무선 통신 시스템에서의 데이터 처리 방법 및 송신기 document_id A220623034536

최근에 무선 통신 시스템의 기반 기술로서 직교주파수분할다중화(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기법과 다중입력다중출력(MIMO: Multi-Input Multi-Output) 안테나 기술에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. OFDM의 기본 원리는 고속 전송률(high-rate)을 갖는 직렬 데이터 열(serial data stream)을 낮은 전송률(slow-rate)을 갖는 다수의 병렬 데이터 열로 분할하고, 다수의 반송파를 사용하여 병렬 데이터 열을 동시에 전송하는 것이다. 다시 말해서, 상기 고속 전송률을 갖는 데이터 열은, 직/병렬 변환부(Serial to Parallel converter)를 통해 다수의 낮은 전송률의 데이터 열로 변환되고, 상기 병렬로 변환된 다수의 데이터 열에 각각의 부 반송파가 곱해진 후 각각의 데이터 열이 합해져서 수신 단으로 전송된다. 상기 다수의 반송파 각각을 부반송파(sub-carrier)라 한다. OFDM 기법에서 다수의 반송파 사이에 직교성(orthogonality)이 존재하기 때문에, 반송파의 주파수 성분은 상호 중첩되어도 수신 단에서의 검출이 가능하다. 직/병렬 변환부에 의해 생성된 다수의 병렬 데이터 열은, IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)에 의하여 다수의 부 반송파로 전송될 수 있으며, 상기 IDFT는 역 고속 푸리에 변환(IFFT: Inverse Fast Fourier Transform)을 사용하여 효율적으로 구현될 수 있다. 낮은 전송률을 갖는 부 반송파의 심볼 구간(symbol duration)은 증가하게 되므로 다중경로 지연확산에 의해 발생하는 시간 상에서의 상대적인 신호 분산(dispersion)이 감소한다. OFDM 심볼 사이에 채널의 지연 확산보다 긴 보호구간(guard interval)을 삽입하여 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference)을 줄일 수 있다. 또한, 보호구간에 OFDM 신호의 일부를 복사하여 심볼의 시작부분에 배치하면 OFDM 심볼은 순환적으로 확장(cyclically extended)되어 심볼을 보호할 수 있다. OFDMA(orthogonal frequency division multiple access) 방식은 OFDM을 변조 방식으로 사용하는 시스템에 있어 이용 가능한 부 반송파의 일부를 각 사용자에게 제공하여 다중 접속을 실현하는 다중 접속 방법을 말한다. OFDMA는 부 반송파라는 주파수 자원을 각 사용자에게 제공하며, 각각의 주파수 자원은 다수의 사용자에게 서로 독립적으로 제공되어 서로 중첩되지 않는 것이 일반적이다. 결국 주파수 자원은 상호 배타적으로 할당된다. 도 1a 및 도 1b는 각각 종래기술에 따른 OFDMA 방식에 의한 송신측 및 수신측에서의 데이터 처리 절차를 설명하기 위한 블록도이다. 도 1a를 참조하면, 송신측에서는 각 사용자를 위한 비트 스트림(bit stream)에 대하여 QPSK(quadrature phase shift keying), 16 QAM(quadrature amplitude modulation) 또는 64 QAM 등의 변조 기법에 따라 심볼 매핑(constellation mapping)을 수행한다[S11]. 심볼 매핑에 의해 적어도 둘 이상의 비트들은 하나의 심볼에 매핑된다. 상기 비트 스트림은 데이터 심볼로 매핑되고, 상기 데이터 심볼은 직/병렬 변환부를 통해 병렬의 데이터 심볼로 변환된다[S12]. 상기 직/병렬 변환 과정에 의하여 상기 데이터 심볼은 각 사용자(n)에게 할당된 부반송파의 개수(Nu(n))만큼의 병렬 심볼로 변환된다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 사용자 1의 데이터 심볼은 상기 사용자 1에게 할당된 반송파의 개수인 Nu(1)개 만큼의 병렬 심볼로 변환된다. 각 사용자(n)에게 할당되는 부반송파는 서로 동일하거나 서로 다를 수 있기 때문에, 상기 각 사용자의 데이터 심볼은 서로 동일하거나 서로 다른 개수(Nu(n))의 병렬 심볼로 변환될 수 있다. 상기 병렬로 변환된 특정 사용자를 위한 데이터 심볼들은 전체 Nc개의 반송파 중에서 특정 n번째 사용자에 할당된 Nu(n)개의 부반송파에 매핑(mapping)되고, 나머지 Nc-(Nu(n))개의 반송파는 다른 사용자의 데이터 심볼들이 매핑된다[S13]. 심볼을 반송파로 매핑시키는 매핑(symbol to subcarrier mapping) 모듈에 의하여, 사용자가 할당되지 않은 부반송파에는 0이 채워진다(zero padding). 상기 매핑(symbol to subcarrier Mapping) 모듈의 출력은 Nc-포인트 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 모듈에 의해 시간 영역 신호(time domain signals)로 변환된다[S14]. 상기 IFFT 모듈로부터 출력된 OFDM 심볼은 ISI(inter-symbol interference)를 줄이기 위해서 순환 전치(CP: cyclic prefix)가 삽입된다[S15]. CP가 삽입된 OFDM 심볼들은 병/직렬 변환(parallel to serial convert)이 수행된 후[S16], 수신측으로 전송된다. 도 1b를 참조하면, 종래기술에 따른 OFDMA 방식에 따른 수신측에서의 데이터 처리 과정은 도 1a에 도시된 바와 같은 송신측에서의 데이터 처리 과정의 역으로 진행된다. 수신된 데이터 심볼은 직/병렬 변환과 Nc-포인트 FFT를 거친 후 심볼에 매핑(subcarrier to symbol mapping)된다. 병렬의 심볼들은 직렬로 변환되어 심볼 디매핑 과정을 거쳐 비트열이 출력된다. MIMO 기법은 지금까지 한 개의 송신 안테나와 한 개의 수신 안테나를 사용했던 것에서 탈피하여 다중 송신 안테나와 다중 수신 안테나를 채택해 데이터 송수신 효율을 향상시킬 수 있는 방법이다. 즉, 무선 통신 시스템의 송신단 및/또는 수신단에서 다중 안테나를 사용하여 용량 증대 혹은 성능 개선을 꾀하는 기술이다. 이하에서 MIMO 기법은 다중 안테나 기법 또는 기술로 불릴 수 있다. 다중안테나 기술은 하나의 전체 메시지를 수신하기 위해 단일 안테나 경로에 의존하지 않고 다수의 안테나에서 수신된 단편적인 데이터 조각을 한데 모아 완성하는 기술을 응용한 것이다. 특정 범위에서 데이터 전송 속도를 향상시키거나 특정 데이터 전송 속도에 대해 시스템 범위를 증가시킬 수 있다. 다중안테나 기술은 이동통신 단말과 중계기 등에 폭넓게 사용할 수 있는 차세대 이동통신 기술로서, 데이터 통신 확대 등으로 인해 한계 상황에 다다른 이동통신의 전송량 한계를 극복할 수 있는 차세대 기술로 관심을 모으고 있다. 차세대 이동통신은 기존 이동통신에 비해 훨씬 높은 데이터 전송률을 요구하므로 효율적인 다중안테나 기술이 반드시 필요할 것으로 예상된다. 현재 연구되고 있는 다양한 전송효율 향상 기술 중 송/수신단 모두에 다수의 안테나를 사용하는 다중 안테나(MIMO) 기술은 추가적인 주파수 할당이나 전력증가 없이도 통신 용량 및 송수신 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법으로서 현재 가장 큰 주목을 받고 있다. 도 2는 종래기술에 따른 일반적인 다중 안테나 시스템의 개략 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 송수신 단에서 안테나의 수를 같이 늘리게 되면 송신기나 수신기에서만 다수의 안테나를 사용하게 되는 경우와 달리 안테나 수에 비례하여 이론적인 채널 전송 용량이 증가하므로, 주파수 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 90 년대 중반 다중 안테나 시스템의 이론적 용량 증가가 증명된 이후 이를 실질적인 데이터 전송률 향상으로 이끌어 내기 위한 다양한 기술들이 현재까지 활발히 연구되고 있으며, 이들 중 몇 개의 기술들은 이미 3세대 이동 통신과 차세대 무선랜 등의 다양한 무선 통신의 표준(standard)에 반영되고 있다. 현재까지의 다중 안테나 관련 연구 동향을 살펴보면 다양한 채널 환경 및 다중 접속 환경에서의 다중 안테나 통신 용량 계산 등과 관련된 정보 이론 측면 연구, 다중 안테나 시스템의 무선 채널 측정 및 모형 도출 연구, 그리고 전송 신뢰도 향상 및 전송률 향상을 위한 시공간 신호 처리 기술 연구 등 다양한 관점에서 활발한 연구가 진행되고 있다. 다중 안테나의 기술은 다양한 채널 경로를 통과한 심볼들을 이용하여 전송 신뢰도를 높이는 공간 다이버시티(spatial diversity) 방식과, 다수의 송신 안테나를 이용하여 다수의 데이터 심볼을 동시에 송신하여 전송률을 향상시키는 공간 멀티플렉싱(spatial multiplexing) 방식이 있다. 또한, 이러한 두 가지 방식을 적절히 결합하여 각각의 장점을 적절히 얻고자 하는 방식에 대한 연구도 최근 많이 이루어지고 있다. 공간 다이버시티 방식의 경우에는 시공간 블록 부호 계열과 다이버시티 이득과 부호화 이득을 동시에 이용하는 시공간 트렐리스(trellis) 부호 계열 방식이 있다. 일반적으로 비트 오류율 개선 성능과 부호 생성 자유도는 트렐리스 부호 방식이 우수하지만, 연산 복잡도는 시공간 블록 부호가 간단하다. 공간 다이버시티 이득은 송신 안테나 수와 수신 안테나 수의 곱에 해당되는 양을 얻을 수 있다. 공간 멀티플렉싱 기법은 각 송신 안테나에서 서로 다른 데이터 열을 송신하는 방법인데, 이때 수신기에서는 송신기로부터 동시에 전송된 데이터 사이에 상호 간섭이 발생하게 된다. 수신기에서는 이 간섭을 적절한 신호처리 기법을 이용하여 제거한 후 수신한다. 여기에 사용되는 잡음 제거 방식은 최대 우도(maximum likelihood) 수신기, ZF 수신기, MMSE 수신기, D-BLAST, V-BLAST 등이 있으며, 특히 송신단에서 채널 정보를 알 수 있는 경우에는 SVD(singular value decomposition) 방식 등을 사용할 수 있다. 마지막으로, 공간 다이버시티와 공간 멀티플렉싱의 결합된 기법을 들 수 있다. 공간 다이버시티 이득만을 얻을 경우 다이버시티 차수의 증가에 따른 성능개선 이득이 점차 포화되며, 공간 멀티플렉싱 이득만을 취하면 무선 채널에서전송 신뢰도가 떨어진다. 이를 해결하면서 두 가지 이득을 모두 얻는 방식들이 연구되어 왔으며, 이 중 시공간 블록 부호(Double-STTD), 시공간 BICM(STBICM) 등의 방식이 있다. 일반적인 통신 시스템에서는 채널에서 겪는 오류(error)를 수신단에서 정정해주기 위해서 송신단에서 보내는 정보를 오류정정부호(forward error correction code)를 사용하여 채널 부호화(channel encoding)를 수행한 후 전송하게 된다. 수신단에서는 수신신호를 복조(demodulation)한 후, 오류정정부호의 복호(decoding)화 과정을 거친 후 전송 정보를 복원하게 된다. 이러한 복호화 과정을 통해 채널에 의해서 생긴 수신 신호 상의 오류를 정정하게 된다. 모든 오류정정부호에는 채널 오류 정정 시에 최대 정정 가능한 한계가 있다. 즉, 수신 신호가 해당 오류정정 부호가 갖는 한계를 넘는 오류를 갖고 있다면, 수신단에서는 오류가 없는 정보로 복호할 수 없게 된다. 따라서, 수신단에서는 복호한 정보에 오류가 있는지 없는지 판단할 근거가 필요하게 된다. 이렇게, 오류정정부호화 과정과 별도로 오류 검출(error detection)을 위해서 특별한 형태의 부호화 과정이 필요하다. 이런 오류 검출 부호로는 일반적으로 CRC 코드(Cyclic Redundancy Check code)가 널리 쓰인다. CRC는 오류 정정이 아니라 오류 검출을 위해 사용하는 부호화(Coding) 방법의 하나이다. 일반적으로는 전송 정보를 CRC를 사용하여 부호화한 후, CRC 부호화된 정보에 오류정정부호를 사용하는 방식으로 이용된다. 이하에서는 다양한 채널 코딩 기법들 중에서 터보 코드(turbo code)에 대해 설명하도록 한다. 터보 부호기(turbo encoder)는 두 개의 구성 부호화기들(recursive systematic convolution encoder)과 인터리버(interleaver)로 구성된다. 상기 인터리버는 터보 코드의 실제 구현시 병렬 복호화를 용이하게 하기 위해 사용되는데, 일종의 QPP(quadratic polynomial permutatiuon)이다. 이러한 QPP 인터리버는 특정의 데이터 블록 크기에 대해서만 정의되어 있다. 터보 코드의 성능은 데이터 블록 크기가 증가할수록 좋은 것으로 알려져 있다. 그러나, 실제 통신 시스템에서는 실제 구현의 편리함을 위하여 일정 크기 이상의 데이터 블록(예를 들어, 전송 블록)의 경우 여러 개의 작은 데이터 블록으로 나누어 부호화를 수행하게 된다. 나누어진 작은 데이터 블록을 코드 블록(code block)이라 부른다. 즉, 하나의 코드워드는 그 길이가 길 경우 여러 개의 코드 블록으로 나뉘게 된다. 통상적으로 CRC와 오류 정정 부호가 적용되어 부호화된 하나의 단위를 '코드워드(codeword)'라고 하지만, 본 문서에서 코드워드의 의미는 하나의 데이터 블록, 예를 들어, 전송 블록(transport block)에 CRC가 부가된 후 채널 부호화가 수행된 데이터 단위를 '코드워드'라 한다. 따라서, 하나의 전송 블록의 크기가 일정 기준값을 초과하여 둘 이상의 코드 블록으로 분할되는 경우 모든 코드 블록들이 채널 부호화된 결과가 하나의 코드워드가 된다. 코드 블록은 일반적으로 같은 크기를 갖게 되지만, QPP 인터리버의 크기 제한 때문에 여러 개의 코드 블록들 중 하나의 코드 블록은 다른 크기를 가질 수도 있다. 코드 블록 단위로 오류 정정 부호화 과정을 거친 후 무선 채널을 통한 전송 과정에서의 버스트 에러(burst error)의 영향을 줄이기 위해 인터리빙(interleaving)을 수행한다. 그 다음에, 실제 무선 자원에 매핑되어 전송된다. 실제 전송시 사용되는 무선 자원의 양이 일정하기 때문에 이에 맞추기 위해서는 부호화된 코드 블록에 대하여 레이트 매칭(rate matching)을 수행하여야 한다. 일반적으로 레이트 매칭은 펑쳐링(puncturing)이나 반복(repetition) 과정에 의해 수행된다. 레이트 매칭은 3GPP의 WCDMA 시스템 에서와 같이 부호화된 코드 블록 단위로 수행할 수도 있다. 또는, 인코딩된 코드 블록의 정보어 부분(systematic part)와 패리티 부분(parity part)을 분리하여 따로 레이트 매칭을 수행할 수도 있다. 도 3은 부호화된된 코드 블록의 정보어 부분과 패리티 부분을 분리하여 레이트 매칭을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에서 순환 버퍼(circular buffer)에서 전송 시작 위치와 전송할 데이터 크기에 따라 레이트 매칭을 수행할 수 있다. 도 3에서, 코드 레이트(code rate)는 1/3을 가정하였다. 공간 멀티플렉싱을 이용하는 MIMO 시스템의 경우, 하나의 코드워드가 다수의 전송 데이터 스트림으로 전송되는 방법을 단일 코드워드(SCW: single codeword)라 하고, 하나 이상의 코드워드가 전송되는 방법을 멀티 코드워드(MCW: multiple codeword)라고 한다. 도 4a 및 도 4b는 SCW 및 MCW의 개념을 설명하기 위한 도면이다. SCW와 MCW의 하이브리드(hybrid) 형태의 구성도 가능하다. 예를 들면, 4 개의 송신 안테나와 4 개의 수신 안테나를 가정할 경우, 코드워드를 두 개만 사용할 수 있다. 이 경우, 2 개의 데이터 스트림을 전송하는 SCW가 두 개 연결되어 MCW 시스템을 구성하게 된다. 도 5는 종래기술에 따른 WCDMA 시스템의 HS-DSCH에 사용되는 코딩 체인(coding chain)을 도시한 것이다. 공간 멀티플렉싱이 사용되는 경우 최대 2 개의 데이터 스트림 전송이 가능하고, 스트림은 MCW로 전송이 되기 때문에 1개의 스트림이 전송될 경우와 2개의 스트림이 전송될 경우, 모두 동일한 코딩 체인의 사용이 가능하다.