직교 주파수 분할 다중 접속 시스템에서의 데이터 송수신방법 및 장치 document_id A220623046194

본 발명은 다중 접속 방식을 사용하는 통신 시스템에서 관한 것으로, 특히 기준 심볼 및 데이터 심볼의 송수신 방법 및 장치에 관한 것이다. 최근 이동 통신 시스템에서는 유무선 채널에서 고속의 데이터 전송에 유용한 방식으로 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 "OFDM") 방식에 대하여 활발하게 연구되고 있다. 상기 OFDM 방식은 멀티-캐리어(multi-carrier)를 사용하여 데이터를 전송하는 방식으로서, 직렬로 입력되는 심볼열을 병렬 변환하고 이들 각각을 상호 직교성을 갖는 다수의 주파수 톤(frequency tone)들, 즉 다수의 서브 캐리어 채널(sub-carrier channel)들로 변조하여 전송하는 멀티캐리어 변조(MCM : multi-carrier modulation) 방식의 일종이다. 이와 같은 멀티캐리어 변조 방식을 적용하는 시스템은 1950년대 후반 군용 고주파 라디오에 처음 적용되었으며, 직교하는 다수의 서브 캐리어들을 중첩시키는 OFDM 방식은 1970년대부터 발전하기 시작하였으나, 멀티 캐리어들간의 직교 변조의 구현이 어려우므로 실제 시스템에 적용하는 데에는 한계가 있었다. 그러나 1971년에 Weinstein 등이 상기 OFDM 방식을 사용하는 변복조는 DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용하여 효율적으로 처리가 가능함을 발표하면서 OFDM 방식에 대한 기술개발이 급속히 발전했다. 또한 보호구간(guard interval)을 사용하고, 보호구간에 순환 전치 심볼(Cyclic Prefix, 이하 "CP")을 삽입하는 방식이 알려지면서 다중경로 및 지연 확산(delay spread)에 대한 시스템의 부정적 영향을 더욱 감소시키게 되었다. 이러한 기술적 발전에 힘입어 OFDM 방식 기술은 디지털 오디오 방송(DAB: digital audio broadcasting)과 디지털 비디오 방송(DVB: digital video broadcasting), 무선 근거리 통신망(WLAN: wireless local area network) 그리고 무선 비동기 전송 모드(WATM: wireless asynchronous transfer mode) 등의 디지털 전송 기술에 광범위하게 적용되고 있다. 즉, 이전에는 하드웨어적인 복잡도(complexity)로 인하여 널리 사용되지 못하였으나 최근 고속 퓨리에 변환(FFT: fast Fourier transform)과 역 고속 퓨리에 변환(IFFT: inverse fast Fourier transform)을 포함한 각종 디지털 신호 처리 기술이 발전함으로써 실현 가능해 졌다. 상기 OFDM 방식은 종래의 주파수 분할 다중(FDM: frequency division multiplexing) 방식과 비슷하나, 무엇보다도 다수개의 톤 간의 직교성(orthogonality)을 유지하여 전송함으로써 고속 데이터 전송시 최적의 전송 효율을 얻을 수 있다. 또한 OFDM 방식은 주파수 사용 효율이 좋고 다중 경로 페이딩(multi-path fading)에 강한 특성이 있어 고속 데이터 전송시 최적의 전송 효율을 얻을 수 있다. 또한 OFDM 방식은 주파수 스펙트럼을 중첩하여 사용하므로 주파수 사용이 효율적이고, 주파수 선택적 페이딩(frequency selective fading)에 강하고, 보호구간을 이용하여 심벌간 간섭(ISI: inter symbol interference) 영향을 줄일 수 있고, 하드웨어적으로 등화기(equalizer) 구조를 간단하게 설계하는 것이 가능하며, 임펄스(impulse)성 잡음에 강하다는 장점을 가지고 있어서 여러 통신시스템 구조에 적극 활용되고 있다. 무선 통신에서 고속, 고품질의 데이터 서비스를 저해하는 요인은 대체적으로 채널 환경에서 기인한다. 상기 무선 통신에서 채널 환경은 백색 가우시안 잡음(AWGN: additive white Gaussian noise) 외에도 페이딩(fading) 현상으로 인하여 발생되는 수신 신호의 전력 변화, 음영(shadowing), 단말기의 이동 및 빈번한 속도 변화에 따른 도플러(Doppler) 효과, 타 사용자 및 다중 경로(multipath) 신호에 의한 간섭 등으로 인해 자주 변하게 된다. 따라서 무선 통신에서 고속, 고품질의 데이터 서비스를 지원하기 위해서는 상기 저해 요인들을 효과적으로 극복하는 것이 필요하다. OFDM 방식에서 변조 신호는 시간과 주파수로 구성된 2차원 자원(resource)에 위치한다. 시간축 상의 자원은 서로 다른 OFDM 심볼로 구별되며 이들은 서로 직교한다. 한편 주파수축 상의 자원은 서로 다른 톤으로 구별되며 이들 또한 서로 직교한다. 즉 OFDM 방식에서는 시간축 상에서 특정 OFDM 심볼을 지정하고 주파수축 상에서 특정 톤(tone)을 지정한 것을 하나의 최소 단위 자원으로 사용할 수 있는데, 이를 '주파수-시간 bin'이라고 칭한다. 서로 다른 주파수-시간 bin은 서로 직교하므로, 서로 다른 주파수-시간 bin으로 전송된 신호는 서로 간섭을 일으키지 않고 수신될 수 있다. 이동통신 환경에서는 채널이 랜덤(random)하게 변하는 특성이 있다. 이에 따른 문제를 해결하기 위해 대부분의 이동통신 시스템에서는 채널의 상태를 추정하고 이를 보정하는 과정을 거치는 코히어런트 복조(coherent demodulation)를 지원하도록 설계되어 있다. 랜덤한 채널의 상태를 추정하기 위해서는 송신기와 수신기간에 이미 약속된 신호가 전송되어야 한다. 이러한 신호를 파일럿 또는 기준 심볼(Reference Symbol, 이하 "RS") 신호라고 한다. 수신기에서는 RS 신호를 수신함으로써 채널의 상태를 추정하고 추정된 채널 상태를 보정하여 복조를 수행한다. RS 신호는 채널의 변화를 추정하기에 충분한 양이 전송되어야 하며, 데이터 신호에 의해 훼손되지 않는 것이 바람직하다. OFDM 시스템에서는 RS 신호를 미리 약속된 주파수-시간 bin에 배치 함으로써 RS 신호가 데이터 신호에 의해 훼손되는 것을 방지할 수 있다. 도 1은 3GPP(3rd Generation Partnership Project)의 LTE(Long Term Evolution) 시스템에서 정의하는 송신 안테나가 2개일 때의 RS 패턴(pattern)을 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 하나의 리소스 블록(Resource Block, 이하 "RB")은 주파수축의 12개의 톤과 시간축의 14 OFDM 심볼로 구성되어 있다. 도 1에서는 RB 1(121)부터 RB N(123)까지 총 N개의 RB로 구성된 대역폭을 나타내고 있다. 주파수-시간 bin 중 a로 표기된 것(131)은 첫 번째 안테나를 통해 송신되는 RS를 의미하며, b로 표기된 것(133)은 두 번째 안테나를 통해 송신되는 RS를 의미한다. 만약 기지국의 송신 안테나가 하나라면 b로 표기된 주파수-시간 bin(133)은 데이터 전송에 사용될 것이다. RS 신호는 기지국과 단말기가 미리 약속한 것이므로, 단말기는 주파수-시간 bin a(131)의 수신신호를 토대로 첫 번째 송신안테나로부터의 채널을 추정하고 주파수-시간 bin 중 b(133)의 수신신호를 토대로 두 번째 송신안테나로부터의 채널을 추정할 수 있다. 도 1에서 도시한 RS 패턴의 특징은 OFDM 심볼이 RS를 포함하는 심볼과 RS를 포함하지 않는 심볼로 구분된다는 것이다. 즉, 1번째 OFDM 심볼(101), 5번째 OFDM 심볼(103), 8번째 OFDM 심볼(105), 12번째 OFDM 심볼(107)에는 RS가 정의되어 있는 반면, 나머지 OFDM 심볼(111, 113, 115, 117)에는 RS가 정의되어 있지 않다. 그리고 한 송신 안테나의 RS는 6개의 톤마다 한 톤씩 삽입되어 있고 RS가 삽입되어 있지 않은 RS 톤에는 다른 송신 안테나의 RS가 삽입되어 있다. 도 2 는 송신 안테나가 4개일 때의 RS 패턴을 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 첫 번째 송신 안테나용 RS(131)와 두 번째 송신 안테나용 RS(133)는 도 1과 동일한 위치에 삽입되어 있으며, 세 번째 송신안테나용 RS(135)와 네 번째 송신안테나용 RS(137)가 추가로 정의되어 있다. 추가된 RS는 2번째 OFDM 심볼(201)과 8번째 OFDM 심볼(203)에 배치되기 때문에, RS를 포함하고 있는 OFDM 심볼은 총 14개의 OFDM 심볼 중 101, 103, 105, 107, 201, 203의 6개 OFDM 심볼이다. 또한 나머지 OFDM 심볼(211, 213, 215, 217)은 RS를 포함하고 있지 않다. 단말기의 채널 추정 성능을 보장하기 위해서는 충분한 RS의 전력을 할당할 필요가 있다. 특히 채널 상태가 열악한 단말기에게 데이터를 전송할 때에는 재전송과 같은 방법을 동원하여 필요한 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, 이하 "SNR")를 확보하지만, RS는 재전송을 통해 RS의 SNR을 개선시킬 수 없기 때문에 RS의 전력을 충분히 확보할 필요가 있다. 따라서 우선적으로 RS의 전력을 할당하고 남은 전력을 데이터 전송에 이용하게 되는데, RS에 충분한 전력을 할당하다 보면 RS를 포함하고 있는 OFDM 심볼에서의 데이터 전송용 톤당 가용 전력이 RS를 포함하지 않은 OFDM 심볼에 비해서 낮을 수 있다. 도 3은 송신안테나가 한 개일 때 RS 전력할당에 따른 데이터 톤의 전력할당의 예를 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 301은 RS를 포함하고 있는 OFDM 심볼에서 하나의 RB에 정의된 톤을 도시한 것이고, 303은 RS를 포함하고 있지 않은 OFDM 심볼에서의 톤을 도시한 것이다. 301은 도 1의 101과 106에 해당하는 OFDM 심볼의 RB이며, RS용 톤(311)과 데이터용 톤(313)으로 구성되어 있고, 303은 데이터용 톤(315)만으로 구성되어 있다. RS 톤에는 P라는 전력이 할당되는데 이 값은 RS가 포함되지 않은 OFDM 심볼의 데이터용 톤의 전력 D보다 높은 값으로 설정되어 있다. 한 RB에 할당된 전력의 합이 OFDM 심볼 별로 동일하다는 조건을 수학식으로 표현하면 [수학식 1]과 같다. 여기서, N은 한 RB를 구성하는 톤의 개수로 도 3의 예에서는 N=12이다. NRS은 RS를 포함하는 OFDM 심볼 내에서 한 RB에 정의된 RS 톤의 개수로 도 3의 예에서는 N=2이다. D*는 RS를 포함하고 있는 OFDM 심볼내의 데이터 톤의 전력이다. P003e#D라면 N003e#NRS 이므로 [수학식 2]에서 보이는 바와 같이 D*003c#D가 된다. 즉, RS를 포함하고 있는 OFDM 심볼내의 데이터 톤의 전력은 RS를 포함하고 있지 않은 OFDM 심볼내의 데이터 톤의 전력보다 작게 설정될 수 밖에 없다. 그러나 셀 내의 모든 단말기가 원활하게 통신하기 위해서 우선적으로 RS에 충분한 전력을 할당하여야 한다.