직교 주파수 분할 다중 방식을 사용하는 통신 시스템에서자원 배치 장치 및 방법 document_id A220623048454

최근 이동 통신 시스템에서는 유무선 채널에서 고속의 데이터 전송에 유용한 방식으로 직교 주파수 분할 다중 방식에 대하여 활발하게 연구되고 있다. 상기 OFDM 방식은 멀티-캐리어(multi-carrier)를 사용하여 데이터를 전송하는 방식으로서, 직렬로 입력되는 심볼열을 병렬 변환하여 이들 각각을 상호 직교성을 갖는 다수의 주파수 톤(frequency tone)들, 즉 다수의 서브 캐리어 채널(sub-carrier channel)들로 변조하여 전송하는 멀 티캐리어 변조(MCM : multi-carrier modulation) 방식의 일종이다. 이와 같은 멀티캐리어 변조 방식을 적용하는 시스템은 1950년대 후반 군용 고주파 라디오에 처음 적용되었으며, 다수의 직교하는 서브 캐리어를 중첩시키는 OFDM 방식은 1970년대부터 발전하기 시작하였으나, 멀티 캐리어들간의 직교 변조의 구현이 난이한 문제였었기 때문에 실제 시스템 적용에 한계가 있었다. 그러나 1971년 Weinstein 등이 상기 OFDM 방식을 사용하는 변복조는 DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용하여 효율적으로 처리가 가능함을 발표하면서 OFDM 방식에 대한 기술 개발이 급속히 발전했다. 또한 보호구간(guard interval)을 사용하고, 보호구간에 순환 전치 심볼(Cyclic Prefix, 이하 "CP")의 삽입 방식이 알려지면서 다중경로 및 지연 확산(delay spread)에 대한 시스템의 부정적 영향을 더욱 감소시키게 되었다. 이러한 기술적 발전에 힘입어 OFDM 방식의 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 적용되어지고 있다. 즉, OFDM 방식은 하드웨어적인 복잡도 (complexity)로 인하여 널리 사용되지 못하다가 최근 고속 퓨리에 변환(FFT : fast Fourier transform)과 역고속 퓨리에 변환(IFFT : inverse fast Fourier transform)을 포함한 각종 디지털 신호 처리 기술이 발전함으로써 상용화되었다. 상기 OFDM 방식은 종래의 주파수 분할 다중(FDM : frequency division multiplexing) 방식과 비슷하나 무엇보다도 다수 개의 톤간의 직교성(orthogonality)을 유지하여 전송함으로써 고속 데이터 전송시 최적의 전송 효율을 얻을 수 있는 특징을 가진다. 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 있다는 특징을 가진다. OFDM 방식의 또 다른 장점은 주파수 스펙트럼을 중첩하여 사용하므로 주파수 사용이 효율적이고, 주파수 선택적 페이딩(frequency selective fading)에 강하고, 다중 경로 페이딩에 강하며, 보호구간을 이용하여 심벌간 간섭(ISI : inter symbol interference)의 영향을 줄일 수 있고, 하드웨어적으로 등화기(equalizer) 구조를 간단하게 설계하는 것이 가능하며, 임펄스(impulse)성 잡음에 강하다는 장점을 가지고 있어서 통신 시스템 구조에 적극 활용되고 있는 추세에 있다. 무선 통신에서 고속, 고품질의 데이터 서비스를 저해하는 요인은 대체적으로 채널 환경에 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 요인을 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 톤을 지정하면 하나의 최소 단위 자원을 가리킬 수 있는데, 이를 주파수-시간 자원(bin)이라고 칭한다. 서로 다른 주파수-시간 bin은 서로 직교하므로, 서로 다른 주파수-시간 bin으로 전송된 신호는 서로 간섭을 일으키지 않고 수신될 수 있다. 물리 채널은 하나 또는 그 이상의 부호화된 비트열을 변조한 변조 심볼을 전송하는 물리 계층의 채널이다. 직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 "OFDMA") 시스템에서는 송신하는 정보열의 용도나 수신기에 따라 복수의 물리 채널을 구성하여 전송한다. 하나의 물리 채널을 어떤 주파수-시간 bin에 배치하여 전송할 것인가를 송신기와 수신기가 미리 약속하여야 하는데 그 규칙을 매핑(mapping)이라고 한다. 특정 물리 채널의 운용 특성에 따라 매핑 방법을 달리할 수 있는데, 송신기가 수신 채널의 상태를 인지하고 있는 상태에서 시스템의 전송 효율을 높이기 위해서 스케줄러를 사용하여 물리 채널을 매핑하는 경우에는 채널 상태가 유사한 주파수-시간 bin의 집합에 하나의 물리 채널을 배치한다. 또한 송신기가 수신 채널의 상태를 인지하지 못하는 상태에서 수신 오율을 낮추기 위한 목적으로 물리 채널을 매핑하는 경우에는 채널 상태가 매우 다를 것으로 예측되는 주파수-시간 bin의 집합에 하나의 물리 채널을 배치하는 것이 바람직하다. 전자의 방식은 주로 지연시간에 민감하지 않은 한 사용자를 위한 데이터를 전송하는 경우에 적합하고, 후자의 방식은 주로 지연시간에 민감한 한 사용자를 위한 데이터나 제어 정보, 또는 복수 사용자에게 전달하는 데이터나 제어 정보를 전송하는 경우에 적합하다. 후자의 방식과 같이 채널 상태가 다른 자원을 사용하는 것은 다이버티시 이득을 얻기 위한 것으로, 한 OFDM 심볼 내에서는 주파수축 상에서 최대한 떨어진 서브 캐리어에 매핑하면 주파수 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 셀룰라 방식의 OFDMA 시스템에서는 셀간의 간섭이 통신 성능을 좌우하는 또 하나의 요소가 된다. 셀간의 간섭을 줄이기 위해서는 물리 채널의 매핑을 셀간에 직교하도록 설계하는 것이 바람직하다. 그러나 직교성을 전제로 매핑 규칙을 정하다 보면 주어진 대역폭 내에서 직교하는 물리 채널의 수가 제한되게 된다. 이는 직교성이 보장되는 셀의 수가 제한되는 것을 의미하므로, 직교성이 보장된 셀 집합에 속하지 않는 셀로부터의 간섭은 오히려 증가하게 된다. 이를 해결하기 위해서는 셀 간의 간섭을 줄이면서 직교하는 물리 채널의 수를 증가시키는 방법이 요구된다. 도 1은 주파수 다이버시티 이득을 얻기 위해 주파수 축 상에서 등간격으로 배치한 물리 채널을 도시한 도면이다. 도 1에 도시한 참조번호들(101, 103, 105)은 하나의 물리 채널을 구성하는 자원으로 각각은 하나의 서브캐리어 또는 인접한 복수 개의 서브캐리어의 집합이다. 참조번호들(101, 103, 105)는 등간격으로 d만큼 떨어지도록 배치되어 있다. 여기서 간격 d는 자원의 개수이다. 하나의 자원이 인접한 n개의 서브캐리어의 집합이라면 참조번호 101과 참조번호 103 사이에는 참조번호 101을 포함하여 nd개의 서브캐리어가 존재한다. 데이터 전송 시에 주파수 다이버시티 이득을 최대한 얻기 위해서는 전 대역폭에 걸친 채널 응답을 겪을 수 있도록 설계해야 한다. 자원간 간격을 최대한 넓히면서 서로 다른 물리 채널들이 동일한 주파수 이득을 얻게 하기 위해서는 등간격 배치가 가장 바람직하다. 도 1의 예에서 등간격 배치로 만들어낼 수 있는 동일한 크기의 물리 채널의 수는 d이다. 셀간 간섭을 줄이기 위해 도 1과 같은 채널 매핑을 채용했다면 d개의 셀에 직교하는 패턴을 할당할 수 있다. 그러나 그 이상의 셀에서는 자원이 100% 충돌하는 경우가 발생한다. 따라서 d가 충분히 크지 못한 상황이라면 등간격 채널 배치 방법은 셀간 간섭을 오히려 증가시키는 악영향을 끼칠 수 있다. 도 2는 상기 등간격 채널 배치 방법의 단점을 해결하기 위해 사용되는 지역기반 채널 배치(zone-based 매핑) 방법을 도시한 도면이다. 우선 사용하는 전체 대역을 지역(zone)으로 분할된다. 참조부호 201, 203, 205는 각각 zone 1, zone 2, zone M이라는 지역을 의미하며, 각 지역에는 복수개의 자원이 정의되어 있다. 각 지역에서 하나의 자원이 선택되어 물리 채널의 변조 심볼이 배치된다. 참조부호 211, 213, 215는 각각 zone 1(201), zone 2(203), zone M(205)에서 선택된 자원으로 여기에 하나의 물리 채널이 배치된다. 지역 기반(Zone-based) 매핑은 주파수 다이버시티 이득을 최대한 얻게 하는 방법은 아니다. 왜냐하면 인접 지역에서 선택된 자원의 간격이 작을 경우 여기서 얻는 주파수 다이버시티 이득이 줄어들기 때문이다. 그러나 zone의 수가 충분히 많다면 주파수 다이버시티 이득이 줄어드는 효과를 상쇄시킬 수 있다. 다이버시티 이득은 다이버시티 계수(diversity order)에 비례하는데 다이버시티 계수는 상관도가 없는 채널응답의 개수로 결정된다. 그렇다고 다이버시티 이득이 다이버시티 계수와 선형 비례하는 것은 아니다. 다이버시티 계수가 늘어날수록 추가적으로 얻는 다이버시티 이득은 줄어드는 특성이 있다. 지역 기반 매핑에 의해 배치된 물리 채널의 다이버시티 계수는 지역(zone)의 개수와 비례한다. 따라서 zone의 수가 충분히 많다면 zone-based 매핑에 의해 얻는 다이버시티 이득은 등간격 채널 배치 방법에 의해 얻는 다이버시티 이득과 차이를 보이지 않게 된다. Zone-based 매핑을 통해 얻을 수 있는 물리 채널 배치하는 경우의 수는 등간격 채널 배치 방법에 비해 증가한다. 따라서 셀간 배치에 있어 자원이 100% 충돌하는 확률을 대폭 줄일 수 있다. 등간격 채널 배치 방법에서는 최소한 직교 패턴을 사용하는 셀간에는 간섭이 발생하지 않지만 직교 패턴을 사용하지 못하는 셀간에는 자원의 100% 충돌에 의해 셀간 간섭이 증가하게 된다. 즉 등간격 채널 배치 방법에서 패턴간 자원 충돌은 0% 아니면 100%이다. 그러나 zone-based 매핑 방법에서는 자원의 100% 출동일 일어나지 않는 패턴의 수를 증가시켰지만 패턴간에는 부분 자원 출동이 발생하게 된다. 도 3은 셀룰라 이동통신 방식에서 셀(cell)과 섹터(sector)의 개념 설명을 위한 도면이다. 일반적으로 셀은 하나의 기지국이 담당하는 영역으로 도 3에서 참조부호 300, 310, 320, 330이 이에 해당한다. 또한 셀룰라 이동통신 시스템에서는 효율을 높이기 위해서 공간적으로는 한 곳에 위치한 기지국이 복수개의 기지국 역할을 수행할 수 있도록 서로 다른 송수신기를 구비하게 되는데 이러한 송수신기가 담당하는 영역을 섹터라고 한다. 섹터는 동일 셀 내에서 섹터간의 간섭을 줄이기 위해 지향성 안테나를 사용한다. 일반적으로 셀룰라 이동통신 방식에는 도 3과 같은 3 섹터 구조가 고려된다. 하나의 셀은 3개의 섹터로 구성되어 있다. 예를 들어 셀 300은 참조부호 301, 302, 303의 섹터를 포함하고 있다. 섹터는 공간적으로 인접하고 지향성 안테나에 의한 격리 특성에는 한계가 있기 때문에, 서로 다른 셀간의 간섭에 비해 동일 셀 내의 섹터간 간섭이 높다. 따라서 섹터간 간섭을 우선 낮출 수 있는 방법이 요구된다. 이러한 설계 목적을 반영한 것 중 하나가 3GPP의 LTE(Long Term Evolution) 시스템에서 정의하는 기준 신호(Reference Signal, 이하 "RS")이다. 도 4는 LTE 시스템에서 정의하는 하향링크 RS 배치를 도시한 도면이다. 도 4의 상단의 자원 배치도(400)는 하나의 셀에서 사용하는 RS 배치를 도시한 것이고, 하단의 자원 배치도(450)는 다른 셀에서 사용하는 RS 배치를 도시한 것이다. 참조부호 400에서 정의된 401, 402, 403, 411, 412, 421, 422, 423, 431, 432과 참조부호 450에서 정의된 451, 452, 461, 463, 471, 472, 481, 482, 483 등의 주파수-시간 bin은 RS가 전송되는 것이다. 도 4에서 도시된 바와 같이 서로 다른 셀은 서로 다른 RS 배치를 사용한다. 한편 섹터간에는 직교성이 유지되도록 설계된 심볼열을 RS로 전송한다. 참조부호 433은 401, 402, 411의 RS 집합을 나타낸 것인데 동일 셀 내 다른 섹터가 사용하는 이들 3 RS 심볼을 내적하면 0이 되도록 설계되어 있다. 이는 한 섹터에서 채널을 추정하기 위해 전송 RS를 내적하면 해당 섹터의 채널 응답이 계산되고 다른 섹터로부터의 채널 응답은 제거되도록 하기 위함이다. 이러한 직교 특성은 401, 402, 403으로 구성된 441의 내적에도 적용되고 411, 421, 422로 구성된 443에도 적용된다. 즉 주파수축 상의 인접한 3개 RS나 주파수-시간축 상의 인접한 3개 RS는 섹터간에 직교하도록 심볼열이 RS 심볼열로 사용되도록 설계되어 있다. 한편 참조부호 400과 참조부호 450에서 사용하는 RS가 서로 다른 주파수-시간 bin을 사용하므로 마찬가지로 셀간 직교 특성을 이용하는 것이라 판단할 수 있으나 RS 이외의 주파수-시간 bin으로는 다른 채널의 변조 심볼열이 전송되기 때문에 다른 셀의 RS로부터의 간섭은 없으나 다른 셀의 다른 채널로부터의 간섭이 발생하게 된다. 이와 같은 LTE 시스템에서의 하향링크 RS 설계는 동일 셀 내 섹터간 간섭을 완벽히 제거하되 셀 간 간섭은 일부 허용하는 특성을 갖는다. 즉 셀간 간섭보다 섹터간 간섭을 보다 감안한 예라고 할 수 있다. 그러나, 현재 LTE 시스템에서 설계되어 있는 간섭 제거 방법은 효율적인 방법이라 보기 어렵다. 또한 셀 계획에서 사용할 수 있는 배치 패턴에 대하여 제안되어 있지 않다는 문제가 있다.