거된 수신 신호 벡터의 관계를 보인 도면이다.

도 7에서와 같이 송수신 신호가 분할되면 MMSE 방식이나 V-BLAST 방식을 이용하여 송신 신호를 검파할 수 있다. 사전부호화를 통해 송수신 신호의 관계가 분할 됨으로 감파를 위한 복잡도는 성능 저하 없이 크게 낮출 수 있다.

한편, 송수신단 사이에 주파수 옵셋이 존재할 경우 발생하는 부채널간 간섭도 채널 변화로 발생하는 것과 동일한 형태로 발생하기 때문에 본 발명에 따른 사전 부호화를 통해 상쇄시킬 수 있다.

도 8a, 도 8b, 및 도 8c는 본 발명의 간섭 제거 방법과 종래의 ICI 자체 제거 변복조 방식, 그리고 종래의 시변 채널 추정 및 등화 방식의 성능 비교 결과를 보인 그래프이다.

본 발명과 종래의 기술의 비트오류율(BER) 성능 비교 실험 환경은 다음과 같다.

<채널 환경>

반송파 주파수: 5GHz

최대 채널 지연: 20usec

채널 탭: 8개 (Jakes 모델, 지수적으로 감소하는 전력 프로파일)

이동 속도: (km/h): 0, 120, 240

시변 채널 모델: 선형 모델

=64,

=8, 단일 OFDM 심볼 구간 길이: 240 usec

QPSK 사용

단일 사용자, 단일 셀

모의 실험 단순화를 위해 채널 코딩 고려 안함

실험에서 P=3, D=5, n=1의 사전부호화 코드(DFT 행렬로부터구성)를 적용한 본 발명, P=4일 때 종래의 시변채널 추정 및 등화 방식 (종래기술 2), 그리고 부호화율이 1/2인 종래의 ICI 자체 제거 변복조 방식 (종래기술 1)의 BER 성능을 사용자 단말의 이동 속도 별로 비교하였다. 세가지 경우 대역 효율은 같다. (종래기술 1의 경우 31개의 정보 심볼을 전송한다.) 종래기술 1의 경우 비간섭 변조 (noncoherent modulation) 방식을 사용하여 채널 추정이 필요하지 않아 파일럿 부채널이 필요 없다.

도 8a, 도 8b, 및 도 8c는 본 발명에 따른 채널 간섭 제거 방법의 성능 향상을 종래의 기술과 속도별로 비교하여 보여주는 그래프들이다.

도 8a, 도 8b, 도 8c에서 보는 바와 같이, 본 발명의 경우 낮은 등화 복잡도 (5X4 MMSE 등화기)로도 높은 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 선행 기술의 경우 사용자 이동 속도가 높아져 ICI 가 증가하면 채널 추정이 제대로 되지 않아 BER 성능에 에러 바닥 (error floor) 현상이 발생한다.

본 발명에 따른 사전부호화 방식을 사용하는 경우 같은 대역 효율을 위해서 채널 추정을 위한 파일럿 부채널의 개수를 감소시켰지만, 사전부호화에 의한 ICI 감소 효과로 채널 추정 성능이 높아지고, D 개의 부채널로 전송함으로 인한 신호 대 잡음비 증가 효과를 얻을 수 있어 BER 성능이 종래의 기술에 비해 월등히 높아진다.

본 발명에 따른 간섭 제거 방법에서는 사전부호화를 통해 시변 채널 추정 시 간섭 신호로 작용하는 데이터 부채널 신호 성분을 제거 함으로써 시변 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 간섭 제거 방법에서는 사전부호화를 통해 시변 채널 등화 시 송수신 신호의 관계 분할이 가능하여 성능 저하 없이 등화 복잡도를 단순화 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 간섭 제거 방법에서는 송수신단 사이의 주파수 옵셋에 의해 발생하는 부채널 간 간섭도 사전부호화를 통해 상쇄시킬 수 있다.

Claims

수신기가 전송 신호에 포함된 파일럿 부채널들을 이용하여 채널 추정을 수행하는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 통신 시스템에서 부채널 간 간섭 제거 방법에 있어서,

파일럿 부채널들과 데이터 부채널들이 일정하게 배치된 전송 신호를 생성하는 과정;

상기 전송 신호에 사전 부호화를 수행하는 과정;

상기 사전 부호화된 전송 신호를 OFDM 심볼로 변조하여 송신하는 과정;

상기 OFDM 심볼을 수신하여 수신신호로 복조하는 과정;

상기 복조된 수신 신호로부터 파일럿 부채널을 검출하는 과정;

상기 검출된 파일럿 부채널을 이용하여 시변 채널을 추정하는 과정; 및

상기 추정된 시변 채널을 이용하여 상기 전송 신호를 복원하는 과정을 포함하며,

상기 사전 부호화를 수행하는 과정은,

상기 파일럿 부채널들의 배치에 따라 사전 부호화 행렬을 생성하는 과정; 및

상기 사전 부호화 행렬을 상기 전송 신호에 곱하는 과정을 포함하고, 상기 사전 부호화 행렬은 상기 파일럿 부채널들에 곱해지는 제1행렬들과 상기 데이터 부채널들에 곱해지는 제2행렬들을 포함하고, 상기 제1 및 제2행렬들 각각의 비대각 원소들은 모두 0이며,

상기 전송 신호를 복원하는 과정은,

상기 복조된 수신 신호로부터 상기 파일럿 부채널들에 의한 간섭을 제거하는 과정; 및

상기 데이터 부채널들의 추정치를 구하여 상기 전송 신호를 복원하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 부채널 간 간섭 제거 방법.
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제 1항에 있어서, 상기 제1행렬들은 상기 파일럿 부채널들에 대한 단위 행렬들임을 특징으로 하는 부채널 간 간섭 제거 방법.
제 1항에 있어서, 상기 제2행렬들은 상기 전송 신호에 사전 부호화를 수행한 후에도 전송 신호 벡터들 사이의 거리가 유지되고 각 전송 신호 벡터 사이의 독립이 유지되도록 구성됨을 특징으로 하는 부채널 간 간섭 제거 방법.
제 1항에 있어서, 상기 제2행렬들은 각 행의 원소들을 합하면 0이 됨을 특징으로 하는 부채널 간 간섭 제거 방법.
제 1항에 있어서, 상기 제2행렬들은 상기 전송 신호에 사전 부호화를 수행한 후에도 상기 전송 신호의 평균 전력을 유지하도록 구성됨을 특징으로 하는 부채널 간 간섭 제거 방법.
제 1항에 있어서, 상기 제2행렬은 상기 전송 신호에 사전 부호화를 수행한 후에도 전송 신호 벡터들 사이의 거리가 유지되고 각 전송 신호 벡터 사이의 독립이 유지되고, 각 행의 원소들을 합하면 0이 되며, 상기 전송 신호에 사전 부호화를 수행한 후에도 상기 전송 신호의 평균 전력을 유지하도록 구성됨을 특징으로 하는 부채널 간 간섭 제거 방법.
제 1항에 있어서, 상기 파일럿 부채널들은 적어도 두개의 파일럿 부채널 그룹들을 구성하며, 상기 파일럿 부채널 그룹들은 등 간격으로 배치됨을 특징으로 하는 부채널 간 간섭 제거 방법.
제 9항에 있어서, 상기 사전 부호화 행렬의 제1행렬들 및 제2행렬들은 대각 원소들로 이루어짐을 특징으로 하는 부채널 간 간섭 제거 방법.
제 10항에 있어서, 상기 제1행렬들은 상기 파일럿 부채널 그룹들에 대한 단위 행렬들임을 특징으로 하는 부채널 간 간섭 제거 방법.
제 10항에 있어서, 상기 제2행렬들은 상기 전송 신호에 사전 부호화를 수행한 후에도 전송 신호 벡터들 사이의 거리가 유지되고 각 전송 신호 벡터 사이의 독립이 유지되고, 각 행의 원소들을 합하면 0이 되며, 상기 전송 신호에 사전 부호화를 수행한 후에도 상기 전송 신호의 평균 전력을 유지하도록 구성됨을 특징으로 하는 부채널 간 간섭 제거 방법.
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수신기가 전송 신호에 포함된 파일럿 부채널들을 이용하여 채널 추정을 수행하는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 통신 시스템의 송신기에서 수행되는 사전 부호화 방법에 있어서,

적어도 두개의 파일럿 부채널 그룹들을 구성하는 파일럿 부채널들과 데이터 부채널들이 일정하게 배치된 전송신호를 생성하는 과정;

상기 전송신호를 사전 부호화하는 과정; 및

상기 사전 부호화된 전송 신호를 OFDM 심볼로 변조하는 과정을 포함하며,

상기 사전 부호화 과정은,

상기 적어도 두개의 파일럿 부채널 그룹들의 배치에 따라 사전 부호화 행렬을 생성하는 과정; 및

상기 사전 부호화 행렬을 상기 전송 신호에 곱하는 과정을 포함하고, 상기 사전 부호화 행렬은 상기 적어도 두개의 파일럿 부채널 그룹들에 곱해지는 제1행렬들과 상기 데이터 부채널들에 곱해지는 제2행렬들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 행렬들 각각의 비대각 원소들은 모두 0임을 특징으로 하는 사전 부호화 방법.
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제 14항에 있어서, 상기 제1행렬들은 상기 적어도 두개의 파일럿 부채널 그룹들에 대한 단위 행렬들임을 특징으로 하는 사전 부호화 방법.
제 14항에 있어서, 상기 제2행렬들은 상기 사전 부호화 후에도 전송 신호 벡터들 사이의 거리가 유지되고 송신 신호 벡터의 원소들 사이의 독립이 유지되고, 각 행의 원소들을 합하면 0이 되며, 상기 사전 부호화 후에도 전송 신호의 평균 전력을 유지하도록 구성됨을 특징으로 하는 사전 부호화 방법.
데이터 신호과 파일럿 신호를 포함하는 심볼을 무선 채널을 통해 송수신하는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템에 있어서,

송신기와, 수신기를 포함하며,

상기 송신기는

적어도 하나의 변조 방식에 의해 입력 신호를 변조하는 변조기;

상기 변조기에서 출력된 변조신호에 상기 파일럿 신호를 삽입하는 파일럿 삽입 모듈;

상기 파일럿 신호가 삽입된 전송신호를 사전 부호화하는 사전 부호기; 및

상기 사전 부호기에 의해 사전 부호화된 신호를 OFDM 심볼로 변조하여 안테나를 통해 송신하는 OFDM 변조기를 포함하며,

상기 사전 부호기는 상기 파일럿 신호의 배치에 따라 상기 사전 부호화를 위한 사전 부호화 행렬을 생성하여 상기 전송신호에 곱하고, 상기 사전 부호화 행렬은 상기 파일럿 신호에 곱해지는 제1행렬들과 상기 데이터 신호에 곱해지는 제2행렬들을 포함하고 상기 제1 및 제2행렬들 각각의 비대각 원소들은 모두 0임을 특징으로 하는 OFDM 시스템.
제 20항에 있어서, 상기 수신기는

안테나를 통해 수신된 상기 OFDM 심볼을 복조하는 OFDM 복조기;

상기 복조된 신호에서 상기 파일럿 신호를 검출하여 시변 채널을 추정하는 채널 추정기;

상기 채널 추정기에 의해 추정된 추정치를 이용하여 등화를 수행하고 상기 파일럿 신호를 제거하는 등화기; 및

상기 등화기로부터 상기 파일럿 신호를 해당 변조 방식에 대응하는 복조 방식으로 복조하는 복조기를 포함함을 특징으로 하는 OFDM 시스템.
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제 20항에 있어서, 상기 제1행렬들은 상기 파일럿 신호에 대한 단위 행렬들임을 특징으로 하는 OFDM 시스템.
제 20항에 있어서, 상기 제2행렬들은 상기 사전 부호화한 후에도 전송 신호 벡터들 사이의 거리가 유지되고 각 전송 신호 벡터 사이의 독립이 유지되고, 각 행의 원소들을 합하면 0이 되며, 상기 사전 부호화한 후에도 상기 전송 신호의 평균 전력을 유지하도록 구성됨을 특징으로 하는 OFDM 시스템.
제 20항에 있어서, 파일럿 신호들은 적어도 두개의 파일럿 신호 그룹들을 구성하고, 상기 파일럿 신호 그룹들은 등 간격으로 배치됨을 특징으로 하는 OFDM 시스템.
제 26항에 있어서, 상기 사전 부호화 행렬의 제1행렬들 및 제2행렬들은 대각 원소들로 이루어짐을 특징으로 하는 OFDM 시스템.
제 27항에 있어서, 상기 제1행렬들은 상기 적어도 두개의 파일럿 신호 그룹들에 대한 단위 행렬들임을 특징으로 하는 OFDM 시스템.
제 27항에 있어서, 상기 제2행렬들은 상기 사전 부호화한 후에도 전송 신호 벡터들 사이의 거리가 유지되고 각 전송 신호 벡터 사이의 독립이 유지되고, 각 행의 원소들을 합하면 0이 되며, 상기 사전 부호화한 후에도 상기 전송 신호의 평균 전력을 유지하도록 구성됨을 특징으로 하는 OFDM 시스템.
제 14항에 있어서, 상기 적어도 두개의 파일럿 부채널 그룹들은 등 간격으로 배치됨을 특징으로 하는 사전 부호화 방법.