KR20040017909A - 이중화 통신시스템에 적용되는 얽힌 주파수 분할 이중화방법 - Google Patents

이중화 통신시스템에 적용되는 얽힌 주파수 분할 이중화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중화 통신 시스템에 적용되는 주파수분할 이중화 방법으로서,
시스템의 주파수 대역을 인접 채널간의 채널특성의 유사성을 보장하기 위해 복수개의 주파수 채널로 구분하는 단계와, 상기 구분된 복수개의 각 주파수 채널에 송신 채널과 수신 채널을 교대로 할당하는 단계를 포함하여 수신 주파수 채널로부터 송신 주파수 채널의 피드백 정보를 예측할 수 있도록 구성된 얽힌 주파수 분할 이중화 방법을 개시한다.
상기 구성에 의하면 시간 변화 다중 경로 채널 환경하에서 채널의 변화에 따른 피드백 정보의 변화를 전송 효율의 낭비없이 송신단에서 용이하게 예측할 수 있으며, 채널의 변화에 따른 시스템 성능의 감쇠를 막을 수 있다.

Description

이중화 통신시스템에 적용되는 얽힌 주파수 분할 이중화 방법 {Method of Interlaced Frequency Division Duplexing for Duplexing Communication System}
본 발명은 이중화 통신 시스템에 적용되는 주파수분할 이중화 방법으로서 보다 상세하게는 주파수 효율 및 전송 전력 효율의 저하 없이 시간 변화 다중 채널 환경 하에서 피드백 정보의 변화를 빠른 시간에 송신단에서 예측할 수 있게 하고, 빠른 시간 변화 다중 경로 채널 환경하에서 채널의 변화에 따른 고속 광대역 전송 시스템의 성능 저하를 방지할 수 있는 얽힌 주파수 분할 이중화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 통신 시스템은 단방향 통신이 아닌 송신과 수신을 수행하는 이중화 통신을 지원할 것이 요구된다. 또한 시간 변화 다중 경로 하에서 고속 광대역 전송을 지원하기 위해서는 제한된 주파수 대역을 효율적으로 이용해야 하고, 전송 전력의 효율성도 높여야 한다. 이러한 전송 효율을 향상시키기 위해 수신단의 수신 신호 대 잡음비(S/N) 또는 채널의 정보 등을 피드백(feedback) 정보로서 송신단에 알리고, 이를 이용해 적절한 처리 후 데이터를 전송하여 전송 효율을 높이는 시스템이 많이 연구가 되고 있다. 이러한 피드백 정보를 이용하는 이중화 통신 시스템에서 많이 사용되는 이중화 방식으로는 주파수 분할 이중화 방식과 시간 분할 이중화 방식이 있다.
주파수 분할 이중화 방식은 도 1에 도시한 바와 같이 전체 시스템의 주파수 대역을 연속되는 두 개의 주파수 채널로 나누어 하나는 송신에 다른 하나는 수신에사용하는 이중화 방식이다. 이러한 주파수 분할 방식은 일반적으로 광대역 시스템에서는 채널의 coherent 주파수 대역이 시스템의 주파수 대역보다 상당히 작으므로 송신채널과 수신채널간의 상이한 채널 특성의 차이로 인해 수신 채널에서 피드백 정보를 예측할 수 없게 된다. 따라서 별도의 피드백 채널을 두어 피드백 정보를 전송할 것이 요구된다. 이와 같은 별도의 피드백 채널은 시간축에서 항시 존재하므로, 비록 시간 변화 다중 경로 하에서 채널의 특성의 변화에 의해서 피드백 정보가 변하더라도 이러한 정보의 변화를 항시 송신단에 알려줄 수가 있다. 그러나 별도의 피드백 채널을 이용함에 따라 주파수 사용 효율과 전송 전력의 낭비를 유발하여 전송 효율을 떨어뜨리는 문제점을 가지고 있다.
시간 분할 이중화 방식은 도 2에 도시한 바와 같이 전체 시스템 주파수 대역을 송수신에 모두 사용하는 대신 시간축에서 슬롯(slot)을 이용하여 송신과 수신을 수행한다. 따라서 송신단은 데이터를 수신할 때 적절한 방법을 이용하면 필요한 피드백 정보를 수신 슬롯으로부터 예측할 수 있다. 따라서 별도의 피드백 채널을 이용하지 않고도 피드백 정보를 송신단에서 예측할 수 있기 때문에 주파수 분할 이중화 방식에서 발생하는 전송 효율의 감소는 일어나지 않는다. 그러나 시간축에서 수신 슬롯이 불연속적으로 수신됨으로서, 시간 변화 다중 경로 하에서 채널의 특성 변화에 따른 피드백 정보의 변화를 송신단에 알려줄 수 없게 되어 이에 따라 시스템 성능의 저하를 유발하는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이중화 통신 시스템에서 주파수 효율 및 전송 전력 효율의 저하 없이 시간 변화 다중 채널 환경 하에서 피드백 정보의 변화를 빠른 시간에 송신단에서 예측할 수 있게 하는 얽힌 주파수 분할 이중화 방식을 제안하여, 빠른 시간 변화 다중 경로 채널 환경 하에서 채널의 변화에 따른 고속 광대역 전송 시스템의 성능 저하를 막는데 그 목적이 있다.
도 1은 2개의 연속된 송수신 주파수 채널을 갖는 이중 통신 시스템에서의 주파수 분할 이중화 방식(Frequency Division Duplexing: FDD)의 개념도
도 2는 4개의 슬롯과 1개의 주파수 채널을 갖는 이중 통신 시스템에서의 시간 분할 이중화 방식(Time Division Duplexing: TDD)의 개념도
도 3은 인접 주파수 채널간 특성의 유사성을 보장하는 주파수 채널 분할의 개념도
도 4는 N개의 주파수 채널을 갖는 이중 통신 시스템에서의 본 발명을 적용한 얽힌 주파수 분할 이중화 방식(Interlaced Frequency Division Duplexing: IFDD)의 개념도
도 5는 본 발명을 적용한 OFDM SSCTD 시스템과 일반적인 시간 분할 이중화 방식을 이용하는 OFDM SSCTD 시스템의 비트에러율을 수신기의 이동 속도에 따라 도시한 그래프.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 얽힌 주파수 분할 이중화 방법은 시스템의 주파수 대역을 인접채널간의 채널특성의 유사성을 보장하기 위해 복수개의 주파수 채널로 구분하는 단계와, 상기 구분된 복수개의 각 주파수 채널에 송신 채널과 수신 채널을 교대로 할당하는 단계를 포함하는 주파수분할 이중화 방법을 포함한다.
본 발명의 주파수 분할 이중화 방법은 시스템의 주파수 대역을 다수개의 주파수 채널로 나누어 인접 채널간의 채널 특성의 유사성을 보장하고, 송수신 채널을 얽힌 형태로 할당하여 인접 수신 채널의 특징이 송신 채널의 특징과 유사하다는 점을 이용해 별도의 피드백 채널의 도입이 없이도 채널의 변화에 따른 피드백 정보를 용이하게 예측할 수 있게 한다. 또한 피드백 채널을 사용하지 않음으로서 시간 분할 이중화 방식의 장점인 높은 주파수 효율 및 전송 전력 효율을 유지하고, 시간 변화 다중 경로 채널 하에서도 피드백 정보를 용이하게 예측 할 수 있게 한다.
상기 구성의 본 발명에 의한 이중화 방법은 OFDM 시스템 뿐만 아니라 피드백 정보를 이용하는 일반적인 이중화 통신 시스템에도 적용이 가능하고 피드백 정보의 종류와는 무관하게 적용할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 얽힌 주파수 분할 이중화 방식에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 앞에서 언급한 바와 같이 피드백 정보를 송신단에서 이용하여 전송 효율을 높이는 기술을 채택한 이중화 통신 시스템에서 시간 변화 다중 경로 채널에 대한 강인성을 보장하는 이중화 방식을 개시한다.
피드백 정보를 송신단에 알리기 위한 방법으로는 도 1로 주어진 주파수 분할 이중화 방식에서와 같이 별도의 피드백 채널을 이용하는 방법과 도 2로 주어진 시간 분할 이중화 방식에서 수신 슬롯에서 피드백 정보를 예측하는 방법이 있다. 그러나 주파수 분할 이중화 방식에서 별도의 피드백 채널을 이용하는 방식은 전송 효율의 낭비를 발생시키고, 시간 분할 이중화 방식에서 수신 슬롯에서 피드백 정보를 예측하는 방법은 시간 변화 다중 경로 채널 하에서 시스템의 성능 저하를 야기시키는 문제가 있다.
본 발명의 얽힌 주파수 분할 이중화 방식은 도 3과 같이 전체 시스템 주파수를 여러 개의 작은 주파수 대역,를 갖는 N개의 주파수 채널로 나누는 과정을 포함한다. 일반적으로 주파수 영역에서 보면 전체 시스템 주파수 대역은 주파수 선택적 페이딩으로 특징지어질 수 있는데, 얽힌 주파수 분할 이중화 방식은 이러한전체 시스템 주파수 대역을 여러 개의 주파수 채널로 나눔으로써 각 주파수 채널 내에서는 주파수가 평탄한 페이딩의 특징을 갖도록 만들어 줄 수가 있다. 또한, 나누어진 주파수 채널의 수 N을 증가하여 인접 주파수 채널간 특성의 유사성을 보장할 수 있다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이 얽힌 주파수 분할 이중화 방식은 많은 수의 N으로 나누어진 주파수 채널에서 인근 주파수 채널들이 유사한 특성을 갖는다는 점에 착안하여, 도 4에 도시한 바와 같이 짝수 주파수 채널에는 송신을 할당하고, 홀수 주파수 채널에는 수신을 할당(반대로 짝수 주파수 채널에는 수신을 할당하고, 홀수 주파수 채널에는 송신을 할당하는 경우에도 동일하게 적용)하여 수신 주파수 채널로부터 송신 주파수 채널의 피드백 정보를 용이하게 예측할 수 있게 한다. 이러한 수신 주파수 채널로부터의 송신 주파수 채널의 피드백 정보의 예측의 일반적인 표현은 수학식 1-1 및 수학식 1-2와 같이 주어질 수 있다.
[수학식 1-1]
[수학식 1-2]
상기에서I k 는k번째 주파수 채널의 피드백 정보이고 f()는 송신 주파수 채널 정보를 이용하여 수신 주파수 채널 정보를 구하는 예측 함수를 나타낸다.
이하 본 발명의 주파수 분할 이중화 방법의 바람직한 적용예로서 다수개의 주파수 채널들을 사용하는 직교 주파수 분할 다중화(이하 OFDM) 전송 방식을 사용한 시스템을 고려한다. 또한 전송 효율을 높이기 위해 피드백 정보를 이용하는 기술로서 Subchannel Space-Combining Transmission Diversity(이하 SSCTD)의 성능을 비교해 보기로 한다. SSCTD는 OFDM 시스템에서 성능을 향상시키기 위해 각 부채널 이득을 피드백 정보로서 사용하는 M개의 전송 안테나 중 가장 큰 이득을 갖는 안테나를 선택하여 전송하는 송신 디버시티 기술의 하나이다.
본 발명의 성능을 비교하기 위해 시간 분할 이중화 방식에 기반을 둔 SSCTD를 적용한 OFDM (이하 OFDM SSCTD/TDD) 시스템과 본 발명의 얽힌 주파수 분할 이중화 방식에 기반을 둔 SSCTD를 적용한 OFDM (이하 OFDM SSCTD/IFDD) 시스템을 고려한다. OFDM SSCTD/TDD에서는 피드백 정보의 예측과 전송간의 시간차가 슬롯의 마지막 시간과 전송시간의 차로 주어지는 반면, OFDM SSCTD/IFDD에서는 두 시간의 차가 항상 1개의 심벌 간격으로 고정된다. 이는 시간 변화 다중 경로 채널 환경하에서 피드백 정보의 변화를 빠르게 예측할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 OFDM SSCTD/IFDD 시스템에서 전송 채널의 피드백 정보를 예측하기 위해 상기 수학식 1로 주어진 다양한 방법의 예측 함수,f()를 사용할 수 있지만, 시스템의 구현시 복잡성을 줄이기 위해 바람직히기로 하기 수학식 2로 주어진 간단한 선형 보간법을 이용할 수 있다.
[수학식 2]
여기서h k 는 피드백 정보로서 채널의 이득을 나타낸다.
도 5는 상기 본 발명의 주파수 분할 이중화 방법을 적용한 OFDM SSCTD/IFDD 시스템과 기존의 방식을 적용한 OFDM SSCTD/TDD 시스템의 비트에러율(BER)을 모의실험한 결과를 나타내고 있다. 상기 실험에서는 128개의 부반송파를 사용하는 OFDM 시스템이 가정되었다. 그리고 시간 불변 다중 경로 채널과 시간 변화 다중 경로 채널을 나타내기 위해 각각 0km와 250km의 이동 속도를 갖는 단말기에 대응되는 도플러(Doppler) 주파수를 갖는 COST 259채널 모델이 도입되었다. 또한, 다른 이중화 방법의 적용에 따른 영향을 알아보기 위해 시간과 주파수 동기는 완벽하고 피드백 정보,h k 의 완벽한 예측도 가능하다고 가정하고 송수신 슬롯의 길이는 각각 50 OFDM 심벌로 가정하였다.
도 5에 의하면 시간 불변 다중 경로 채널 환경 하에서는, OFDM SSCTD/TDD와 OFDM SSCTD/IFDD 시스템이 비슷한 비트에러율 성능을 보여준다. 그러나 사용되는 채널이 빠르게 변하는 시간 변화 다중 경로 채널인 경우에는, OFDM SSCTD/TDD의 비트에러율은 커다란 성능의 저하를 가져오지만, OFDM SSCTD/IFDD의 비트에러율은 시간 불변 다중 경로 채널 환경 하에서의 비트에러율 성능과 거의 같은 성능을 보여주고 있다. 이처럼 피드백 정보를 이용하는 이중화 통신 시스템에서 본 발명의 얽힌 주파수 분할 이중화 방식(IFDD)을 사용하는 경우, 시간 가변 다중 경로 채널에 의한 피드백 정보의 변화를 송신단에서 추가의 전송 효율의 낭비 없이 빠르게 예측함으로서, 시간 변화 다중 경로 채널하에서 강인한 시스템을 지원할 수 있다.
본 발명에 의하면 시간변화 다중경로 채널환경하에서 채널의 변화에 따른 피드백 정보의 변화를 전송 효율의 낭비없이 송신단에서 용이하게 예측할 수 있으며, 채널의 변화에 따른 시스템 성능의 감쇠를 막을 수 있다.
또한 본 발명의 주파수 분할 이중화 방법은 OFDM 시스템 뿐만 아니라 피드백 정보를 이용하는 일반적인 이중화 통신 시스템에도 적용이 가능하고 피드백 정보의 종류와는 무관하게 적용할 수 있다.

Claims (5)

  1. 이중화 통신 시스템에 적용되는 주파수분할 이중화 방법에 있어서,
    시스템의 주파수 대역을 인접채널간의 채널특성의 유사성을 보장하기 위해 복수개의 주파수 채널로 구분하는 단계와,
    상기 구분된 복수개의 각 주파수 채널에 송신 채널과 수신 채널을 교대로 할당하는 단계를 포함하여 수신 주파수 채널로부터 송신 주파수 채널의 피드백 정보를 예측함을 특징으로 하는 얽힌 주파수 분할 이중화 방법
  2. 제 1항에 있어서,
    피드백 정보의 예측은 하기 함수로 표현됨을 특징으로 하는 얽힌 주파수 분할 이중화 방법
    상기에서 우변의 Ik는 k번째 주파수 채널의 피드백 정보를 나타낸다.
  3. 제 1항에 있어서,
    피드백 정보의 예측은 하기 함수로 표현됨을 특징으로 하는 얽힌 주파수 분할 이중화 방법
    .
    상기에서 우변의 Ik는 k번째 주파수 채널의 피드백 정보를 나타낸다.
  4. 제 1항에 있어서,
    피드백 정보의 예측은 하기 식으로 표현되는 선형보간법을 이용함을 특징으로 하는 얽힌 주파수 분할 이중화 방법
    상기에서 hk는 k번째 주파수 채널의 피드백 정보로서 채널이득을 나타낸다.
  5. 제 1항에 있어서, 이중화 통신 시스템은
    OFDM 시스템을 포함함을 특징으로 하는 얽힌 주파수 분할 이중화 방법
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