통신 시스템에서 제어 심볼 및 데이터 심볼 송/수신 장치 및 방법 document_id A220623071039

최근 이동 통신 시스템에서는 유무선 채널에서 고속 데이터 전송에 유용한 방식으로 직교 주파수 분할 다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 "OFDM"이라 칭하기로 한다)방식이 활발하게 연구되고 있다. 상기 OFDM 방식은 멀티-캐리어(Multi-Carrier)를 사용하여 데이터를 전송하는 방식으로서, 직렬로 입력되는 심벌(Symbol)열을 병렬 변환하여 이들 각각을 상호 직교성을 갖는 다수의 서브 캐리어(sub-carrier)들, 즉 다수의 서브 캐리어 채널(sub-carrier channel)들로 변조하여 전송하는 멀티캐리어 변조(MCM : Multi Carrier Modulation)방식의 일종이다. 상기 OFDM을 기본적인 전송 방식으로 취하면서 상기 복수의 서브 캐리어들을 통해 여러 사용자를 구분하는 시스템, 다시 말해 서로 다른 사용자에게 서로 다른 서브 캐리어를 할당하는 방식으로 여러 사용자를 지원하는 시스템을 통상 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiplex Access, 이하 "OFDMA"이라 칭하기로 한다)방식이라 칭한다. HARQ는 패킷 기반 이동 통신 시스템에서 데이터 전송의 신뢰도 및 데이터 수율(throughput)을 높이는데 사용되는 중요한 기술 중의 하나이다. 상기 HARQ는 ARQ(Automatic Repeat Request)와 FEC(Forward Error Correction)을 합친 기술을 말한다. 상기 ARQ는 유무선 데이터 통신 시스템에서 널리 사용되고 있는 기술로써 데이터 송신기는 소정의 방식에 따라 전송되는 데이터 패킷들에 일련 번호를 부여하여 전송하고, 데이터 수신기는 상기 일련 번호를 이용하여 수신된 패킷 중 유실된 번호에 상응하는 패킷을 송신기에게 재전송할 것을 요청함으로써 신뢰성 있는 데이터 전송을 달성하는 기술을 말한다. 상기 FEC는 길쌈 부호화 또는 터보 부호화 등과 같이 전송되는 데이터에 소정 규칙에 따라 리던던트 비트를 추가하여 전송함으로써 데이터 송수신 과정에서 발생하는 잡음(noise)이나 페이딩(Fading)등의 환경에서 발생하는 오류를 극복하여 원래 전송된 데이터를 복조해내는 기술을 말한다. 상기 두 기술, 즉 ARQ 및 FEC를 결합한 HARQ를 사용하는 시스템에서는 데이터 수신기가 수신된 데이터에 대해 소정의 FEC 역과정을 거쳐 복호된 데이터에 대해 CRC(Cyclic Redundancy Check)검사를 통해 오류 여부를 판단한다. 만일 오류가 없는 경우, 송신기로 ACK(Acknowledgement)을 피드백함으로써 송신기가 다음 데이터 패킷을 전송하도록 한다. 그러나, 데이터에 오류가 있는 경우, 송신기로 NACK(Non-Acknowledgement)을 피드백함으로써 이전 전송된 패킷을 재전송하도록 한다. 수신기는 재전송된 패킷을 이전 전송된 패킷과 컴바이닝함으로써 에너지 이득을 얻으므로, 컴바이닝 과정이 없는 종래의 ARQ와 비교할 때 훨씬 더 개선된 성능을 얻게 된다. 도 1은 상술한 HARQ 방식을 설명하기 위한 도면으로, 가로 축은 시간 축을 나타내고, 데이터 채널은 상기 데이터 패킷이 전송되는 채널을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 초기 패킷 데이터(101)전송에 따라, 이를 수신한 수신기는 초기 전송 패킷(101)에 대해 복조를 시도하여, 복조 과정에서 상기 데이터 채널(101)에 대한 수신 오류 여부를 판단한다. 상기 데이터 전송에 대한 복조가 성공적으로 이루어지지 않았다고 판단되면, 수신기는 NACK(102)을 데이터 송신기에게 피드백한다. 상기 오류 여부 판단은 CRC 검사 등을 통하여 이루어질 수 있다. 상기 NACK(102)을 수신한 데이터 송신기는 상기 초기 전송(101)에 대한 패킷 데이터 재전송(103)을 수행한다. 여기서, 동일한 정보를 전송한다 할지라도 리던던시(redundancy)는 서로 다른 코드 심볼(coded symbols)이 될 수 있다. 상기에서 동일한 데이터 패킷을 전송하는 각 데이터 전송들(101, 103, 105)을 서브 패킷이라 한다. 상기 첫 번째 데이터 재전송(103)을 수신한 데이터 수신기는 첫 번째 데이터 재전송(103)에 대해 상기 수신한 초기 전송 데이터(101)와 소정의 규칙에 의해 컴바이닝을 수행하고, 상기 컴바이닝된 결과를 통해 데이터 채널의 복조를 시도한다. 그런데, 상기 데이터 채널에 대한 CRC를 통하여 상기 데이터 전송에 대한 복조가 실패한 것으로 판단되면, 수신기는 NACK(104)을 데이터 송신기에게 다시 피드백한다. 상기 NACK(104)을 수신한 데이터 채널 송신기는 상기 첫 번째 재전송(103)시점으로부터 일정 시간 경과 후에, 두 번째 패킷 데이터 재전송(105)을 수행한다. 즉, 상기 초기 패킷 전송(101) 및 첫 번째 패킷 재전송(103), 그리고, 상기 두 번째 패킷 재전송(105)의 데이터 채널은 모두 동일한 정보를 전송하는 것이다. 상기 두 번째 재전송(105)데이터를 수신한 수신기는 초기 전송(101), 첫 번째 재전송(103), 그리고 세 번째 재전송(105)을 모두 소정의 규칙에 의해 컴바이닝을 수행하고, 데이터 채널의 복조를 수행한다. 상기 데이터 채널에 대한 CRC를 통하여 상기 데이터 전송 복조가 성공한 것으로 판단되면, 상기 데이터 수신기는 ACK(106)을 데이터 송신기에게 피드백한다. 상기 ACK(106)을 수신한 데이터 송신기는 다음 데이터 정보, 즉, 두 번째 데이터 패킷에 대한 초기 전송 서브 패킷(107)을 제어 채널과 함께 전송한다. 다음은 상기 HARQ 동작을 위해 서브 패킷을 구성하는 방법에 대해 살펴보자. 상기 서브 패킷 구성은 주어진 데이터 패킷을 소정의 절차에 의해 부호화한 후, 상기 부호화 심볼들 중에서 일부 또는 전체 부호화 심볼들을 선택하여 각 서브 패킷을 구성하는 것을 가리킨다. 상기 서브 패킷 구성 방법에는 다양한 방법이 있을 수 있지만, 여기는 순환 버퍼(circular buffer)에 기반한 서브 패킷 구성 방법을 예로 들어 설명하기로 한다. 도 2는 상기 순환 버퍼(circular buffer)에 기반한 서브 패킷 구성의 예를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 하나의 코드 블록(201)은 주어진 시점에서 전송하고자 하는 하나의 패킷 데이터를 가리킨다. 상기 코드 블록(201)은 소정의 터보 부호화기(202)에 입력되며, 상기 터보 부호화기(202)는 상기 S(203), P1(204), P2(205)의 소정의 부호화 심볼들을 출력한다. 상기 S(203), P1(204), P2(205)은 각각 시스테메틱 비트(systematic bits), 패리티 비트 1(parity bits 1), 패리티 비트 2(parity bits 2)를 가리킨다. 상기 S, P1, P2는 서브 블록 인터리버(206, 207, 208)를 거쳐 최종 인터리빙된 심볼들(209, 210)로 결정된다. 상기 도 2에서 도시한 바와 같이 인터리빙된 심볼들(209, 210)을 순환 버퍼(circular buffer)라고 칭한 이유는 HARQ 동작시 각 서브 패킷에 대한 심볼의 구성은 상기 순환 버퍼(circular buffer)상에서 연속적인 심볼들을 선택함으로써 이루어지고, 특정 서브 패킷에서 보낼 심볼들이 상기 순환 버퍼(circular buffer)를 넘어갈 경우 상기 순환 버퍼(circular buffer)의 시작점에서 다시 심볼들을 선택하는 방식을 취하기 때문이다. 이를 도 2를 참조하여 설명하면, 참조 부호 211은 초기 전송 패킷에 대한 심볼 구성을 나타내며, 참조 부호 212는 첫 번째 재전송에 대한 심볼 구성을 나타내며, 참조 부호 213은 두 번째 재전송 패킷에 대한 심볼 구성을 나타낸다. 상기 도 2에서 나타난 서브 패킷 구성 방법은 도 2의 211 ~ 213에서 도시한 바와 같이 서브 패킷 간에 서로 연속적이지 않은 심볼들로 구성될 수도 있지만, 이는 특정 예일 뿐, 서브 패킷 간에 서로 연속적인 심볼들로 구성될 수도 있다. 다음은 상기와 같이 구성되는 서브 패킷들, 즉 각 서브 패킷에 해당하는 부호화 심볼들이 어떻게 서브 캐리어들에 매핑되는지에 대해 상세히 알아보기로 하자. 도 3은 통상의 OFDMA 시스템의 하향 링크에서 데이터 전송의 시간 구간(TTI: Transmission Time Interval)을 정의할 때, 기본 단위로 사용되는 하나의 서브 프레임에서 파일럿, 제어 정보, 데이터 전송 등에 구체적으로 자원이 할당되는 예를 도시한 도면이다. 도 3에서 가로 축은 주파수 축, 세로 축은 시간 축을 나타낸다. 가장 작은 사각형은 하나의 OFDM 심볼에 해당하는 하나의 부반송파를 나타내며, 상기 사각형은 편의상 RE(Resource element)라 칭하기도 한다. 상기 도 3에서는 편의상 주파수 축에서 36개의 부반송파만이 있는 경우를 예를 들고 있으나, 실제 시스템은 이보다 많은 부반송파들이 존재할 수 있다. 상기에서 T1으로 표시되는 격자들은 송신 안테나 1번에 대한 파일럿(Reference signal 이라 칭하기도 함)심볼들이 전송되는 RE를 나타내며, T2로 표시되는 격자들은 송신 안테나 2 번에 대한 파일럿 심볼들이 전송되는 RE를 나타내며, T3로 표시되는 격자들은 송신 안테나 3 번에 대한 파일럿 심볼들이 전송되는 RE를 나타내며, T4으로 표시되는 격자들은 송신 안테나 4 번에 대한 파일럿 심볼들이 전송되는 RE를 나타낸다. 자원 블록(Resource Block)(302)은 자원 할당의 단위로써 하나의 자원 블록은 주파수 축에서 12 개의 서브 캐리어, 시간 축에서 14개의 OFDM 심볼들(301)로 구성된다. 도 3은 총 36 개의 서브 캐리어들로 구성되기 때문에 세 개의 자원 블록이 존재한다. 도 3에서 참조부호 303에 포함되는 격자들은 제어 정보를 전송하는 데 사용되는 RE들을 나타낸다. 여기서는 이를 편의상 제어 채널 영역이라 칭하기로 한다. OFDMA시스템에서 통상적인 제어 정보로는 하향 링크(Downlink)자원 할당 정보, 상향 링크(uplink)자원 할당 정보, 상향 링크 전력 제어 정보 등이 있으며, 상기 상세 제어 정보는 시스템마다 약간씩 다를 수 있다. 한편, 도 3은 제어 정보를 전송함에 있어 TDM 방식을 사용하는 시스템에서의 매핑도이다. 도 3의 303에서 도시하는 바와 같이 자원 블록들 중에서 가장 앞부분의 N개의 OFDM 심볼을 통해서 제어 정보들이 전송된다. 상기에서 N값은 통상적으로 상기 제어 정보의 양 및 상기 제어 정보 전송에 사용되는 RE의 개수에 따라 달라진다. 도 3은 상기 N 값이 3인 경우를 도시하고 있으나, 이는 매 서브 프레임마다 바뀔 수 있으며, N 값에 대한 정보는 매 서브 프레임마다 상기 제어 채널 영역을 통해서 전송된다. 상기와 같은 제어 정보 전송을 위한 제어 채널 영역의 구성과 함께, 상기 도 3에 도시된 세 개의 자원 블록들은 소정의 스케줄링을 통해 단말들에게 할당된다. 예를 들면, 상기 세 개의 자원 블록 중에서 블록 1은 단말 1에 할당하고, 자원 블록 2는 단말 2에 할당하고, 자원 블록 3은 단말 3에 할당하는 등의 방식을 통해 자원을 할당한다. 상기 자원 블록 할당은 매 서브 프레임마다 바뀔 수 있으며, 상기 자원 블록 할당 정보는 상기에서 언급한 제어 정보 중의 하나로써 상기 제어 채널 영역을 통해 매 서브 프레임마다 전송된다. 실제로 부호화 심볼이 RE들에 실리기 전에 변조 과정(QPSK, 16 QAM 등)을 거치는 것이 일반적이며, 이 경우 데이터 부호화 심볼이 자원에 매핑된다라고 설명하는 것 보다는 데이터 변조 심볼이 자원에 매핑된다라고 설명하는 것이 옳을 수 있으나, 여기에서 편의상 부호화 심볼이 자원에 매핑 혹은 실린다라고 설명하기로 한다. 하지만, 이는 데이터 변조 심볼이 자원에 매핑되는 경우에도 동일하게 적용될 수 있음은 자명한 사실이다. 도 3을 통해 상기 매핑 과정을 보다 상세히 살펴보기로 한다. 참조 부호 304로 지시되는 숫자들은 설명의 편의를 위해 하나의 서브 프레임내의 14 개의 OFDM심볼들 각각을 지시한다. 도 3에서 제어 채널 영역은 1, 2, 3의 OFDM 심볼들로 구성되며, 자원 블록 1을 할당받은 경우에 상기 자원 블록 내에서 4번 OFDM 심볼들부터 데이터 심볼들이 전송된다. 우선, 제어 심볼에 해당하는 심볼들 중 왼쪽부터 가장 앞 부분에 해당하는 12 개의 심볼, 편의상 1 ~ 12 번 심볼, 데이터 심볼이 4 번 OFDM 심볼에서 상기 1 번 자원 블록에 해당하는 12 개의 서브 캐리어에 실린다. 이 때, 상기 하나의 OFDM 심볼 내에서 실리는 순서는 다양하게 정의될 수 있으나, 본 문서에서는 편의상 서브 캐리어 순서대로 차례로 실린다라고 가정하자. 다음으로 5번 OFDM 심볼에는 파일럿 전송에 사용되는 서브 캐리어를 제외하면 8개의 서브 캐리어가 데이터 전송에 가용하므로, 상기 206에 해당하는 심볼들 중에서 다음 8개의 심볼, 즉 13 ~ 20번 심볼이 상기 5번 OFDM 심볼에 순서대로 실린다. 다음으로 6번 OFDM 심볼에는 12개의 서브 캐리어가 데이터 전송에 가용하므로, 상기 206에 해당하는 심볼들 중에서 다음 12개의 심볼, 즉 21 ~ 32번 심볼이 상기 6번 OFDM 심볼에 순서대로 실린다. 상기와 같은 과정으로 상기 206에 해당하는 심볼들이 1번 자원 블록 내에 가용한 모든 RE 들에 차례로 실리어 전송되는 것이다.