다수의 반송파를 이용하여 데이터를 전송하는 장치 및 방법 document_id A220623014907

본 발명은 통신 시스템에서의 데이터 송수신 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; 이하 OFDM 이라 칭함) 방식 기반의 통신 시스템에서 서로 다른 길이를 갖는 OFDM 심볼을 포함하는 OFDM 프레임을 형성하는 방법에 관한 것이다. 최근 고속의 데이터 전송에 대한 요구가 커지고 있으며, 이러한 고속 전송에 유리한 방식으로는 OFDM이 적합하여 최근 여러 고속 통신 시스템의 전송 방식으로 채택되었다. 이하, OFDM을 설명한다. OFDM의 기본원리는 고속 전송률(high-rate)을 갖는 데이터 열(data stream)을, 낮은 전송률(slow-rate)을 갖는 많은 수의 데이터 열로 나누고, 이들을 다수의 반송파를 사용하여 동시에 전송하는 것이다. 상기 다수의 반송파 각각을 부 반송파(subcarrier)라 한다. 상기 OFDM의 다수의 반송파 사이에는 직교성(orthogonality)이 존재하기 때문에, 반송파의 주파수 성분은 상호 중첩되어도 수신 단에서의 검출이 가능하다. 상기 고속 전송률을 갖는 데이터 열은, 직/병렬 변환부(Serial to Parallel converter)를 통해 다수의 낮은 전송률의 데이터 열(data stream)로 변환되고, 상기 병렬로 변환된 다수의 데이터 열에 각각의 부 반송파가 곱해진 후 각각의 데이터 열이 합해져서 수신 단으로 전송된다. OFDMA는 이러한 OFDM에서 전체 대역을 다중 사용자가 요구하는 전송률에 따라 부반송파를 할당해 주는 다중 접속(multiple access) 방법이다. 상술한 OFDM 방식의 통신 기법은 다양한 시스템 (IEEE 802.11a/g, HiperLAN, IEEE 802.16, DSL, DAB, DVB등)에서 사용되는 방법으로, 통신 채널이 선택적 감쇄(selective-fading) 현상을 보일 때 효율적이다. 상기 OFDM 방식은 여러 개의 부 반송파 (sub-carrier)를 사용함으로써, 상기 선택적 감쇄현상은 평탄 감쇄(flat-fading)으로 보이게 되고, 전체 시스템에서 감쇄현상을 보상하기 위한 기법이 단순해지는 장점이 있다. 도 1은 종래 기술 및 본원 발명이 사용하는 OFDM 송신 장치의 일례를 나타내는 도면이다. 먼저 사용자에게 전송되는 데이터 스트림을 QPSK, 16 QAM 등의 다양한 성상 매핑(constellation mapping) 방법을 이용하여 디지털 변조를 수행한다. 상기 변조 심볼들은 직/병렬 변환기(S/P converter)를 통과하여 병렬(parallel) 심볼로 변환된다. 상기 병렬 심볼은 임의의 부 반송파(subcarrier) 중에서 할당받은 부 반송파에 매핑된다. 상기 부 반송파에 매핑된 신호는 특정한 크기의 IFFT(inverse fast Fourier Transform) 모듈에 입력되어 시간 영역 신호로 변환된다. 상기 시간 영역의 신호는 순환 전치(cyclic prefix)가 더해진 후 수신 단으로 전송된다. 일반적으로 OFDM은 수학적으로 FFT/IFFT(Fast Fourier Transform / Inverse FFT)에 의하여 구현된다. 송신 단에서는 주파수 영역에서 Multiplexing된 신호를 IFFT를 통해 시간 영역으로 전환한 후 전송한다. 또한 수신 단에서는 시간 영역의 신호를 FFT를 통해 주파수 영역으로 전환한 후 Demultiplexing과정을 거쳐 원래의 신호를 복원하게 된다. 이렇게 IFFT를 통해 시간축상으로 전환된 신호는 순환 전치(Cycilic Prefix)를 첨가하게 되며, 이러한 신호를 OFDM 심볼(symbol)이라고 한다. 또한 OFDM 심볼을 구성하는 시간영역 상의 샘플링(sampling)된 신호 하나하나를 OFDM 샘플(sample)이라고 한다. 한편, 상기 순환 전치는 OFDM 심볼의 끝 부분을 떼어내어 OFDM 심볼(symbol)의 앞 부분에 붙이는 것을 말하며, 상기 순환 전치는 다중 경로 채널환경에서 다중 경로 간의 간섭을 제거하는 역할을 한다. 이러한 OFDM 심볼은 실제 전송시에는 여러 개의 OFDM 심볼을 한데 묶어 전송하기도 하며, 여기서는 이를 OFDM 프레임(frame)이라 부르기로 한다. 도 2는 OFDM 심볼의 구조를 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 2를 통해 도 1의 송신기를 통해 전송되는 신호들의 흐름을 알 수 있다. 도시된 바와 같이, x0에서 xN-1의 데이터 심볼은 IFFT 작업을 통해 시간 영역의 시간으로 변환되며, 시간 영역의 신호의 길이는 IFFT의 길이에 따라 결정된다. 각각의 OFDM 심볼에는 일정한 길이만큼의 순환 전치가 복사(copy)되어 첨부된다. 도 3은 OFDM 프레임의 구조를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 OFDM 심볼에 의해 하나의 OFDM 프레임이 형성된다. 도 2 또는 도 3에 도시된 OFDM 프레임은 다양한 종류의 송신기에 의해 생성될 수 있다. 도 1의 송신기의 경우, 송신기에 입력되는 비트 스트림을 제어하거나 심볼-부 반송파 매핑을 제어하는 방법 등을 사용하여 특정한 OFDM 심볼의 FFT 길이를 조절하거나 특정한 OFDM 심볼 등을 포함하는 OFDM 프레임을 형성할 수 있으며, 이러한 OFDM 프레임의 형성 방법은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 갖춘 자에게는 자명한 사항이다. 일반적으로, OFDM의 송수신에 있어서 IFFT/FFT는 같은 길이로 이루어지며 수학적으로 정/역관계이므로, 혼란의 여지가 없는 한 앞으로는 편의상 FFT라 통칭하기로 한다. 이러한 OFDM 심볼의 길이는, OFDM 샘플 타임(sample time) 및 FFT 작업 수행시 사용되는 부 반송파의 개수인 FFT길이(FFT length)에 비례한다. 즉 상기 OFDM 심볼의 길이는 상기 2가지의 변수(sample time, FFT length)에 의해 결정된다. 상기 샘플 타임은 각각의 샘플 간의 시간 간격(duration)을 의미한다. 여기서 OFDM 샘플 타임(sample time)을 고정시키면, OFDM 심볼의 길이는 순전히 FFT 길이에만 의존하게 된다. 이러한 FFT 길이는 결국 한 개의 OFDM 심볼에서 전송할 수 있는 데이터 심볼의 개수를 의미하므로, OFDM 심볼의 길이는 실제 전송할 데이터 심볼의 크기(size)에 따라 결정된다. 여러 개의 OFDM 심볼들이 한 개의 OFDM 프레임을 구성하는 경우에 모든 OFDM 심볼이 같은 FFT 길이를 갖는 경우가 설계에 있어서 제일 간단하다. 그러나, OFDM 심볼의 FFT 길이가 다를 수 있다. 즉, 각 OFDM 심볼이 사용되는 목적에 따라, OFDM 심볼의 FFT 크기는 달라질 수 있다. 대용랑의 데이터 전송을 위한 OFDM 심볼이라면 긴 길이의 FFT 길이를 갖게 되는 반면에, 제어 신호등의 저용량의 데이터 전송을 위한 OFDM 심볼이라면 짧은 길이의 FFT길이로도 충분하다. 따라서, 한 개의 OFDM 프레임안에 대용량과 저용량의 데이터를 동시에 보내는 경우, 일부분의 OFDM 심볼들은 긴 길이의 FFT 길이를 갖을 수 있고, 다른 OFDM 심볼들은 짧은 길이의 FFT길이를 갖을 수 있다. 이하, 종래 기술에 따른 OFDM 프레임을 설명한다. 예를 들어, OFDM 프레임안에 m개의 OFDM 심볼이 존재하고 모든 OFDM 심볼의 FFT 길이는 N개일 수 있다. 또한, 이때 각 OFDM 심볼의 순환 전치의 길이는 NCP 이며, OFDM 프레임은 Tframe의 시간 동안 전송되어야 하고, OFDM 심볼은 Tsymbol의 시간 동안 전송되어야 하며, 각 OFDM 샘플의 샘플링 타임은 Tsample이다. 이러한 경우, 상기 각 변수들은 하기 수학식 1, 2의 관계를 유지하며, 도 4a와 같이 표시된다. 실제 송수신 장치의 구현에 있어서, FFT 길이는 2의 멱승(power)을 갖는 경우 장점이 있는바, 이하 FFT 길이는 2의 승수로 표시한다. 이러한 경우, N만큼의 FFT길이를 갖는 OFDM 심볼을 짧은 길이의 FFT 길이를 갖도록 하려면 가능한 FFT길이는 N/2, N/4, N/8, N/16, …, 2가 된다. 만일 OFDM 프레임 내에서 k개의 OFDM 심볼이 짧은 FFT 길이를 갖고, j개의 OFDM 심볼이 긴 길이의 FFT 길이를 갖는 경우의 관계식은 하기 수학식 3, 4와 같다. 하기 수학식에서 짧은 길이의 FFT 길이를 갖는 OFDM 심볼의 FFT 길이는 Nshort라고 하고, 순환 전치의 길이는 Ncp,short라고 한다. 마찬가지로, 긴 길이의 FFT길이를 갖는 OFDM 심볼의 FFT길이는 Nlong라고 하고, 순환전치의 길이는 NCP,long라고 한다. 이때의 OFDM 프레임 구성도는 도 4b와 같다. OFDM 프레임의 전체 길이는 일정해야 하므로, 수학식 2와 4의 결과는 동일하여야 한다. 따라서, 다음과 같은 관계식을 얻게 된다. 이하, 종래 기술에 따른 OFDM 프레임 구성을 살펴보되, 현실적인 가정을 한 경우를 살펴본다. 긴 길이의 FFT길이를 갖는 OFDM 심볼의 개수 j가 m-1개이고 이때의 FFT 길이 Nlong은 원래의 FFT길이 N과 동일하다. 또한 짧은 길이의 FFT를 갖는 OFDM 심볼의 개수 k=2이고, 짧은 길이의 FFT 길이 Nshort는 원래의 FFT 길이의 반인 N/2이 된다고 가정하자. 그러면 관계식은 하기 수학식 6과 같다. 이때의 OFDM 프레임은 도 5a와 같다. 정리하면 기존의 OFDM 심볼 한 개를 반으로 나눈 짧은 길이의 FFT 길이를 갖는 짧은 길이의 OFDM 심볼을 첨가하여, 기존의 OFDM 심볼의 수보다 한 개 더 늘어난 OFDM 심볼의 개수를 갖게 된다. 즉, 1개의 OFDM 프레임 내에 총 m개의 OFDM 심볼 대신, m+1개의 OFDM 심볼을 갖는다. 여기서, 만일 상기 긴 길이의 OFDM 심볼에 대한 순환 전치 길이 NCP,long이 원래의 순환 전치 길이 NCP와 같게 되면, 가 되어서 상기 짧은 길이의 OFDM 심볼의 순환 전치는 원래 순환 전치 길이의 절반이 된다. 수신 측의 원활한 수신을 위해서는 충분한 순환 전치 길이가 보장되어야하고, 충분한 길이의 순환 전치가 다중경로 채널환경에서 다중 경로 간의 채널 간섭현상을 막아줄 수 있는데, 종래 기술에 따르면 순환 전치의 길이가 절반으로 감소하여, 상기 짧은 길이의 OFDM 심볼은 다중경로 채널환경에서 성능이 나빠지게 된다. 한편, NCP,long과 NCP,short를 동일하게 설정하면 이 되므로, 각각의 순환 전치의 길이는 원래의 순환 전치 길이 NCP보다 짧아지게 된다. 따라서 이 경우에는 상기 짧은 길이의 OFDM 심볼뿐만 아니라, 상기 긴 길이의 OFDM 심볼 역시 다중경로 채널에서 성능이 열화된다. 상술한 바와 같이 순환 전치의 길이가 감소함에 따라, 다중경로 채널환경에서 성능이 열화 되는 것은 도 4b와 같이 짧은 길이의 OFDM 심볼이 3개인 경우도 마찬가지다.