KR101000794B1

KR101000794B1 - 무선 통신 시스템에서 동기화 방법

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Publication number: KR101000794B1
Application number: KR1020080085376A
Authority: KR
Inventors: 박경원; 전원기; 백종호; 이석필; 조용수; 박창환; 고요한; 장은석
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-12-13
Also published as: KR20100026390A; US20100054233A1

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 동기화 방법은 제1 상호 레인징 심볼을 적어도 하나의 다른 단말에게 전송하는 단계, 제2 상호 레인징 심볼을 상기 적어도 하나의 다른 단말로부터 수신하는 단계, 및 상기 제2 상호 레인징 심볼로부터 상향링크 동기 정보를 조정하는 단계를 포함한다.

상·하향링크의 자원 할당이 유연한 장점이 있다.

상향링크, 하향링크, 상호 레인징, 순환 서픽스, 순환 프리픽스, 데이터 전송

Description

무선 통신 시스템에서 동기화 방법{Method for synchronizing in wireless communication system}

본 발명은 무선 통신에 관한 것으로, 특히 무선 통신 시스템에서 동기화 방법에 관한 것이다.

최근 들어 인터넷과 노트북 및 휴대용 이동 통신 기기들이 보편화 되면서 사용자들은 사무실, 상가, 가정 등과 같이 일정 공간 또는 건물로 한정된 옥내 또는 옥외 환경에서 이동성과 원격성을 요구하고 있다. 옥내 무선 통신 분야는 무선랜 기술을 중심으로 발전하였다. 무선랜 기술은 IEEE 802.11로 무선랜 기술을 표준화함으로써 급격한 발전을 이루었다. IEEE 802.11 이외에도 근거기 무선 통신 기술로 ETSI HIPERLAN/2와 HomeRF, 블루투스(Bluetooth)등이 개발되었다.

이러한 무선 통신에서 상향링크 및 하향링크 등을 구분하여 결국 양방향 통신이 가능하도록 하는 것을 이중화라 한다. 종래 이중화 방식으로는 주파수 분할 이중화(Frequency Division Duplexing;FDD)와 시간 분할 이중화(Time Division Duplexing;TDD), 지퍼(Zipper) 등이 있다.

FDD 방식은 상향링크(up-link:UL)와 하향링크(down-link:DL)를 주파수 대역 으로 구분하여 전송하는 방식으로, 한 프레임 내에서 FDD 방식의 자원량(the mount of resource)을 나타내면 다음 수학식 1과 같다.

여기서,C_FDD는 FDD 방식의 자원량을 나타내며, BW는 사용하는 전체 대역, F_Guard는 보호 대역, T_Frame은 전체 프레임 길이, N_Sym은 한 프레임에서의 OFDM 심볼수, T_CP는 순환 프리픽스(cyclic prefix: CP) 길이를 나타낸다. FDD 방식은 셀 반경이 크고 고속의 단말을 지원하는 시스템에 적합하다. 그러나 상향링크와 하향링크 주파수 대역의 구분을 위해 보호대역(guard band)이 필요하고, 두 개의 RF 단이 필요하다는 단점이 있다. 그리고 상·하향링크의 대역 크기와 RF 단이 정해져 있기 때문에 상·하향링크의 트래픽(traffic) 변화에 적응적 대처가 어려운 단점이 있다.

TDD 방식은 상향링크와 하향링크가 같은 주파수 대역을 사용하면서 서로 다른 시간에 상향링크와 하향링크 전송이 이루어지는 이중화 방식으로, 한 프레임 내에서 TDD 방식의 자원량을 나타내면 다음 수학식 2와 같다.

여기서, C_TDD는 TDD 방식의 자원량이고, BW는 사용하는 전체 대역, T_Frame은 전체 프레임 길이, N_Sym은 한 프레임에서의 OFDM 심볼수, T_CP는 CP 길이, T_TTG와 T_RTG는 상·하향링크간 보호 시간을 나타낸다. TDD 방식은 별도의 RF단 변화없이 제어 신호의 변화만으로 상·하향링크의 트래픽 변화에 적응적 대처가 용이하다. 상·하향링크 신호가 동일한 대역에서 전송되기 때문에 상·하향링크 채널의 대칭성(symmetric)을 갖는다. 따라서 기지국은 상향링크 신호에서 추정한 채널 정보를 하향링크 전송 시 이용할 수 있고, 단말은 하향링크 신호에서 추정한 채널 정보를 상향링크 전송 시 이용할 수 있다. 하지만 TDD 방식은 상·하향링크의 구분을 위해 보호시간(guard time)이 필요하고, 셀 반경이 커지게 되면 전파지연이 길어지기 때문에 더 긴 보호시간이 필요하다. 그리고 프레임의 길이가 길어지면 하향링크 전송 후 다음 상향링크 전송시까지 이중화 지연(duplexing delay)이 발생한다. 이러한 이중화 지연은 제어 채널 및 응답 채널의 전송 지연을 초래한다. 또한 프레임의 길이가 길어지면 상·하향링크 간 채널 변화로 인해 상향링크 과정에서 추정한 채널정보를 하향링크 신호 전송에 이용하거나 하향링크 과정에서 추정한 채널정보를 상향링크 신호 전송에 이용하는 경우 성능 열화가 발생한다.

지퍼(Zipper) 방식은 VDSL과 같은 유선 통신에서 사용되는 이중화 방식으로, 한 프레임 내에서 지퍼 방식의 자원량을 나타내면 다음 수학식 3과 같다.

여기서, C_Zipper는 Zipper 방식의 자원량이고, BW는 사용하는 전체 대역, T_Frame은 전체 프레임 길이, N_Sym은 한 프레임에서의 OFDM 심볼수, T_CP는 CP 길이, T_CS는 순환 서 픽스(cyclic suffix: CS)의 길이를 나타낸다. 지퍼 방식은 보호 대역이 필요하지 않고, 상·하향링크 자원을 OFDM의 부반송파 단위로 할당하기 때문에 상·하향링크의 트래픽 변화에 적응적 대처가 용이하다. 하지만, 유선에서 RFI(radio frequency interference)가 발생하여 다른 사용자의 신호를 확인하거나 제어할 수 없다. 유선에서 RFI는 커플링(coupling)으로 인한 인접 사용자 간섭인 NEXT(Near End CrossTalk)와 FEXT(Far End CrossTalk)의 형태로 발생한다. 이러한 간섭(crosstalk) 문제는 ISI와 ICI을 발생시켜 상·하향링크 신호의 직교성을 파괴한다. 따라서, 지퍼 방식에서는 별도의 보호구간인 순환 서픽스(cyclic suffix)를 사용하여 신호의 직교성을 유지한다. 이때 다른 사용자의 신호에 대한 제어 및 검출이 되지 않기 때문에 가장 긴 회선 길이를 고려하여 순환 서픽스를 사용해야한다. 지퍼에서 순환 서픽스의 사용은 자원 효율이 저하되는 단점이 있다. 하드웨어 측면에서도 2개의 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform:FFT)을 사용하기 때문에 TDD 방식에 비해 더 많은 비용이 드는 단점이 있다. 따라서, 상·하향링크 자원 할당의 유연성이 높고, ISI와 ICI 없이 자원 효율을 높은 이중화된 동기식 데이터 전송방식이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상·하향링크 자원 할당의 유연성이 높고, ISI와 ICI 없이 자원 효율을 높은 동기화 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면 제1 상호 레인징 심볼을 적어도 하나의 다른 단말에게 전송하는 단계, 제2 상호 레인징 심볼을 상기 적어도 하나의 다른 단말로부터 수신하는 단계, 및 상기 제2 상호 레인징 심볼로부터 상향링크 동기 정보를 조정하는 단계를 포함하는 동기화 방법을 제공한다. 상기 동기화 방법은 상기 조정된 상향링크 동기 정보로부터 데이터 전송을 위한 OFDM 심볼에 순환 서픽스(cyclic suffix: CS) 삽입 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면 단말과 초기 레인징을 수행하여 상향링크 동기를 맞추는 단계, 상기 단말로부터 상향링크 데이터를 수신하는 단계를 포함하되, 상기 상향링크 데이터는 셀내 단말들간에 상호 레인징 심벌을 교환하여 조정된 상향링크 동기 정보를 통해 전송되는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법을 제공한다.

상·하향링크 신호를 동시에 송·수신하기 때문에 이중화 지연이 없고 상·하향링크의 자원 할당이 유연하기 때문에 상·하향링크의 데이터 트래픽 변화에 유연하게 대처할 수 있다. 또한, ISI와 ICI 없이 자원 효율이 높은 장점이 있다.

종래 FDD 방식과 비교하여 보호 대역을 이용하지 않고, 상·하향링크의 신호를 동시에 전송 가능하며, OFDMA 심볼의 부반송파 별로 상·하향링크 신호를 할당하기 때문에 데이터 트래픽의 변화에 더욱 유연한 대처가 가능하다. TDD 방식과 비교하여서는 TTG와 RTG를 필요로 하지 않는다. 또한, TDD와 비교하여 트래픽 변화에 대해 대처가 유연하다. 본 발명의 실시예는 유선 전송 방식인 지퍼 방식과 달리 무선에서 이용되기 때문에 다른 단말의 신호의 수신 및 제어가 가능하다. 따라서 순환 서픽스 삽입 여부를 판단한 후에 최적의 순환 서픽스 길이를 설정할 수 있어, 지퍼 방식과 비교하여 적은 길이의 순환 서픽스를 이용함으로 인해 더 높은 데이터 효율을 갖는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 무선 통신 시스템의 일례를 간략히 도시한 것이다.

도 1a는 무선 랜 시스템의 기본 서비스 세트를 나타내며, 엑세스 포인트(10-1; Access Point, AP)와 여러 개의 단말(20-1; Subscriber Station, SS)을 포함한다.

AP(10-1)는 자신에게 결합된 STA(Associated Station)을 위하여 무선 매체를 경유하여 분배 시스템(Distribution System, DS)에 대한 접속을 제공하는 기능 개체이다. AP를 포함하는 기본 서비스 세트에서 비AP STA들 사이의 통신은 AP를 경유하여 이루어지는 것이 원칙이나, 다이렉트 링크가 설정된 경우에는 비AP STA들 사이에서도 직접 통신이 가능하다. AP는 엑세스 포인트라는 명칭 외에 집중 제어기, 기지국(Base Station, BS), 노드-B, BTS(Base Transceiver System), 또는 사이트 제어기 등으로 불릴 수도 있다.

단말(20-1)은 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, 비AP STA, 무선 송수신 유닛(Wireless Transmit/Receive Unit, WTRU), SS(Subscriber Station), UT(User Terminal), 사용자 장비(User Equipment, UE), 이동국(Mobile Station, MS), 무선기기(Wireless Device), 휴대용 단말(Mobile Terminal), 또는 이동 가입자 유닛(Mobile Subscriber Unit) 등의 다른 용어로 불릴 수 있다. 도면을 포함한 이하에서 SS는 단말을 의미한다.

도 1b는 무선 오디오 시스템의 기본 세트를 나타내며, AP(10-2)와 여러 개의 단말(20-2)을 포함한다. AP(10-2)는 자신에게 결합된 여러 개의 단말(20-2)을 위하여 무선 매체를 경유하여 분배 시스템(Distribution System, DS)에 대한 접속을 제공한다.

본 발명의 실시예는 상·하향링크의 동시 전송을 위해 상호 시간 정보 및 상호 채널 정보를 추정해야 하기 때문에 상기 도 1(a) 및 도 1(b)와 같은 셀 반경이 작고 적은 수의 사용자가 존재하며 각 사용자의 이동성이 매우 적은 무선 환경에 바람직하게 적용될 수 있다. 이하에서 하향링크(downlink)는 AP(10-1, 10-2)에서 단말(20-1,20-2)로의 통신을 의미하며, 상향링크(uplink)는 단말(20-1,20-2)에서 AP(10-1, 10-2)으로의 통신을 의미한다.

도 2는 본 발명의 실시예에서 주파수 영역과 시간 영역에서의 심볼 구조를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에서는 직교주파수분할다중화접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access: OFDMA) 방식을 사용하며, 시간영역 심볼은 CP(Cyclic Prefix)와 데이터를 포함할 수 있다. 채널 지연 및 상호 시간 지연으로 ISI(inter-symbol interference)와 ICI(inter-carrier interference)가 발생하는 경우에는 시간영역 심볼은 도시된 바와 같이 순환 프리픽스, 데이터 및 CS를 포함할 수 있다. 또한 주파수 영역에서는 OFDMA를 이용하여 AP의 하향링크 신호와 단말의 상향링크 신호를 부반송파 단위로 할당한다. OFDMA 심볼의 각 부반송파는 직교한 성질을 갖기 때문에 각 단말의 상향링크 신호와 AP의 하향링크 신호는 서로 간섭없이 검출이 가능하다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 동기화 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 3를 참조하면, 먼저 각 단말들은 초기 하향링크 동기를 수행한다(S100). 초기 하향링크 동기 단계(S100)는 하향링크 프레임 검출(S100-1)과 하향링크 시간 /주파수 동기(S100-2)를 포함한다. 하향링크 프레임 검출(S100-1) 단계에서는 각 단말에서 프리앰블(preamble)이나 훈련 시퀀스(training sequence)을 이용하여 자기 상관(auto-correlation) 또는 상호 상관(cross-correlation)을 이용하여 하향링크 프레임 검출을 수행한다. 그런 다음, 하향링크 시간/주파수 동기(S100-2) 단계에서는 하향링크 시간 동기 및 하향링크 주파수 동기를 수행한다.

다음으로, 각 단말들은 초기 레인징을 수행한다(S200). 구체적으로 AP와 단말간 상향링크 시간 동기 및 상향링크 주파수 동기를 수행하여 AP와 각 단말간의 시간 동기 정보 및 채널 정보를 추정한다. 각 단말들은 초기 레인징 심볼을 전송하여 AP와 단말간 상향링크 시간 동기 및 상향링크 주파수 동기를 수행한다. 초기 레인징 심볼로는 순환 프리픽스와 프리앰블 시퀀스(preamble sequence)를 포함하는 OFDMA 심볼과 프리앰블 시퀀스와 CS(Cyclic suffix)를 포함하는 OFDMA 심볼인 두 개의 OFDMA 심볼을 사용하거나, CP, 프리앰블 시퀀스 및 CS를 포함하는 한 개의 OFDMA 심볼을 이용할 수 있다.

그런 다음, 각 단말들은 상호 레인징(mutual ranging)을 수행하고 상호 레인징에서 얻은 정보를 AP로 전송한다(S300). 구체적으로 각 단말들은 상호 레인징 심볼을 전송하고 다른 단말에서 전송한 상호 레인징 심볼을 수신하여 이를 이용하여 단말와 다른 단말 사이의 상호 시간 동기 정보 및 상호 채널 정보를 추정한다. 예컨대, 상호 레이징 심볼로부터 상향링크 동기 정보를 조정한다. 추정된 상호 시간 동기 정보와 상호 채널 정보를 피드백 채널을 통해 AP로 전송한다. 따라서 상호 레인징 심볼은 각 단말의 신호를 구분할 수 있도록 구성될 수 있다. 상호 레인징 단 계(S300)에서는 각 상호 레인징 심볼을 구분하기 위해 각각의 상호 레인징 심볼을 시간으로 구분하여 전송하는 방식, 주파수로 구분하여 전송하는 방식, 위상으로 구분하여 전송하는 방식, 코드로 구분하여 전송하는 방식, 시간과 주파수, 위상, 코드 등을 결합하여 전송하는 방식 등을 이용할 수 있다.

각 단말들이 상호 레인징 심볼을 시간으로 구분하여 전송하는 방식의 일 예는 다음과 같다. 각 단말들이 정해진 시간에 상호 레인징 심볼을 전송하는 것이다. 상호 레인징 심볼은 반복 패턴을 가지는 심볼로 구성되어 상호 레인징 심볼을 이용하여 시간 영역에서의 자기 상관(auto-correlation)으로 시간 동기를 획득할 수 있다. 동일한 시간에 각 단말들은 직교 코드로 구성된 각 단말들 각자의 상호 레인징 심볼을 전송하고, 각 단말들은 상호 레인징 심볼을 수신하고 상호 상관 방식을 이용하여 다른 단말들의 시간 동기를 획득할 수 있다.

각 단말들이 상호 레인징 심볼을 주파수로 구분하여 전송하는 방식의 일 예는 다음과 같다. 각 단말들이 서로 다른 주파수 영역을 사용하여 전송하는 것이다. 각 단말들에서는 상호 레인징 심볼을 수신하여 AP의 시간 동기에 맞춰 FFT구간을 설정하여 복조할 수 있다. 복조된 상호 레인징 심볼은 주파수 영역에서 AP와의 심볼 타이밍 옵셋(symbol timing offset)만큼의 위상 회전이 발생하게 된다. 따라서, 각 단말들은 초기 하향링크 동기단계에서 획득한 AP시간동기 대비 셀 내의 다른 단말의 시간 동기를 획득할 수 있다.

각 단말들이 상호 레인징 심볼을 위상으로 구분하여 전송하는 방식의 일 예는 다음과 같다. 각 단말은 동일한 코드를 사용하고, 각 코드에 서로 다른 위상을 곱하여 전송하는 것이다. 각 단말들은 다른 단말의 상호 레인징 심볼을 수신하여 AP의 시간 동기에 맞춰 FFT구간을 설정하여 상호 레인징 심볼을 복조할 수 있다. 복조된 상호 레인징 심볼을 원래 코드로 나누면 채널의 주파수 응답만 남게 되고, 이를 다시 IFFT를 하게 되면 각 단말들에서 곱한 위상과 심볼 타이밍 옵셋이 더해진 만큼 환형 이동된 임펄스 응답(impulse response)가 나타나게 된다. 채널은 첫 번째 텝의 크기가 가장 크다고 할 수 있는 경우에 가장 큰 값을 가지는 부분을 찾음으로써 AP의 시간 동기 대비 가장 먼저 수신되는 다른 단말의 시간 동기를 획득 할 수 있다.

각 단말들에서 상호 레인징 심볼을 송·수신하여 상호 레인징하는 단계의 일 예는 다음과 같다. 상호 레인징 단계에서 상호 시간 동기 정보 및 상호 채널정보를 추정하기 위해서 수신된 신호로부터 전송 단말과 추정된 지연시간 및 채널을 일치시켜야 한다. 다음 수학식 4는 각각의 상호 레인징 심볼에 동일한 코드 C(k)를 이용하여 변조하고, 각 단말을 구분하기 위해 주파수 영역 신호를 고유 위상으로 위상 회전을 시킨 상호 레인징 심볼의 일 예를 나타낸다.

여기서, N_ss는 단말의 개수를 나타내고, i는 단말의 번호를 나타내며, m은 각 단말간의 위상 차이 인덱스를 나타낸다. 이때 m은 왕복지연시간 RTD(round trip delay)와 채널의 최대 지연 T_Channel을 고려하여 값이 정해진다. 위상 회전이 이루어진 주파수 영역 신호 X_i(k)를 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform;IFFT)한 후 시간 영역 신호 x_i(n)로 나타내면, x_i(n)은 c(n)이 m·(i-1)만큼 환형 이동된 신호와 등가이다. 각각의 단말에서 전송한 상호 레인징 심볼은 서로 다른 채널을 통해 동시에 다른 단말에 수신이 된다. 각 단말에 수신된 신호는 다음 수학식 5와 같다.

여기서 y_j(n)는 j번째 단말에 수신된 시간영역 신호를 나타내고,

은 컨벌루션을 나타내며, h_i _,j(n)과 w_i _,j(n)은 각각 i번째 단말와 j번째 단말 사이의 채널 임펄스 응답과 잡음을 나타낸다. T_i _,j는 i번째 단말와 j번째 단말 사이의 지연시간을 나타낸다. 수신된 시간 영역 신호로부터 상호 시간 동기 정보와 각 링크간의 채널 정보를 얻기 위해서는 수신한 신호를 FFT를 취한 후에 원래의 코드 C(k)로 나누면 채널 값만 남게 된다. 여기서 코드 C(k)는 AP와 각 단말에서 알고 있는 코드이다. 각 단말에서 서로 다른 위상 m·(i-1)을 곱하여 전송하였기 때문에 C(k)로 나눈 신호를 다시 IFFT를 취하게 되면 곱해진 위상만큼 시간 영역에서 각 신호의 채널응답 이 환형 이동된 형태로 나타난다. 그리고 각 단말의 위상에 추가로 T_i _,j만큼의 위상 지연이 발생한다. 각 단말에서 수신된 신호를 이용하여 상호 시간 동기 정보와 채널 정보를 추정하는 과정은 다음 수학식 6과 같다.

여기서

은 주파수 영역에서 추정된 채널 값을 나타낸다.

은 m·(i-1)+T_i _,j만큼의 환형 이동된 채널 임펄스 응답을 나타낸다. 이때 각 단말에서 다른 단말의 고유 위상회전으로부터 m·(i-1)만큼의 환영 이동이 발생하는 것을 알고 있기 때문에, 채널 임펄스 응답으로부터 각 단말의 고유 환영 이동 m·(i-1)에 추가로 얼마만큼의 환영 이동이 있는가를 탐색하면 상호 지연시간을 추정할 수 있다.

선택적으로 AP와 단말간의 시간 동기 정보 및 채널 정보를 추정할 수 있다.

그런 다음, AP는 수신된 상호 시간 동기 정보와 상호 채널 정보를 이용하여 전송 방식을 선택하고, CS삽입 여부를 판단한다(S400). CS를 삽입하지 않아도 되는 경우에는 AP는 AP와 각 단말의 FFT 윈도우 시작 위치를 설정하고, 전송 대역을 할당한다(S500). AP는 설정된 값들을 하향링크 제어채널을 통해 각 단말들에게 전송한다.

그런 다음, AP와 각 단말들은 데이터 심볼을 전송 및 수신하고, 동기를 추적한다(S700). 구체적으로는 할당된 시간 및 부반송파에 각 데이터를 삽입하고 CP와 데이터를 포함하는 OFDMA 심볼을 생성하여 전송한다. 그리고 AP와 각 단말들에서 수신신호에 대해 정해진 FFT 시작 위치에서 FFT를 수행하여 수신신호를 검출한다. AP와 각 단말들은 상기 데이터 심볼을 전송하면서 파일롯 부반송파를 이용하여 상·하향링크 시간 및 주파수 동기를 추적하고 상호 동기를 추적한다. 예를 들어 주기적으로 프리앰블과 초기 레이징 심볼 및 상호 레인징 심볼을 전송하여 추적할 수 있다.

CS를 삽입해야 하는 경우에는 AP는 추정된 상호 시간 동기 정보와 상호 채널 정보를 이용하여 CS 길이 및 AP와 각 단말의 FFT 윈도우 시작 위치를 설정하고, 전송 대역을 할당한다(S600). AP는 설정된 값들을 하향링크 제어채널을 통해 각 단말에게 전송한다.

그런 다음, AP와 각 단말들은 데이터 심볼을 전송 및 수신하고, 동기를 추적한다(S700). 구체적으로 할당된 시간 및 부반송파에 각 데이터를 삽입하고 CP와 데이터를 포함하는 OFDMA 심볼을 생성하여 전송한다. 그리고 AP와 각 단말들에서 수신신호에 대해 정해진 FFT 시작 위치에서 FFT를 수행하여 수신신호를 검출한다. AP와 각 단말들은 상기 데이터 심볼을 전송하면서 파일롯 부반송파를 이용하여 상· 하향링크 시간 및 주파수 동기를 추적하고 상호 동기를 추적한다. 예를 들어 주기적으로 프리앰블과 초기 레이징 심볼 및 상호 레인징 심볼을 전송하여 추적할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에서의 상호 레인징 심볼의 일 예를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 상호 레인징 심볼로는 각 심볼의 상호 시간 지연 차에 의해 발생할 수 있는 ISI와 ICI를 방지하기 위해 CP와 프리앰블 시퀀스(preamble sequence)를 포함하는 OFDMA 심볼과 프리앰블 시퀀스와 CS로 구성된 OFDMA 심볼인 두 개의 OFDMA 심볼을 이용하거나, CP, 프리앰블 시퀀스 및 CS를 포함하는 한 개의 OFDMA 심볼을 이용할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 환경의 일례을 나타낸다.

도 5를 참조하면, 반경 R인 셀 내에서 한 개의 AP(500)와 세 개의 단말(501 내지 503)을 포함한다. 여기서, T_i _,j는 i번째 단말와 j번째 단말 사이의 지연시간을 나타내며, AP(500) 인덱스는 아래 첨자를 0으로 표현하였다. 도시된 바와 같이, 단말과 다른 단말 상호간의 지연시간을 추정하여 상호 시간 동기 정보를 획득할 수 있다. 선택적으로, AP와 단말간의 지연시간을 추정할 수 있다.

이하에서는 AP와 각 단말에서의 전송 시간에 따라 제1 실시예, 제2 실시예, 제3 실시예(제3-1 실시예, 제3-2 실시예)로 나누어 설명한다.

도 6a는 도 5에서 본 발명의 제1 실시예 이용시 AP와 각 단말들에서의 전송 시간과 수신 시간을 나타내는 도면이다. 채널 임펄스 응답 길이는 CP 길이와 동일 하다고 가정하였고, 모든 심볼에 최대 상호 지연 시간 차이만큼의 CS를 삽입하였다.

도 6a를 참조하면, T_i _,j는 i번째 단말와 j번째 단말사이의 지연시간, T_i ^TA는 i번째 단말에서의 타이밍 어드밴스(timing-advanced) 값을 나타낸다. 여기서 AP 인덱스는 아래 첨자를 0으로 표현하였다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예는 각 단말에서 AP와 각 단말간의 시간 차이만큼 절대기준시간에서 타이밍 어드밴스 하여 전송하는 방식으로 각 단말이 전송한 데이터 심볼은 AP에 각각 동일한 시간에 수신된다. 각 단말에서는 AP의 신호가 다른 단말의 신호보다 항상 늦게 수신된다. 여기서, 각 단말들은 상호 레인징 단계에서 다른 단말의 시간 동기를 획득하여 가장 먼저 수신되는 단말의 신호에 맞추어 FFT구간을 재설정하면 ISI와 ICI 없이 신호의 복조가 가능할 수 있다. 또한, 상호 레인징 단계를 통해 각 단말간 상호 채널 정보를 획득하여 최적 자원 할당 정보로 이용할 수 있다. 셀 반경을 R이라고 하였을 때, 제1 실시예에서 발생할 수 있는 지연 시간 차이는 최소 0에서 최대 2T(T=R[m]×3.3[ns/m])이다.

도 6b는 도 5에서 본 발명의 제2 실시예 이용시 AP와 각 단말들에서의 전송 시간과 수신 시간을 나타내는 도면이다. 이때 채널 임펄스 응답 길이는 CP 길이와 동일하다고 가정하였고, 모든 심볼에 최대 상호 지연 시간 차이만큼의 CS를 삽입하였다.

도 6b를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예는 제1 실시예과 달리 단말에서 AP 까지 걸리는 지연시간을 고려하여 타이밍 어드밴스 하지 않고, 각 단말이 AP의 신호를 수신한 시간에 동기를 맞추어 단말의 심볼을 전송하는 방식이다. AP에 수신되는 단말의 신호는 AP와 단말 사이의 지연 시간의 두 배 만큼의 시간 차이를 두고 수신되고, 각 단말에서는 AP의 신호가 다른 단말의 신호보다 항상 빨리 수신된다. 여기서, 각 단말들은 초기 하향링크 동기단계에서 획득한 AP의 시간 동기에 맞추어 FFT구간을 설정하면 ISI와 ICI 없이 복조가 가능할 수 있다. 하지만, 모든 링크의 채널 정보 획득을 위해서는 상호 레인징 단계를 수행해야 한다. 셀 반경을 R이라고 하였을 때, 제2 실시예에서 발생할 수 있는 지연시간 차이는 최소 0에서 최대 4T(T=R[m]×3.3[ns/m])이다.

도 6c는 도 5에서 본 발명의 제3 실시예 이용시 AP와 각 단말들에서의 전송 시간과 수신 시간을 나타내는 도면이다. 이때 채널 임펄스 응답 길이는 CP 길이와 동일하다고 가정하였고, 모든 심볼에 최대 상호 지연 시간 차이만큼의 CS를 삽입하였다.

도 6c를 참조하면, 제3 실시예는 AP와 각 단말에서의 최대 지연시간 차이를 고려하여, AP와 각 단말에서의 최대 지연시간이 최소로 되도록 가변적으로 타이밍 어드밴스하여 전송하는 방식이다. 따라서 제3 실시예은 제1 실시예와 제2 실시예에 비해 적은 최대 지연시간을 갖는다.

제3 실시예은 최대 지연시간 차이를 최소로 하기 위한 방식에 따라 제3-1 실시예, 제3-2 실시예로 나눌 수 있다.

제3-1 실시예은 모든 가능한 전송 시간을 고려하여 셀 내에 존재하는 AP와 각 단말에서 발생하는 최대 지연시간 차이가 최소가 되도록 전송 시간을 찾는 방법이다. 제3-1 실시예을 설명하는 수식은 다음 수학식 7과 같다.

여기서, T^TA는 제3-1 실시예에서의 추정된 타이밍 어드밴스 전송 시간을 나타내는 벡터이고,

는

의 시간만큼 타이밍 어드밴스하여 전송하였을 때 AP와 각각의 단말에서 발생하는 최대 지연시간 차를 나타내는 함수이다. 그리고 T_i ^TA은 추정된 AP 또는 단말에서의 타이밍 어드밴스 전송 시간,

는 임의의 타이밍 어드밴스 전송시간을 나타낸다. 제3-1 실시예은 임의의 타이밍 어드밴스 전송 시간으로 구성된 벡터

의 값을 변화시키면서 AP와 각 단말에서 발생하는 최대 지연시간 차를 나타내는 함수 f(·)를 최소로 하는 전송 시간을 찾는 방법이다. 제3-1 실시예의 계산 복잡도는 단말의 개수가 N_SS일 때, 각

벡터마다

만큼의 계산횟수가 필요하다. 즉, 제3-1 실시예은

벡터와 단말의 개수가 증가하면 복잡도는 크게 증가한다.

제3-2 실시예는 셀 내에 존재하는 AP와 각 단말에서 수신되는 AP와 각 단말 신호의 최대 지연시간을 고려하여 이를 최소화하는 전송 시간을 찾는 방법으로 각 단말의 전송 시간을 독립적으로 찾는 방법이다. 제3-2 실시예에서 각 단말의 타이밍 어드밴스 값은 다음 수학식 8과 같다.

여기서 T_i ^TA는 제3-2 실시예 방법에 의해 추정된 i번째 단말에서의 타이밍 어드밴스 값을 나타내고, T₀ _,j는 AP와 j번째 단말 사이의 지연시간 값, T_i _,j는 i번째 단말와 j번째 단말사이의 지연시간 값을 나타낸다. T_i ^max는 제1 실시예 방식 적용시 i번째 단말에서 다른 단말로 신호를 전송하였을 때 다른 단말에서 수신되는 AP 신호와의 지연시간차 중 가장 큰 값을 나타내고, T_i ^min는 제1 실시예 방식 적용시 i번째 단말에서 다른 단말로 신호를 전송하였을 때 다른 단말에서 수신되는 AP 신호와의 지연시간차 중 가장 작은 값을 나타낸다. 제1 실시예의 전송 방식에서는 모든 단말의 신호가 항상 AP의 신호보다 먼저 수신되기 때문에 각 단말의 전송 시간을 (T_i ^max+T_i ^min)/2만큼 늦춤으로써 AP와 각 단말에서 발생하는 최대 지연시간차를 줄일 수 있다. 셀 반경을 R이라고 하였을 때, 제3 실시예에서 발생할 수 있는 지연 시간 차이는 최소 0에서 최대 2T(T=R[m]×3.3[ns/m])이다.

이하에서는 본 발명의 실시예에서 CS삽입 여부 판단에 따른 제4 실시예 및 제5 실시예에 대하여 설명한다.

본 발명의 실시예는 각 수신신호 사이의 상호 시간 차이로 인해 ISI와 ICI가 발생할 수 있다. 하지만, 상호 시간 차이가 발생하더라도 ISI와 ICI가 발생하지 않는 경우가 존재하며, 이러한 경우에는 CS를 삽입하지 않아도 된다. 본 발명의 실시예에서 CS의 삽입 여부를 판단하기 위해서는 상호 레인징 과정을 통해 추정한 상호 시간 동기 정보와 상호 채널 정보를 이용한다.

도 7a은 CS가 필요하지 않은 제4 실시예를 설명하는 도면이고, 도 7b는 CS가 필요한 제5 실시예를 설명하는 도면이다.

도 7a를 참조하면, 제4 실시예는 채널 임펄스 응답의 최대 지연 값과 상호 지연 시간의 최대값의 합이 CP 길이보다 작거나 같은 경우이다. 도 7b를 참조하면, 제5 실시예는 채널 임펄스 응답의 최대 지연 값과 상호 지연 시간의 최대값의 합이 CP 길이보다 긴 경우이다. 다음 수학식 9는 제4 실시예 및 제5 실시예를 설명한다.

여기서,

는 CP 길이를 나타내고,

은 셀 내의 AP와 단말, 단말와 다른 단말사이의 채널 임펄스 응답 길이 중 길이가 가장 긴 값을 나타내며,

는 셀 내 최대 상호 시간지연 차이를 나타낸다.

제4 실시예의 경우에는 채널 지연으로 인해 발생하는 이전 심볼의 영향과 상호 시간 지연으로 인해 발생하는 다른 심볼의 영향이 CP 구간 내에 포함되기 때문에 CS 없이 OFDMA 심볼의 직교성을 유지할 수 있다.

제5 실시예의 경우에는 채널 지연으로 인해 발생하는 이전 심볼의 영향과 상호 시간 지연으로 인해 발생하는 다른 심볼의 영향이 CP 구간 내에 포함되지 않기 때문에 OFDMA 심볼의 직교성을 유지하기위해

만큼의 CS를 삽입해야 한다. 즉, 제4 실시예의 경우에는 CS 길이가 0이기 때문에 AP와 각 단말은 CP와 데이터를 포함하는 OFDMA 심볼을 구성하여 송·수신 한다. 이때, OFDMA 심볼의 직교성이 유지되어 ISI와 ICI로 인한 성능 열화 없이 데이터 심볼을 검출할 수 있다.

제5 실시예의 경우에는 CS 길이가

가 되고, AP와 각 단말는 CP, 데이터 및 CS를 포함하는 OFDMA 심볼을 구성하여 송·수신 한다. CS의 이용으로 인해 OFDMA 심볼의 직교성이 유지되어 ISI와 ICI로 인한 성능 열화없이 데이터 심볼을 검출할 수 있다. 하지만, 제5 실시예인 경우에도 CS를 이용하지 않고 CP와 데이터만 포함하여 OFDMA 심볼을 구성하거나 CP, 데이터 및 상기 CS 길 이

보다 작은 길이의 CS로 OFDMA 심볼을 구성하여 송·수신할 수 있다. 이 경우에는 OFDMA 심볼의 직교성이 만족되지 않아 성능 저하가 발생할 수 있다.

이하에서는 상기 제4 실시예 및 제5 실시예의 FFT 윈도우 시작 위치의 설정 방식에 대하여 설명한다.

도 8a은 제4 실시예의 FFT 윈도우 시작 위치를 나타내는 도면이고, 도 8b는 제5 실시예의 FFT 윈도우 시작 위치를 나타내는 도면이다. 제4 실시예와 제5 실시예에서 모두 ISI와 ICI의 영향없이 데이터 신호의 복원이 가능하기 위해서는 정확한 FFT 윈도우 시작 위치를 탐색해야 한다.

도 8a을 참조하면, 제4 실시예에서 CS를 삽입하지 않은 경우에 AP와 각 단말에서는 수신 신호 중에서 가장 먼저 들어온 신호의 데이터 시작 위치에 맞춰 FFT 윈도우 시작 위치를 설정한다. 도 8b을 참조하면, 제5 실시예에서 CS를 삽입한 경우에 AP와 각 단말에서는 수신 신호 중에서 가장 먼저 들어온 신호의 데이터 시작 위치에서 삽입한 CS 길이인 T_CS 길이만큼 늦춘 위치에 맞춰 FFT 윈도우 시작 위치를 설정한다.

다음으로 본 발명의 실험예 및 이에 따른 효과에 대하여 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 방식과 종래 FDD, TDD 방식의 자원효율을 비교한다. 다음 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 방식, FDD 및 TDD 방식의 자원효율을 비교하기 위해 이용된 파라미터를 보여준다. 주파수 대역과 보호구간 길이, 부반송파 간격, FFT, 이용 주파수 대역 등의 파라미터는 실내 무선랜에 이용되는 IEEE 802.11a의 파라미터를 이용하였다. 표 1을 참조하면, TTG(Transmit/receive Transition Gap)와 RTG(Receive/transmit Transition Gap)는 전송에서 수신, 수신에서 전송으로의 전향시간과 왕복지연시간을 고려하여 5 us로 설정하였다. 보호 대역은 보호 부반송파의 개수와 부반송파 간격을 고려하여 설정하였고, 채널 임펄스 응답 길이는 CP길이와 동일한 0.8us로 설정하였다.

Parameter	Value
셀 반경	20 m
대역( BW )	20 MHz
보호 대역( Guard Band )	3.75 MHz(0.3125 MHz*12)
보호 구간 길이( CP )	0.8 us
부반송파 간격	0.3125 MHz(20MHz/64)
OFDM 심볼 길이	3.2 us
프레임 길이	100 us
TTG	5 us
RTG	5 us
상호 레인징 심볼 길이	4.8 us
FFT	64
SDD 전송방식	제3 실시예
채널 임펄스 응답 길이	0.8 us

상기 표 1의 파라미터를 이용하여 계산한 FDD 방식의 자원 효율은 다음 수학식 10과 같다.

는 FDD 방식의 자원 효율로써 68.25%이다.

는 FDD 방식의 자원량 을 나타내고,

은 이상적인 경우의 자원량을 나타낸다.

는 밴드폭(bandwidth)을 나타내고,

는 보호 대역을 나타내며,

은 한 프레임의 길이를 나타내고,

은 한 프레임 내에서의 심볼 수를 나타낸다.

TDD 방식의 자원 효율은 다음 수학식 11과 같다.

는 TDD 방식의 자원 효율로써 74%이다.

는 TDD 방식의 자원량을 나타내고,

는 TTG의 길이를 나타내며,

는 RTG의 길이를 나타낸다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 자원 효율은 다음 수학식 12와 같다. 여기서, CS의 길이는 0이 된다.

본 발명의 제5 실시예에 따른 자원 효율은 다음 수학식 13과 같다.

여기서, CS 길이는 지연 시간 차이

를 고려하여 설정하였다. 본 발명의 실시예에서는 상호 레인징 과정이 긴 주기로 수행되기 때문에 상호 레인징 심볼에 의한 자원 효율 저하는 무시할 수 있다.

는 본 발명의 실시예의 자원 효율로서 CS를 이용하지 않은 경우에는 80%이고, 최대 길이의 CS를 이용한 경우에는 77.44%이다.

는 본 발명의 실시예의 자원량을 나타내고,

은 상호 레인징 심볼의 길이를 나타낸다.

상기 수학식 10 내지 수학식 13을 통해 본 발명의 실시예들의 자원효율(80.00%, 77.44%)이 FDD 방식의 자원효율(68.25%)이나 TDD 방식의 자원효율(74%)보다 높음을 확인할 수 있다.

이하는 본 발명의 실시예에서 이용되는 상호 레인징의 성능을 모의 실험을 통하여 분석한다. 본 모의 실험에서 이용한 AP와 각 단말의 배치구조는 도 5와 같다. 모의 실험에 이용된 파라미터는 다음 표 2와 같다.

Parameter	Value
반송파 주파수( fc )	5 GHz
대역( BW )	20 MHz
FFT	64
OFDMA 심볼 길이	3.2 us / 64 sample
보호 구간 길이( CP )	0.8 us / 16 sample
보호 구간 길이( CS )	0.8 us / 16 sample
이용 부반송파 (파일럿, DC 포함)	52
단말의 수	3
셀 반경	20 m
T 단말1 , 단말2 = T 단말2 , 단말1	3 sample
T 단말1 , 단말3 = T 단말3 , 단말1	2 sample
T 단말2 , 단말3 = T 단말3 , 단말2	2 sample

도 9는 상호 레인징 심볼을 이용하여 각 단말들에서 다른 단말들과의 상호 지연시간을 추정하는 것을 보여주는 도면이다.

도 9를 참조하면, 각 단말에서 다른 단말과의 상호 지연시간은 다른 단말의 고유 위상회전 정보에 따른 시간 영역 채널 임펄스 응답의 환영 이동에 대해(단말1 = 0, 단말2 = 16, 단말3 = 32) 얼마만큼의 환영 이동이 추가로 발생했는지를 탐색함으로써 알 수 있다. 단말1은 단말2와의 지연시간을 3 샘플로 추정하고, 단말3과의 지연시간을 2 샘플로 추정한다. 그리고 단말2는 단말1과의 지연시간을 3 샘플로 추정하고, 단말3과의 지연시간을 2 샘플로 추정한다. 또한 단말3은 단말1과의 지연시간을 2 샘플로 추정하고, 단말2와의 지연시간을 2 샘플로 추정한다. 표 2에 주어진 지연시간과의 비교를 통하여 각 단말에서 다른 단말와의 지연시간을 정확히 추정할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 모든 기능은 상기 기능을 수행하도록 코딩된 소프트웨어나 프로그램 코드 등에 따른 마이크로프로세서, 제어기, 마이크로제어기, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 상기 코드의 설계, 개발 및 구현은 본 발명의 설명에 기초하여 당업자에게 자명하다고 할 것이다.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.

도 6a는 도 5에서 본 발명의 제1 실시예 이용시 AP와 각 단말들에서의 전송 시간과 수신 시간을 나타내는 도면이다.

도 6b는 도 5에서 본 발명의 제2 실시예 이용시 AP와 각 단말들에서의 전송 시간과 수신 시간을 나타내는 도면이다.

도 6c는 도 5에서 본 발명의 제3 실시예 이용시 AP와 각 단말들에서의 전송 시간과 수신 시간을 나타내는 도면이다.

도 8a은 제4 실시예의 FFT 윈도우 시작 위치를 나타내는 도면이고, 도 8b는 제5 실시예의 FFT 윈도우 시작 위치를 나타내는 도면이다.

Claims

제1 상호 레인징 심볼을 적어도 하나의 다른 단말에게 전송하는 단계;

제2 상호 레인징 심볼을 상기 적어도 하나의 다른 단말로부터 수신하는 단계; 및

상기 제2 상호 레인징 심볼로부터 상향링크 동기 정보를 조정하는 단계를 포함하는 동기화 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 상호 레인징 심볼을 전송하기 전에 엑세스 포인트와 상향링크 동기를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동기화 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 조정된 상향링크 동기 정보로부터 데이터 전송을 위한 OFDM 심볼에 순환 서픽스(cyclic suffix: CS) 삽입 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동기화 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 OFDM 심볼은 상향링크 전송을 위한 부반송파와 하향링크 전송을 위한 부반송파가 이중화(duplexing) 되어 있는 것을 특징으로 하는 동기화 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 상호 레인징 심볼은 복수의 프리앰블 시퀀스, 순환 프리픽스 및 순환 서픽스로 구성되거나 하나의 프리앰블 시퀀스, 순환 프리픽스 및 순환 서픽스로 구성되는 것을 특징으로 하는 동기화 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 제1 상호 레인징 심볼 및 제2 상호 레인징 심볼은 상호 레인징 심볼을 구성하는 프리앰블 시퀀스가 서로 다른 것을 특징으로 하는 동기화 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 상호 레인징 심볼을 전송하기 위한 타이밍 정보를 엑세스 포인트로부터 수신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동기화 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 OFDM 심볼을 통해 데이터 전송하는 단계를 더 포함하되, 상기 데이터 전송은 상기 조정된 상향링크 동기 정보를 이용하여 엑세스 포인트와의 지연시간 만큼 절대시간 보다 타이밍 어드밴스(timing-advanced) 해서 전송하는 것을 특징으로 하는 동기화 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 OFDM 심볼을 통해 데이터 전송하는 단계를 더 포함하되, 상기 데이터 전송은 상기 조정된 상향링크 동기 정보를 이용하여 엑세스 포인트로부터 신호를 수신한 시간에 전송하는 것을 특징으로 하는 동기화 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 OFDM 심볼을 통해 데이터 전송하는 단계를 더 포함하되, 상기 데이터 전송은 상기 조정된 상향링크 동기 정보를 이용하여 셀 내 환경에 따라 엑세스 포인트와 단말에서의 지연시간의 최대값이 최소가 되도록 가변적으로 타이밍 어드밴스(timing-advanced) 해서 전송하는 것을 특징으로 하는 동기화 방법.
제 3 항에 있어서,

엑세스 포인트와 단말 간 및 상기 단말과 다른 단말 간의 채널 임펄스 응답 길이 중 가장 긴 값인 채널 임펄스 응답의 최대 지연 값과 최대 상호 시간 지연 차이인 상호 지연 시간의 최대값의 합이 순환 프리픽스 길이 보다 작거나 같은 경우에는 순환 서픽스를 삽입하지 않고, 그렇지 않은 경우에는 순환 서픽스를 삽입하도록 판단하는 것을 특징으로 하는 동기화 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 순환 서픽스를 삽입하도록 판단하는 경우에는 상기 채널 임펄스 응답의 최대 지연 값과 상기 상호 지연 시간의 최대값의 합에서 순환 프리픽스 길이를 뺀 길이의 순환 서픽스를 삽입하는 것을 특징으로 하는 동기화 방법.
단말과 초기 레인징을 수행하여 상향링크 동기를 맞추는 단계;

상기 단말로부터 상향링크 데이터를 수신하는 단계를 포함하되, 상기 상향링크 데이터는 셀내 단말들간에 상호 레인징 심벌을 교환하여 조정된 상향링크 동기 정보를 통해 전송되는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 조정된 상향링크 동기 정보로부터 데이터 전송을 위한 OFDM 심볼에 순환 서픽스(cyclic suffix: CS) 삽입 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.