직교주파수 분할 다중접속과 단일 반송파 주파수분할 다중접속을 혼용하기 위한 파일럿 송신장치 및 그 방법

최근 무선 채널에서 고속 데이터 전송에 유용한 방식으로, 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA) 방식과 단일 반송파 주파수 분할 다중 접속(SC-FDMA: Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) 방식이 활발하게 연구되고 있다. OFDMA 방식은 다중 반송파(Multi-Carrier)를 사용하여 데이터를 전송하는 방식으로, 직렬로 입력되는 심벌(Symbol) 열을 병렬로 변환하여, 상호 직교성을 갖는 복수의 부반송파(sub-carrier)들로 변조하여 전송하는 방식을 말한다. 도 1은 일반적인 OFDMA 시스템의 송신 장치의 블록 구성도를 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, OFDMA 송신 장치는 부호화기(11)와 변조기(12)와 직/병렬(S/P) 변환기(13)와 사이즈 N의 역고속 푸리에 변환(IFFT: Inverse Fast Fourier Transform) 처리기(14)와 병/직렬(P/S) 변환기(15)와 순환전치(CP) 삽입기(16)를 포함한다. 부호화기(11)는 채널 인코딩(Channel encoding)을 수행하는 기능 블록으로, 소정의 정보 비트(Information bits) 열을 입력받아 채널 부호화를 수행한다. 일반적으로 부호화기(11)로 길쌈 부호기(Convolutional encoder)나, 터보 부호기(Turbo encoder) 또는 LDPC(Low Density Parity Check) 부호기 등이 사용된다. 변조기(12)는 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 또는 8PSK 또는 16QAM(16-ary Quadrature Amplitude Modulation) 또는 64QAM 또는 256QAM 등의 변조(Modulation)를 수행한다. 직/병렬(S/P) 변환기(13)는 변조기(12)의 출력을 입력으로 받아 병렬 데이터로 변환한다. 사이즈 N의 IFFT 처리기(14)는 직/병렬 변환기(13)의 출력 데이터를 입력으로 받아 IFFT 연산을 수행한다. IFFT 처리기(14)의 출력 데이터는 병/직렬(P/S) 변환기(15)에 의해 직렬 데이터로 변환된다. 순환전치(CP) 삽입기(16)는 병/직렬 변환기(15)의 출력 데이터에 순환전치(CP) 부호를 삽입한다. 역고속 푸리에 변환(IFFT) 처리기(14)는 주파수 영역의 입력 데이터를 시간 영역의 출력 데이터로 변환한다. 통상의 OFDMA 시스템의 경우 입력 데이터가 주파수 영역에서 처리되므로, IFFT 처리기(14)에 의해 시간 영역으로 변환되었을 경우 최대전력 대 평균전력 비(PAPR: Peak to Average Power Ratio)가 커지는 단점이 있다. 최대전력 대 평균전력 비(PAPR)는 역방향 전송에 있어서 고려되어야 하는 중요한 요소 중 하나이다. PAPR이 커지게 되면, 셀 커버리지가 줄어들게 되고, 이에 따라 단말에서 요구되는 신호 전력이 증가하게 된다. 이와 같은 OFDMA 시스템의 단점을 보완하기 위해 상향링크에 대해 단일 반송파 주파수분할 다중접속(SC-FDMA) 방식을 사용하는 방안이 제안되었다. 도 2는 일반적인 단일 반송파 주파수 분할다중 접속(SC-FDMA) 시스템에서 송신 장치의 블록 구성도를 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, SC-FDMA 방식의 송신 장치는 부호화기(21)와 변조기(22)와 직/병렬(S/P) 변환기(23)와 이산 푸리에 변환(DFT: Discrete Fourier Transform) 처리기(24)와 사이즈 N의 역고속 푸리에 변환(IFFT) 처리기(25)와 병/직렬(P/S) 변환기(26)와 순환전치(CP) 삽입기(27)를 포함한다. 부호화기(21)는 소정의 정보 비트열을 입력으로 받아 채널 부호화를 수행한다. 변조기(22)는 상기 부호화기(21)의 출력에 대해 QPSK, 8PSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM 중 어느 하나의 변조를 수행한다. 직/병렬 변환기(23)는 상기 변조기(22)의 출력 데이터를 입력으로 받아 병렬 데이터로 변환한다. DFT 처리기(24)는 상기 직/병렬 변환기(23)의 출력 데이터를 입력으로 받아 이산 푸리에 변환(DFT)을 수행한다. IFFT 처리기(25)는 상기 DFT 처리기(24)의 출력 데이터에 대해 IFFT 연산을 수행한다. 여기서, DFT 처리기(24)와 IFFT 처리기(25) 사이에는 맵핑 처리기(도시되지 않음)가 구비될 수 있다. 맵핑 처리기는 DFT 처리기의 출력 데이터와 IFFT 처리기의 입력 데이터를 맵핑시키는 역할을 수행한다. 맵핑 처리기는 DFT 처리기를 통해 변환된 주파수 영역의 데이터를 적당한 부반송파(Sub-carrier)에 실을 수 있도록, 적당한 IFFT 처리기의 입력 위치들(points)에 맵핑시킨다. 이때, DFT 처리기의 출력 심벌들을 IFFT 처리기의 입력 위치들에 순차적으로 매핑시키게 되면, 주파수 영역 상에서 연속된 부반송파들을 사용하게 되며, 이러한 맵핑 방식을 국부(Localized) 할당이라 한다. 또한, DFT 처리기의 출력 심벌들을 소정의 동일 간격을 유지하면서 IFFT 처리기의 입력 위치들에 맵핑시키게 되면, 주파수 영역 상에서 등간격의 부반송파들을 사용하게 되며, 이러한 맵핑 방식을 분산 할당이라 한다. IFFT 처리기(25)의 출력 데이터는 병/직렬 변환기(26)에 의해 직렬 데이터로 변환된다. CP 삽입기(27)는 병/직렬 변환기(26)의 출력 데이터에 순환전치(CP) 부호를 삽입한다. 한편, DFT 기능과 IDFT 기능들은 각각 고속 푸리에 변환(FFT) 기능과 IFFT 기능들로 대체될 수 있다. 이 경우 DFT 기능 및 IDFT 기능을 위해서는 N 값이 정수(1, 2, 3, 4, ...)일 수 있으나, FFT 기능 및 IFFT 기능을 위해서는 N 값은 2의 제곱 수인 정수(1, 2, 4, 8, ...)일 수 있다. 도 3은 일반적인 SC-FDMA 방식의 서브프레임 구조를 나타낸 것이다. SC-FDMA 방식에서 역방향 전송 단위인 하나의 라디오프레임은 10ms의 길이로 정의된다. 하나의 라디오프레임은 20개의 서브프레임으로 구성되며, 하나의 서브프레임은 0.5ms의 길이를 가지게 된다. 하나의 서브프레임은 6개의 롱블록(Long Block, LB)과 2개의 숏블록(Short Block, SB)으로 구성되는데, 각 블록들 앞에는 순환전치(CP: Cyclic Prefix) 부호가 삽입된다. 상기 롱 블록은 파일럿을 제외한 정보들을 전송하기 위한 블록이며, 숏 블록은 파일럿 전송에만 사용된다. 이와 같은 단일 반송파 주파수 분할 다중 접속(SC-FDMA) 시스템은 최대 전력대 평균전력 비(PAPR)가 낮기 때문에, 큰 셀의 경계에 있는 단말의 상향링크에 대해 장점이 있다. 그러나 SC-FDMA는 OFDMA에 비해서 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 등 고차변조 방식에서 성능이 떨어지며, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 등의 다중 안테나 시스템에 불리하고, 특정한 부반송파 할당 방법이 필요하여 자원 관리의 유연성이 떨어지며, 파일럿 패턴을 자유롭게 가져가기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 단말의 송신 전력이 불충분하여 문제가 될 수 있는 큰 셀의 경계에서는 SC-FDMA 방식이 유리하고, 그 이외에는 OFDMA 방식이 유리하다고 할 수 있다. 이에 따라 항상 최적의 성능을 얻기 위해서는 환경에 따라 단말이 SC-FDMA나 OFDMA를 적절히 선택할 수 있는 방법이 필요하다.