KR101286962B1 - 무선 통신 시스템에서 패킷 종료 시점 검출 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 통신 시스템에서 패킷 종료 시점 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 다중 안테나 및 직교 주파수 분할 다중화 방식 (MIMO-OFDM) 을 사용하는 무선 통신 시스템에서 패킷 종료 지점 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 모뎀 구현의 복잡도를 줄일 수 있고, 수신 감도를 증가 시킬 수 있으며, 처리율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 종료 장치는, 무선 통신시스템의 패킷 종료 시점 검출 장치에 있어서, 외부로부터 신호를 수신하여 기저대역 신호로 변환하고 아날로그 디지털 변환을 하며 디지털 프런트 엔드를 수행하는 신호 수신부와, 상기 신호 수신부의 입력을 저장하는 입력 저장부와, 상기 입력저장부의 출력을 제공받아 주파수 옵셋을 추정하는 주차수 옵셋 추정부와, 상기 주파수 옵셋의 상관값과 순환전치를 계산하는 옵셋 상관기와, 상기 순환전치의 자기 상관값을 계산하는 순환전치 자기 상관부와, 상기 자기 상관값을 이용하여 패킷의 종료시점을 검사하는 패킷 종료 검출기를 포함한다.

Description

무선 통신 시스템에서 패킷 종료 시점 검출 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF DETECTION FOR A POINT OF PACKET END IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS}

본 발명은 무선 통신 시스템에서 패킷 종료 시점 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 다중 안테나 및 직교 주파수 분할 다중화 방식 (MIMO-OFDM) 을 사용하는 무선 통신 시스템에서 패킷 종료 지점 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 고속 무선 통신 시스템 분야에서는 PHY 및 MAC 계층의 다양한 고급 기술들을 사용하여 데이터 레이트 및 처리율(Throughput)을 개선하는 연구가 많이 수행되고 있다. PHY 계층에서는 다중 안테나 기술. 멀티 밴드, 직교 주파수 분할 다중화 방식, 고차원 변조 방식, 보다 짧은 순환 반복 부호 구간 사용 방법 및 링크 제어 방법을 사용하여 데이터 레이트를 높여 왔으며 비터비 디코더, 터보 코드, LDPC 등의 고급 채널 코덱 기술을 적용하여 무선 전송의 신뢰도를 높이고 있다.

또한 MAC 계층에서는 패킷 군집(Packet aggregation) 및 블록 액크 (Block Ack) 기술을 사용하여 프로토콜의 오버헤드를 줄일 수 있다. 이러한 PHY와 MAC 연구는 최대 신호 도달 거리와 최대 처리율을 향상시키기 위하여 수행되었으며 더 먼 거리에 위치한 송수신기로의 전송과 신뢰성 높은 통신을 하기 위한 더욱더 활발한 연구가 진행되고 있다.

그리고 기존 기법들은 낮은 신호대 잡음비에서 성능 개선을 위해서 복조기 및 채널 복호기의 성능 향상을 위한 알고리즘 개발, RF 시스템 및 아날로그 회로의 신호대 잡음비의 개선을 위한 연구가 주로 이루어져 왔다. 그러나 이러한 성능향상을 위하여 모뎀에 적용되는 알고리즘이 복잡해졌으며 복잡한 알고리즘을 구현하기 위해서는 가격이 비싸지고 전력 소모 효율성이 떨어지는 문제가 있다. 또한 RF 및 아날로그 기술의 한계로 인해 제한된 파워와 가격 경쟁력에서 개선 가능한 신호대 잡음비의 한계에 도달했으며 기존의 시스템에서는 이러한 복잡도를 줄이기 위한 다른 시도들이 이루어지고 있다. 이러한 낮은 신호대 잡음비를 가지는 환경에서 패킷의 검출을 정확하게 하는 기법들이 필요하다.

도 1은 패킷 기반의 무선 시스템의 패킷 구조이다.

도 1에서 시그널 필드 (Signal field)에 포함되어있는 물리 계층 통합 과정 (Physical Layer Convergence Procedure : "PLCP"라 칭함)헤더에는 해당 수신 패킷의 길이 (Length)가 인코딩되어 있으며 그 길에 맞는 데이터 (Data)가 헤더 뒤에 첨가되어 전송된다. 시그널 필드에 포함되어 있는 정보는 수신 데이터 패킷 복원을 위해 매우 중요하므로 가장 낮은 변조 방식인 BPSK(Binary Phase Shift Keying)를 사용하여 변조하고, 송신 시그널 필드값에 패리티 비트를 추가하여 수신 장치에서 패리티 체크를 수행함으로써 신뢰도를 향상시킨다.

그러나 수신 장치의 입력단의 채널 상태가 상대적으로 낮은 신호대 잡음비 (Signal-to-Noise Ratio : 이하 "SNR")를 가지며 큰 지연폭(Delay spread)의 무선 환경일 경우 무선 송수신 특성상 채널 노이즈에 의한 에러 확률(Erorr probability)이 증가하여 시그널 필드에 인코딩되어 있는 패킷 길이가 잘못 복원될 확률이 높아진다. 수신한 패킷에서 시그널 필드의 패킷 길이가 잘못 복원되면, 패킷 기반의 무선 통신 시스템의 경우 패킷 종료 시점 잘 못 판단하는 결과를 초래하여 수신 장치의 유한 상태 장치(Receiver finite state machine)의 초기화 시점 오류 문제를 유발하게 된다. 여기서 유한 상태 장치는 과거의 상태/신호들을 저장하는 메모리를 가진 장치들을 일반적으로 가리킨다. 이러한 수신 장치의 유한 상태 장치의 초기화 시점 오류 문제는 다음의 두 가지 중요한 시스템 성능 저하의 요인이 된다.

첫째 실제 패킷 길이보다 짧은 길이로 복원되면 해당 수신 패킷 중간에 유한 상태 장치가 초기화 되어 해당 패킷은 드롭 (Drop) 처리된다. 이 때 패킷이 계속적으로 수신되고 있는 중인데도 불구하고 패킷 길이가 짧게 복원되어 수신 장치는 초기화되어 새로운 패킷을 수신하려고 하므로 드롭 처리 이후 계속적인 캐리어 센싱 (Carrier sensing), 자동 이득 조절 (Automatic gain control), 동기화 (Synchronization), 시그널 필드 복원 (Signal field decoding) 단계를 수행하게 된다. 이로 인해 실제 패킷 종료시점까지 과도한 전력 소모를 발생시킨다.

둘째, 실제 패킷 길이보다 긴 패킷 길이로 복원되면 패킷 수신이 종료되었는데도 불구하고 유한 상태 장치가 초기화되지 못 하여 해당 패킷 다음에 들어오는 패킷을 수신하지 못하게 된다. 이 경우 실제 패킷 길이와 비교하여 잘못 복원된 패킷 길이가 길어지면 길어질수록 연속적인 패킷 에러(Burst packet error) 개수가 커지게 되어 수신 감도 (Receiver Minimum Sensitivity)와 시스템 전체적인 처리율(Throughput) 저하를 발생시킨다. 무선 통신 시스템 설계에 있어서 수신 감도는 도달 가능 거리 (Coverage)를 결정하는 중요한 성능 지표가 되며, 처리율은 사용자 수용 용량(Capacity)을 위한 결정적인 요소이다. 그러므로 수신 감도와 처리율을 향상시킬 수 있는 패킷 검출에 관한 연구가 필요하다.

따라서 본 발명에서는 모뎀 구현의 복잡도를 줄일 수 있는 패킷 종료 시점 검출 장치 및 방법을 제공한다.

또한 본 발명에서는 수신 감도를 증가 시킬 수 있는 패킷 종료 시점 검출 장치 및 방법을 제공한다.

또한 본 발명에서는 처리율을 증가시킬 수 있는 패킷 종료 시점 검출 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 패킷 종료 시점 검출 장치는, 외부로부터 신호를 수신하여 기저대역 신호로 변환하고 아날로그 디지털 변환을 하며 디지털 프런트 엔드를 수행하는 신호 수신부와, 상기 신호 수신부의 출력을 저장하는 저장부와, 상기 저장부의 출력을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정부와, 상기 추정된 주파수 옵셋를 이용하여 주파수 오차를 보상하는 주파수 옵셋 보정부와, 상기 주파수 옵셋의 상관값과 순환전치를 계산하는 옵셋 상관기와, 상기 순환전치의 자기 상관값을 계산하는 자기 상관성 연산부와, 상기 자기 상관값을 이용하여 패킷의 종료시점을 검사하는 패킷 종료 검출기를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신시스템의 패킷 종료 시점 검출 방법은, 외부로부터 신호를 수신하여 기저대역 신호로 변환하고 아날로그 디지털 변환을 하며 디지털 프런트 엔드를 수행하는 단계와, 상기 디지털 프런트 엔드가 수행된 신호를 저장하는 단계와, 상기 저장된 신호를 이용하여 주파수 옵셋을 추정하고, 상기 추정된 주파수 옵셋를 이용하여 주파수 오차를 보상하는 단계와, 상기 주파수 옵셋의 상관값과 순환전치를 계산하고, 상기 순환전치의 자기 상관값을 계산하는 단계와, 상기 자기 상관값을 이용하여 패킷의 종료시점을 검사하는 단계를 포함한다.

본 발명은 송신단과 수신 장치가 멀리 위치해 있거나 채널 상황이 열악할 때 발생할 수 있는 패킷 길이 복원 실패에 의한 연속 패킷 에러를 방지함으로써 성능을 향상시킬 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명 장치를 사용함으로써 얻을 수 있는 효과는 크게 두 가지이다. 첫째 열악한 채널 환경에서 신호의 도달 거리를 개선시키고 시스템의 안정성을 향상 시킬 수 있다. 둘째 무선 단말기의 전력 소비 효율성을 높인다. 또한 복수개의 수신 안테나 및 다중 밴드 정보를 이용하여 상관치의 정확도를 높이고 RF의 주파수 오차를 보상하여 상관치를 구함으로써 열악한 채널 환경에서도 정확한 패킷 종료 시점 검출이 가능하다.

도 1은 패킷 기반의 무선 시스템의 패킷 구조,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 안테나 혹은 하나의 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템을 위한 패킷 종료 시점을 구하는 장치를 이용한 수신 장치의 전체 블록 다이어그램,
도 3은 본 발명의 일 실 시 예에 따른 반송 주파수 오차를 추정하고 보상하는 회로 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반송 주파수 오차가 보상된 신호의 반복 신호열 구간(Cyclic Prefix)의 상관성을 계산하여 패킷 종료 시점을 산출하는 과정의 개념도,
도 5a 및 도 5b는 전송에러 유무에 의한 처리율의 계산 방법을 도시,
도 6a 및 도 6b는 본 발명을 적용하지 않은 경우와 발명 장치를 적용한 경우의 두 가지 상황에 대한 무선랜 프로토콜 상의 효과를 도시,
도 7 및 도 8은 본 발명의 효과를 보여주기 위한 시뮬레이션 결과도,
도 9는 무선랜 채널 모델 환경에서 신호대 잡음비에 대한 패킷 에러율을 시뮬레이션하여 구한 결과도.

본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

본 발명은 기존 시스템의 동작 중 낮은 신호대 잡음비 환경에서 시그널 필드의 패킷 길이가 잘 못 복원되고 패리티 체크 비트가 잘못 복원되었을 경우 신뢰성 있는 패킷 종료 검출에 관한 것이다. 만약 실제 패킷 길이보다 잘 못 복원된 패킷 길이가 길게 복원되었을 경우 수신 장치가 초기화되지 못하여 연속적인 패킷 에러가 발생할 수 있는 확률을 줄이기 위해 순환 부호 (CP)의 상관성을 이용하여 패킷 종료 시점을 검출한다.

본 발명은 RF에서 발생할 수 있는 반송 주파수 오차를 보상한 후 순환 부호의 상관성을 구하여 다양한 채널 환경에서 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있으며 다중 안테나 및 멀티 밴드를 사용하는 경우 그 정확도를 높이기 위해 복수개의 수신 경로와 밴드에서 들어오는 신호의 상관성을 이용한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 안테나 혹은 하나의 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템을 위한 패킷 종료 시점을 구하는 장치를 이용한 수신 장치의 전체 블록 다이어그램이다.

도 2에서는 무선 통신 시스템을 위해 패킷 종료 시점을 구하기 위하여 무선 신호 처리부(110 내지 130), 입력 버퍼링부(Buffer)(210), 주파수 오차 추정부(CFO estimator)(240), 주파수 오차 보상부(CFO correction)(250), 자기 상관성 연산부(CP Auto-Correlation)(260), 패킷 종료 검출부(Packet end detector)(270), 수신기 유한 처리 장치(Receiver FSM)(280), FFT 처리부(220), 위상 추적부(230), 검출기(140), 디맵퍼(150), 디코더(160), PLCP(170), MAC(180)으로 구성되어 있다. 여기서 무선 신호 처리부(110 내지 130)는 RF부(111 내지 131), 아날로그/디지털 변환부(112 내지 122), 디지털 프론트엔드부(131 내지 133)로 구성된다.

무선 신호 처리부(110 내지 130)의 RF부(111 내지 131)는 각 안테나로 수신 신호를 기저대역으로 복조하여 아날로그/디지털 변환부(112 내지 122)로 전달한다. 아날로그/디지털 변환부(112 내지 122)는 RF부(111 내지 131)에서 전달받은 복조된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 프론트 엔드부(131 내지 133)로 전달한다. 무선 통신 시스템의 수신 장치에서 디지털 신호로 변환되어 입력되는 신호는 RF의 중심 주파수에 의해 발생하는 반송 주파수 오차 및 아날로그 디지털 변환기에서 발생하는 샘플링 위상 오차, 여러 가지 소자 및 PCB 전송 라인에서 발생할 수 있는 I 채널과 Q 채널간의 위상 및 크기 오차 등 여러 가지 왜곡 현상을 보이며 수신 신호 이득이 주어진 입력 동작 범위에 맞지 않을 수 있다. 이를 보상하기 위해 디지털 무선 통신 시스템은 디지털 프론트 엔드부(131 내지 133)를 아날로그/디지털 변환부(112 내지 122) 다음에 구현하여 RF 및 아날로그 소자에서 발생하는 왜곡 현상을 보상한다. 디지털 프론트 엔드부(131 내지 133)의 출력은 입력 버퍼링부(Buffer)(210)와 주파수 오차 추정부(CFO estimator)(240)로 전달된다.

입력 버퍼링부(Buffer)(210)는 디지털 프론트 엔드부(131 내지 133)에서 전달받은 연속된 데이터를 심볼로 나누어 고속 푸리에 연산기가 심볼 단위로 부반송파를 연산이 가능하도록 분류할 수 있게 하기 위하여 심볼 단위로 저장한다. 고속 푸리에 연산 전의 데이터와 그 후의 데이터의 동작 클럭간의 차이를 해결하도록 버퍼의 입력 주파수와 출력 주파수를 다르게 설계할 수 있다. 예를 들어 입력은 40MHz로 동작하고 출력은 80MHz로 동작한다면 두 클록간의 차이를 해결하기 위해 40MHz로 입력하고 80MHz로 읽어 버퍼로부터 출력시킨다.

이 버퍼의 출력 신호에 디지털 프론트엔드에서 짧은 반복 신호열과 긴 반복 신호열로 연산한 상관치로 반송 주파수 오차를 보상하게 된다. 이 때 고속 푸리에 연산후에 추출된 파일럿으로 연산한 잔여 반송 주파수 오차도 함께 누적하여 버퍼 출력 신호에 보상하게 된다. 입력 버퍼링부(Buffer)(210)의 출력 신호는 FFT 처리부(220)와 주파수 오차 추정부(CFO estimator)(240)로 전달된다.

FFT 처리부(220)는 입력 버퍼링부(Buffer)(210)에서 데이터를 고속 푸리에 연산을 수행한 후 위상 추적부(230)로 전달한다. 위상 추적부(230)는 FFT 처리부(220)에서 전달받은 데이터의 위상을 추적하여 검출기(140)와 주파수 오차 추정부(CFO estimator)(240)로 전달한다. 이후의 디맵퍼(150), 디코더(160), PLCP(170), MAC(180)는 일반적인 동작과 동일함으로 설명을 생략하기로 한다.

주파수 오차 추정부(CFO estimator)(240)는 입력 버퍼링부(Buffer)(210)의 입/출력과 위상 추적부(230)의 위상정보를 전달받아 CFO를 추정한다. 주파수 오차 보상부(CFO correction)(250)는 주파수 오차 추정부(CFO estimator)(240)로부터 전달받은 CFO 값을 이용하여 CFO를 보상한다. 각 안테나별로 무선 수신 신호는 고속 푸리에 연산 (Fast Fourier Transform)을 수행하기 전에 버퍼링되고 짧은 프리엠블(Short preamble)과 긴 프리엠블(Long preamble)의 자기 상관성(auto correlation)을 이용하여 시간 영역에서 주파수 오차 (Carrier frequency offset) 계산한 값과 주파수 영역에서 파일럿 (Pilot)을 이용하여 구한 잔여 주파수 오차값을 더하여 주파수 오차를 보상하게 된다.

자기 상관성 연산부(CP Auto-Correlation)(260)는 주파수 오차 보상부(CFO correction)(250)에서 주파수 오차를 보상한 후에 버퍼에 저장된 순환 부호의 자기 상관성을 연산하게 되는데, 주파수 오차가 있는 상태에서는 정확한 자기 상관성 결과를 얻을 수 없기 때문이다. 순환 부호를 이용한 자기 상관성은 시간영역에서 심볼마다 심볼의 첫 샘플부터 0.8us의 시간 구간동안의 샘플을 저장하고, 저장된 샘플들을 한 샘플씩 이동하며 곱하는 방식으로 상관성을 구한다. 순환 부호를 사용한 주파수 직교 분할 방식의 특성상 심볼의 시작 0.8us 구간은 심볼의 끝 0.8us 구간과 동일한 시퀀스를 갖게 되어 있으므로 한 심볼내에서 이와 같은 방식으로 상관성을 구하면 심볼의 끝에서 가장 큰 상관성을 갖게 된다. 이러한 원리로 한 패킷에서 전체 심볼에 대해 자기 상관성을 구해보면 4us마다 상관성이 커지는 결과가 나오며, 패킷이 끝난 이후에는 4us 주기의 상관성이 나타나지 않는다.

패킷 종료 검출부(Packet end detector)(270)는 이러한 상관성의 크기 및 주기성을 감지하고 있다가 패킷이 끝났는지 계속되고 있는지를 판단한다. 채널 환경이 간섭이 심하거나 상대적으로 큰 지연폭을 갖는 환경에서는 이러한 상관성 값이 어느 한 시점에 두드러지는 것이 아니라 상대적으로 긴 시간영역에서 퍼져서 나타나므로 상관성 값을 관찰하는 윈도우 (Window)를 프로그래머블 레지스터 (Programmable register)로 설정가능하게 했으며, 상관성의 크기를 노이즈 상관성과 비교하기 위한 결정 기준 (Detection threshold)도 프로그래머블 레지스터로 설정가능하게 설계했다. IEEE 802.11n 표준에서는 보다 높은 처리율을 지원 가능하도록 하기 위해 0.8us 순환 부호 모드뿐만 아니라 0.4us 순환 부호 모드가 있으므로, 프로그래머블 레지스터로 상관성을 구할 때 두 가지 모드가 선택 가능하도록 설계할 수 있다.

수신기 유한 처리 장치(Receiver FSM)(280)는 패킷 종료 검출부(Packet end detector)(270)에서 전송받은 정보를 기준으로 수신기의 상태를 결정한다.

도 3은 본 발명의 일 실 시 예에 따른 반송 주파수 오차를 추정하고 보상하는 회로 구성도이다.

도 3에서는 하나의 안테나 혹은 복 수의 안테나를 사용할 경우에도 적용될 수 있으나 도 2에는 두개의 안테나의 경우를 예를 들어 설명하기로 한다. 두 개의 안테나로부터 수신된 짧은 훈련 신호열과 긴 훈련 신호열로부터 두 가지 반송 주파수 오차인 cfo_shr과 cfo_lng를 추정한다. 이런 값들은 매 수신 패킷마다 한번씩 추정되고 잔여 반송 주파수 오차인 cfo_trk는 데이터 심볼에 포함된 파일럿 값으로 추정치를 얻는다. 이 값은 고속 푸리에 변환 동작 후에 파일럿을 이용하여 여러 심볼 누적하여 추정한다. 이 세가지 추정된 반송 주파수 오차를 매 동작 주파수마다 이전에 누적된 값에 더하여 데이터 신호열에 반영하는 형태로 구현된다. 이 반송 주파수 오차 추정 및 보상 장치는 데이터 경로뿐만 아니라 본 발명 장치에서 공통으로 사용할 수 있도록 설계 될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반송 주파수 오차가 보상된 신호의 반복 신호열 구간(Cyclic Prefix)의 상관성을 계산하여 패킷 종료 시점을 산출하는 과정의 개념도이다.

직교 분할 다중화 방식 기반의 무선 통신 시스템에서 한 개의 심볼에 해당하는 반송 주파수 개수와 해당 계산 블록의 동작 주파수를 고려하여 상관성 산출 장치의 버퍼 크기를 정하면 되며, 여기서는 802.11n 표준의 40MHz 모드까지 지원하기 위해 128개 반송 주파수를 고려했으며, 40MHz 동작 주파수로 동작하는 상관성 산출 장치를 예로 들어 설명한다. 이 때 순환 부호 길이 (Cyclic Prefix)는 800ns 또는 400ns가 될 수 있으며, 이는 샘플 수로 32개 혹은 16개가 된다. 상관성 산출은 시그널 필드의 짧은 순환 부호 모드 (Short GI) 정보 복원 후 모드에 따라 연산되는 형태가 다르다. 800ns 모드 (즉, 긴 순환 부호 모드) 인 경우 도 4에서와 같이 0번 샘플부터 31번 샘플까지의 버퍼링된 신호를 128번 샘플부터 159번 샘플까지 버퍼링된 신호와 곱하여 합하는 식으로 순환 부호의 상관성을 구하는데, 여기서 짧은 순환 부호 모드일 경우 0부터 15, 144부터 159까지가 된다. 상관성 관측 구간 (Observation Window)은 레지스터로 프로그램 가능하게 되어있으며, 관측 구간 동안만 상관성 값을 출력함으로써 결과값의 신뢰도를 채널 환경에 따라 개선시킬 수 있다. 관측 구간 동안 연산된 순환 부호 상관성 값은 연산기의 카운터가 일정 값에 도달 했을 경우, 즉 순환 부호 길이에 도달했을 때 피크 값을 출력하게 되며 이 피크값이 한계치보다 작은지 비교하여 작다면 패킷의 종료라고 판단하여 패킷 종료 인자 (Packet end indicator)를 1로 출력하고, 작지 않다면 0으로 패킷의 끝이 아님을 알린다. 이 패킷 종료 인자는 수신 장치를 제어하는 유한 상태 장치로 전달되며 패킷 종료 인자가 1이라면 현재의 상태 (State)에서 초기화시키게 된다.

반면 데이터 경로는 고속 푸리에 연산 결과로부터 추출한 파일럿 신호로 위상 오차를 보상하고 복조되고, 디맵퍼 및 복호기에서 복호된 신호열에서 시그널 필드 정보를 분석한 후 데이터 및 신호 정보를 MAC에 전달하게 된다.

본 발명은 수신 장치가 열악한 채널 환경에 있을 경우 시그널 필드의 패킷 길이를 잘 못 복원되더라도 패킷 종료 시점을 명확히 판단하여 실제 패킷 길이 보다 패킷 길이가 짧게 복원되어 드롭 처리된 경우는 수신 장치의 디지털 프론트엔드 단만 전원 및 클럭을 공급하여 수신 장치 전력 소모 효율을 높이고, 실제 패킷 길이 보다 패킷 길이가 길게 복원되면, 순환 부호 (Cyclic prefix)의 자기 상관성을 이용하여 패킷의 끝을 정확히 검출하여 수신 장치 유한 상태 장치를 초기화함으로써 연속적인 패킷 에러 발생 확률을 낮춘다.

도 5a 및 도 5b는 전송에러 유무에 의한 처리율의 계산 방법을 도시하였다.

도 5a에서 처리율은 성공적으로 전송한 패킷의 페이로드(Payload)를 그 패킷을 전송하는데 걸린 시간으로 나누어 구한다. 무선랜의 경우 경쟁 기반의 채널 점유 방식(DCF)을 사용하는데, 패킷 에러가 없는 경우에는 하나의 패킷을 전송하기 위해 DIFS 시간, 백오프 시간, 패킷 전송 시간, SIFS 시간, Ack 전송 시간의 합으로 구할 수 있다.

도 5b는 패킷 에러가 발생하는 경우이며 데이터 패킷을 전송한 단말기가 Ack 패킷을 수신하지 못 하게 되며, 총 전송 시간은 전송 실패한 패킷의 재전송 시간 때문에, "DIFS 시간 + 백오프 시간 + 패킷 전송 시간 + Ack 타임 아웃 시간 + DIFS 시간 + 백오프 시간 + 패킷 전송 시간 + SIFS 시간 + Ack 전송 시간"으로 구할 수 있다. 즉, 패킷 에러가 발생할수록 전송 시간은 증가하게 되며, 처리율은 저하된다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명을 적용하지 않은 경우와 발명 장치를 적용한 경우의 두 가지 상황에 대한 무선랜 프로토콜 상의 효과를 도시하였다.

도 6a는 낮은 신호대 잡음비의 상황에서 시그널 필드의 패킷 길이가 잘못 복원되고 패리티 체크 비트도 잘못 복원되었을 경우에 패킷 종료 시점을 1000 byte가 아닌 7000 byte로 잘못 인지하여 7000 byte 길이의 패킷을 전송하는 시간동안 수신 장치의 상태 천이 장치가 초기화되지 못하여 그 다음에 전송되는 패킷도 수신 하지 못하여 처리율 저하를 발생시킨다.

도 6b는 시그널 필드의 패킷 길이가 잘못 복원되고 패리티 체크 비트도 잘 못 되었더라도 본 발명을 이용하여 패킷 종료 시점을 판단하여 수신 장치 상태 천이 장치가 초기화되어 그 다음 패킷을 성공적으로 수신하는 것을 보여준다. 이 두 가지 상황에서 처리율을 비교하면, 패킷 종료 시점을 모르는 경우보다 본 발명 장치를 이용하여 정확히 아는 경우가 약 3배 이상 처리율이 향상되는 효과가 있다. 이 효과는 잘못 복원되는 시그널 필드의 패킷 길이가 더 커질수록 두드러지게 나타나며 두 단말기 간의 거리가 멀어서 수신 장치의 입력 신호가 작을수록 이러한 현상은 자주 나타나게 될 확률이 높아진다.

도 7과 도 8은 본 발명의 효과를 보여주기 위한 시뮬레이션 결과도이다.

6Mbps 레이트 패킷을 사용했으며, 50ns RMS delay spread 채널에서 3dB 신호대 잡음비를 주고 100 byte 패킷 10개를 전송할 경우를 보여준다. 실험의 편이성을 위하여 No Ack 모드로 11a 물리 계층 모델을 사용하여 단말기 대 단말기 테스트를 수행했다. 또한 채널의 왜곡 현상으로서 시간/주파수 오차로 40ppm을 각각 주고 실험했다. 도 7은 본 발명 장치를 이용하지 않을 경우를 나타내며, 첫번째 행의 첫째 열의 그림부터 시계방향으로 그림의 번호를 매길때, 1번 그림은 파란색이 연산된 상관성을 표현하며, 빨간색이 상관성의 추출된 최대값을 나타낸다.

2번 그림은 1번 그림의 추출된 최대값 중 피크값을 순환 반복 부호(Cyclic Prefix) 구간에서 추출한 결과이며, 이 때, 본 발명 장치를 이용하지 않았으므로 3번 그림처럼 3번째 패킷에서 패킷 길이를 잘 못 복호했을 경우10번째 패킷까지 연속적으로 패킷 에러가 발생하게 된다. 그 이유는 4번 그림에 나와 있듯이 수신 장치의 상태 천이도가 초기화 되지 못 했기 때문이다. 이 때 파란색과 빨간색은 각각RIFS (Reduced interframe space)를 지원하기 위한 프론트 엔드 상태 천이와 백엔드 상태 천이를 나타낸다.

도 8은 본 발명을 적용하였을 때이며 1번 그림에 나와 있는 것처럼 3번째 패킷 수신이 끝나면, 패킷의 종료를 검출하여 검정색 세모 마크처럼 패킷 종료 지표를 수신 상태 천이 제어 블록에 알려주게 되고, 그림 4에 나와 있는 것처럼 상태 천이는 초기화되어 그 다음 패킷을 정상적으로 수신하게 된다.

도 7과 도 8을 통해 알 수 있듯이 채널 상태가 나쁠 경우 패킷 길이가 잘 못 복호되고 패리티 체크 비트에도 오류가 발생할 확률이 있는데, 이 때 잘 못 복원된 패킷 길이에 의해 수신 상태 천이 제어 블록이 초기화되지 못 하여 그 이후에 수신되는 패킷을 연속적으로 수신에 실패하는 문제를 본 발명 장치가 효과적으로 해결할 수 있음을 보여준다. 본 예제에서 10개의 패킷을 사용했을 경우 발명 장치를 사용했을 경우 3개의 패킷 에러가 발생한 반면에 발명 장치를 사용하지 않았을 경우에는 7개의 패킷 에러가 발생했다.

도 9는 무선랜 채널 모델 환경에서 신호대 잡음비에 대한 패킷 에러율을 시뮬레이션하여 구한 결과도이다. 무선랜 채널 환경은 50ns RMS delay spread 채널이며, 시간 및 주파수 오차로 각각 40ppm을 주었으며, 신호대 잡음비는 충분히 낮추어 시뮬레이션했다. 시뮬레이션 결과에 의한 1000byte 1000 패킷의 경우 본 발명 의해 약 1dB의 성능 개선 효과를 보았다.

110 내지 103 : 무선 신호 처리부, 210 : 입력 버퍼링부
240 : 주파수 오차 추정부 250 : 주파수 오차 보정부
260 : 자기 상관성 연산부 270 : 패킷 종료 검출부
290 : 수신기 유한 처리 장치 220 : FFT 처리부
230 : 위상 추적부 140 : 검출기
150 : 디맵퍼 160 : 디코더
170 : PLCP 180 : MAC
111 내지 131 : RF 부
112 내지 122 : 아날로그/디지털 변환부
131 내지 133 : 디지털 프로트엔드부

Claims (12)

1. 무선 통신시스템의 패킷 종료 시점 검출 장치에 있어서,
   외부로부터 신호를 수신하여 기저대역 신호로 변환하고 아날로그 디지털 변환을 하며 디지털 프런트 엔드를 수행하는 신호 수신부와,
   상기 신호 수신부의 출력을 저장하는 저장부와,
   상기 저장부의 출력을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정부와,
   상기 추정된 주파수 옵셋를 이용하여 주파수 오차를 보상하는 주파수 옵셋 보정부와,
   상기 주파수 옵셋의 상관값과 순환전치를 계산하는 옵셋 상관기와,
   상기 순환전치의 자기 상관값을 계산하는 자기 상관성 연산부와,
   상기 자기 상관값을 이용하여 패킷의 종료시점을 검사하는 패킷 종료 검출기를 포함함을 특징으로 하는 패킷 종료 시점 검출 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 저장부는,
   상기 신호 수신부에서 전달받은 연속된 데이터를 심볼들로 나누고, 상기 나누어진 심볼들을 심볼 단위로 저장함을 특징으로 하는 패킷 종료 시점 검출 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 주파수 오차 보상부는,
   자기 상관값을 이용하여 시간 영역에서 계산된 주파수 옵셋과 파일럿 (Pilot)을 이용하여 주파수 영역에서 계산된 잔여 주파수 옵셋을 더하여 상기 주파수 오차를 보상함을 특징으로 하는 패킷 종료 시점 검출 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 상관성 연산부는,
   시간영역에서 심볼의 순환 반복 부호 구간동안의 부분 또는 전체 샘플들을 저장하고, 상기 저장된 샘플들을 한 샘플씩 이동하며 곱하여 순환 전치의 자기 상관값을 계산함을 패킷 종료 시점 검출 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 패킷 종료 검출기는,
   상기 자기 상관값을 관찰하는 윈도우를 프로그래머블 레지스터로 설정함을 특징으로 하는 패킷 종료 시점 검출 장치.
   
6. 제 1 항에 있어서, 상기 패킷 종료 검출기는,
   상기 자기 상관값의 크기를 노이즈 상관값과 비교하기 위한 결정 기준을 프로그래머블 레지스터로 설정함을 특징으로 하는 패킷 종료 시점 검출 장치.
   
7. 무선 통신시스템의 패킷 종료 시점 검출 방법에 있어서,
   외부로부터 신호를 수신하여 기저대역 신호로 변환하고 아날로그 디지털 변환을 하며 디지털 프런트 엔드를 수행하는 단계와,
   상기 디지털 프런트 엔드가 수행된 신호를 저장하는 단계와,
   상기 저장된 신호를 이용하여 주파수 옵셋을 추정하고, 상기 추정된 주파수 옵셋를 이용하여 주파수 오차를 보상하는 단계와,
   상기 주파수 옵셋의 상관값과 순환전치를 계산하고, 상기 순환전치의 자기 상관값을 계산하는 단계와,
   상기 자기 상관값을 이용하여 패킷의 종료시점을 검사하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 패킷 종료 시점 검출 방법.
   
8. 제 7 항에 있어서, 상기 저장하는 단계는,
   상기 신호 수신부에서 전달받은 연속된 데이터를 심볼들로 나누고, 상기 나누어진 심볼들을 심볼 단위로 저장함을 특징으로 하는 패킷 종료 시점 검출 방법.
   
   
9. 제 7 항에 있어서, 상기 주파수 오차를 보상하는 단계는,
   자기 상관값을 이용하여 시간 영역에서 계산된 주파수 옵셋과 파일럿 (Pilot)을 이용하여 주파수 영역에서 계산된 잔여 주파수 옵셋을 더하여 주파수 오차를 보상함을 특징으로 하는 패킷 종료 시점 검출 방법.
   
10. 제 7 항에 있어서, 상기 자기 상관값을 계산하는 단계는,
    시간영역에서 심볼의 순환 반복 부호 구간동안의 부분 또는 전체 샘플들을 저장하고, 상기 저장된 샘플들을 한 샘플씩 이동하며 곱하여 순환 전치의 자기 상관값을 계산함을 패킷 종료 시점 검출 방법.
    
    
11. 제 7 항에 있어서, 상기 종료시점을 검사하는 단계는,
    상기 자기 상관값을 관찰하는 윈도우를 프로그래머블 레지스터로 설정함을 특징으로 하는 패킷 종료 시점 검출 방법.
    
12. 제 7 항에 있어서, 상기 종료시점을 검사하는 단계는,
    상기 자기 상관값의 크기를 노이즈 상관값과 비교하기 위한 결정 기준을 프로그래머블 레지스터로 설정함을 특징으로 하는 패킷 종료 시점 검출 방법.

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