ＯＦＤＭ 신호 생성/복원 방법 및 그 장치 document_id A220517009993

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화 방식 통신 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 OFDM 방식 통신 시스템에서 계층화된 역이산 푸리에 변환(layered IFFT) 방식을 사용한 OFDM 신호 생성과 복원 방법 및 그 장치에 관한 것이다. OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; 이하 OFDM 이라 함) 방식의 통신 기법은 다양한 시스템(IEEE 802.11a/g, HiperLAN, IEEE 802.16, DSL, DAB, DVB 등)에서 사용되고 있는 방법으로 통신 채널이 선택적 감쇄(selective-fading) 현상을 보일 때 효율적인 방법이다. OFDM 방식에서는 다수의 부 반송파 (sub-carrier)를 사용함으로써, 상기 선택적 감쇄 현상은 평탄 감쇄(flat-fading)로 보이게 되고, 전체 시스템에서 감쇄 현상을 보상하기 위한 기법이 단순해지는 장점이 있다. 상기 특징을 얻기 위해서 OFDM 시스템은 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)과 역 푸리에 변환(IFFT: Inverse Fast Fourier Transform)을 통한 변조/복조 기법을 도입하였다. 전송될 데이터는 먼저 각 부 반송파에 할당되고 이를 직접 IFFT하여 시간 공간에서의 신호를 얻어낸다. 수신단에서는 수신신호를 FFT하고, 전송시에 설정된 파일럿 부반송파를 통해 채널을 추정하고 데이터 신호를 이끌어 내는 방법을 취한다. OFDM 신호는 코드분할다중접속(CDMA) 시스템에서 문제가 되었던 최대순간파워 대 평균파워 비율(PAPR: Peak Power to Average Power)이 높아지는 현상이 마찬가지로 나타난다. 특히, OFDM 심볼의 크기가 커지면 이 문제가 더 심각해진다. 이를 보정하기 위해서 다양한 PAPR 기법들이 제안되고 있는데, 이러한 기법들은 주파수 영역에서 데이터 조작에 의한 기법들이 대부분이다. 종래의 PAPR 기법들은 주파수 영역에서 데이터 조작을 하고 시간 영역에서 PAPR를 확인하는 과정을 반복하여 최적의 PAPR을 찾게 되는데, 이 과정에서 거대 OFDM 심볼을 생성하기 위한 복잡성을 매번 반복하는 단점을 가지게 된다. OFDM 변조 기법에 다중사용자를 수용할 수 있다. 그 구현을 보통 OFDMA (OFDM multiple access) 기법이라 하며, 하나의 거대 OFDM 심볼 내의 부 반송파를 서로 다른 사용자들에게 나눠줌으로써 구현된다. 각 사용자는 자신에게 할당된 부 반송파 채널들을 복조하여 해당하는 데이터를 수신해야 하는데, 이를 위해서 보통은 거대 OFDM 심볼 전체를 복조해야만 신호를 알아낼 수 있다. 자신에게 해당하는 부 반송파의 개수에 상관없는 이러한 작업은 각 사용자의 전력을 낭비하며 고성능의 하드웨어를 요구하게 된다. 도1a 종래기술에 있어서 송신측에서 OFDM 신호를 생성하는 과정을 도시한 것이고, 도1b는 수신측에서 송신측으로부터 전송된 OFDM 신호를 수신하여 복원하는 과정을 도시한 것이다. 도1a를 참조하면, 입력 데이터 심볼 을 직렬-병렬(S/P) 변환하여 크기가 N(N-size)인 역푸리에 변환(IFFT)을 수행한 후 병렬-직렬(P/S) 변환된다. 다음의 수학식 1은 역 푸리에 변환 과정을 나타낸다. 여기서 는 푸리에 변환 행렬이다. 벡터 에는 싸이클릭 프리픽스(CP: Cyclic Prefix)가 삽입되고 반송주파수로 다시 변조된 다음 안테나를 통해서 전송된다. 수신측에서 송신측으로부터 수신된 신호로부터 CP를 제거한 신호는 다음의 수학식 2로 표현될 수 있다. 여기서, 는 채널의 응답 벡터이고 는 수신잡음에 해당한다. 벡터 은 직렬-병렬(S/P) 변환되어 푸리에 변환(FFT)을 통해 복조된다. 푸리에 변환된 신호는 다음의 수학식 3과 같이 표현된다. 여기서 채널이 추정되어 있으면 다음의 수학식 4와 같이 전송신호가 복조된다. 도1a 및 도1b에 도시된 바와 같은 과정은 대부분의 OFDM 시스템에서 사용되는 방법이다. 이하에서는 종래기술에 따른 다중사용자 억세스(multiple access) 구조 및 PAPR 개선 방법의 복잡도에 대해서 설명하도록 한다. 다중 사용자 억세스 구조를 형성하려면, 먼저 각 사용자는 자기에게 할당된 부 반송파가 어떤 것들인지 알아야 한다. 각 개인에게 할당된 부반송파 위치에는 각 개인에 전송될 해당 데이터가 할당되고 모든 사용자에게 전송될 데이터가 모여 데이터 벡터 가 이루어진다. 그리고, 수학식 1을 통해서 시간 영역 신호를 생성하고 수신측에서 수학식 4와 같이 수행함으로써 모든 데이터에 대한 추정값을 얻어내야 한다. 그 다음에 각 개인은 자기에게 할당된 부 반송파 위치에서의 데이터 값들을 뽑아내는 과정을 거친다. 이 과정에서 각 사용자는 수학식 3을 거쳐야 함으로 언제나 의 복잡도로 복조를 수행해야 한다. PAPR을 개선하기 위해서 사용되는 기법들은 대부분 다음의 수학식 5와 같이 표현되는 방식을 이용한다. 여기서, 는 데이터 벡터 의 위상성분을 변형하기 위한 행렬이고, 는 데이터 벡터 의 순서를 재정렬하기 위한 퍼뮤테이션 행렬이다. 수학식 5에 따라 변형된 를 수학식 1에 의해서 시간 영역으로 변환한 다음 PAPR를 구하게 된다. PAPR이 감쇄되기 위해서는 여러 가지 조합의 와 를 사용해서 시간 영역의 신호를 다 구해보고, 그 중에서 가장 성능이 좋은 것을 찾는 것이 일반적인 접근 방법이다. 따라서, PAPR 개선을 주파수 영역에서 수행하려면 여러 가지 조합의 와 에 대한 PAPR을 구하기 위해서 언제나 수학식 1의 변환을 사용해야 되고, 수학식 1에 의한 변환 시마다 의 복잡도가 추가된다. 상기한 바와 같은 종래기술에 따른 OFDM 시스템에 있어서는 다중 사용자 환경을 구현하기 위하여 각 사용자가 변/복조해야 하는 복잡도가, 자신에게 할당된 부 반송파의 개수에 상관없이 전체 OFDM 심볼 크기와 같기 때문에 각 사용자에게 많은 계산을 요함으로써 더 많은 배터리 손실과 고성능의 하드웨어를 요구하게 되는 문제점이 있다. 또한, OFDM 시스템에서 PAPR 문제를 해결하기 위한 각종 기법들이 주파수 영역에서의 데이터 조작에 의존하게 되는데, 데이터 조작 후 그 성능을 알아보기 위해서 매번 IFFT를 수행하여 실제 전송 신호의 PAPR를 확인하는 과정을 거치게 된다. 이때, 거대 OFDM 심볼을 매번 변조해야 하기 때문에 많은 계산이 필요하게 되어 마찬가지로 더 많은 배터리 손실과 하드웨어 성능을 요구하는 문제점이 있다.