KR100749447B1 - 고속 휴대 인터넷 시스템에서 타이밍 에러와 주파수오프셋을 추정하는 방법 및 그 장치 - Google Patents

고속 휴대 인터넷 시스템에서 타이밍 에러와 주파수오프셋을 추정하는 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속 휴대 인터넷 시스템에서 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 송신 장치에서 전송하고자 하는 OFDM 프레임에 특정 프리앰블 심볼을 삽입하여 IFFT 처리하고, 이후 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하기 위하여 의사 잡음을 프리앰블 심볼에 승산시켜 송신한다. 이를 수신한 수신 장치에서는 수신된 OFDM 심볼로부터 프리앰블 심볼을 추출하고, 추출된 프리앰블 심볼에 상기 송신 장치에서 사용된 의사 잡음과 동일하면서 단지 시프트된 로컬 의사 잡음을 승산시킨다. 이러한 송신 장치에서의 의사 잡음과 수신 장치의 로컬 의사 잡음과의 상관(correlation)에 따라 타이밍 에러가 추정되고 보상된다. 그리고 수신된 프리앰블 심볼간의 위상 차이에 따라 주파수 오프셋이 추정되고 보상된다.
이에 따라 간단하게 시스템을 구현하면서도 타이밍 에러 및 주파수 오프셋 추정 및 보정 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
HPI, 타이밍에러, 주파수오프셋, OFDM

Description

고속 휴대 인터넷 시스템에서 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법 및 그 장치{method and apparatus for estimating timing error and frequency offset of HPI system}
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 파일롯 심볼을 가진 OFDM 프레임의 한 예이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 장치의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수신 장치의 구조도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 타이밍 에러 및 주파수 오프셋 추정을 수행하는 수신 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 PN 시퀀스의 추정된 타이밍 에러를 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른
Figure 112005015910353-pat00001
의 확률을 나타내는 테이블을 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다른 채널들에 대한 주파수 오프셋 추정부의 MSE (Minimum Square Error)이다.
본 발명은 직교주파수 분할 다중 시스템에 관한 것으로, 특히 고속 휴대 인터넷 시스템(High-speed Portable Internet: 이하, HPI라고 명명함)에서의 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법과 그 장치에 관한 것이다.
무선 인터넷 서비스가 새로운 시장 창출의 돌파구로써 고려되고 있다. 현재, 무선 인터넷 서비스로는 이동 통신 서비스에 기초한 캐릭터와 벨 소리의 다운로드 같은 간단한 것들이 이루어지고 있다.
그러나 이러한 서비스는 고객들의 다양한 요구를 만족시키지 못한다. 즉 싼 서비스 가격과 고속 인터넷 서비스의 요구가 증가하고 있기는 하지만 GSM(Global System for Mobile communication)과 CDMA(code division multiple access)의 통신 성능이 고객들을 만족시키지 못하기 때문에, 새로운 휴대용 인터넷 서비스의 개발이 필요하다. 특히, 저가 및 고품질의 모바일 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해서는 높은 효과가 있는 TDD 시스템이 필수적이며, 변조 기술로는 간단한 수신 장치와 싸이클릭 프리픽스(cyclic prefix ; CP)에 의해 원조되는 심볼간 간섭(inter-symbol-interference ; ISI)을 현저하게 제거할 수 있는 OFDM 기술이 효율적이다.
OFDM 방식은 입력되는 심볼열을 병렬화한 후 이를 상호 직교성을 갖는 다수의 부반송파로 변조시켜 전송하는 방식으로, 기존의 단일 반송파 전송 방식과 비교하여, 동일한 심볼 전송을 유지하면서도 심볼 주기를 부채널 수만큼 증가시킬 수 있어 다중 경로 전송에 의한 심볼간의 간섭(ISI)을 줄일 수 있다.
그런데 채널 특성에 의하여 수신 장치의 동조가 불안정할 경우 송신 주파수와 수신 주파수의 동기화가 이루어지지 않아서 주파수 오프셋이 발생한다. 이러한 주파수 오프셋은 수신 신호의 위상을 변화시켜 시스템의 복호 성능을 저하시키게 되는데, 특히 다중 반송파를 사용하는 OFDM 방식에서는 심볼의 검출이 각 부채널별로 이루어지기 때문에, 주파수 오프셋이 발생할 경우 각 부반송파 주파수 사이의 직교성이 유지되지 않아 인접 부채널간의 간섭 현상이 발생한다. 또한 OFDM 부채널의 수가 증가할수록 각 부반송파들이 정해진 대역안에 조밀하게 분포되기 때문에, 작은 주파수 오프셋이 발생하여도 인접 부채널간의 간섭이 심하게 발생하게 된다.
이에 따라 수신측에서 발생된 주파수 오프셋을 추정하여 이를 제거하는 각종 기술들이 제시되고 있다. 종래 기술들은 주로 동기 정보를 가지는 DA(data-aided) 알고리즘들과 수신된 신호의 통계를 가지는 NDA 피드포워드 추정 구조(non data-aided feedforward estimation structures) 등을 사용한다.
한편 휴대 인터넷 시스템의 수신단에서 수신된 신호들은 FFT 처리되기 전에 다중 경로 채널 때문에 ISI에 의하여 영향을 받는다. 그러나 종래의 기술들은 이러한 ISI의 영향을 고려하고 있지 않기 때문에 정확한 타이밍 에러와 주파수 오프셋 추정이 이루어지지 않고 있다.
그러므로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고속 휴대용 인터넷 시스템에서 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 정확하게 추정하고자 하는데 있다.
또한 보다 간단한 구조로서 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하여 시간- 주파수 동기화를 효과적으로 달성하고자 하는데 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법은, 고속 휴대 인터넷 시스템에서 수신되는 신호를 토대로 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법에 있어서, a) 상기 수신된 신호를 처리하여 OFDM 심볼--상기 OFDM 심볼의 특정 프리앰블 심볼에 PN 시퀀스가 승산되어 있음--을 생성하고, 상기 OFDM 심볼에서 프리앰블 심볼을 추출하는 단계; b) 상기 추출된 프리앰블 심볼에 로컬 PN 시퀀스--상기 로컬 PN 시퀀스는 상기 송신단의 PN 시퀀스와 동일하며 시프트되어 있음--를 승산하는 단계; c) 상기 로컬 PN 시퀀스가 상기 추출된 프리앰블 심볼에 승산된 해당 신호의 진폭을 토대로 타이밍 에러를 추정하고, 이를 보상하는 단계; 및 d) 상기 로컬 PN 시퀀스가 승산된 상기 프리앰블 심볼을 토대로 주파수 오프셋을 추정하고, 이를 보상하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 추정 장치는, 고속 휴대 인터넷 시스템에서 수신된 신호를 토대로 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 장치에서, 수신된 신호에 따른 OFDM 심볼--상기 OFDM 심볼은 특정 프리앰블 심볼에 PN 시퀀스가 승산되어 있음--에서 상기 프리앰블 심볼을 추출하는 프리앰블 추출부; 상기 PN 시퀀스와 동일하고 일정값 시프트된 로컬 PN 시퀀스를 생성하는 로컬 PN 생성부; 상기 로컬 PN 시퀀스를 추출된 프리앰블 심볼에 승산하는 승산기; 상기 승산된 신호를 토대로 하여 타이밍 에러를 추정하는 타이밍 에러 결정부; 및 상기 로컬 PN 시퀀스가 승산 된 상기 프리앰블 심볼을 토대로 주파수 오프셋을 추정하는 주파수 오프셋 추정부를 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법에 대하여 설명한다.
OFDM 신호 Xi,n은 N 개의 부반송파를 변조하는데 사용되며, IFFT(inverse fast fourier transform)에 의하여 기저 대역에서 생성된다. 시스템에서 직교성을 유지하고 채널 균등화를 위하여, OFDM 신호 전송 전에 CP가 추가된다.
IFFT의 출력은 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005015910353-pat00002
Figure 112005015910353-pat00003
여기서, N 과 Ng는 각각 부반송파의 수와 보호구간(guard interval)의 길이를 나타내고, Si(n)은 i번째 블록 내에서 전송되는 n번째 부반송파 신호를 나타내 며, Xi,k는 데이터 심볼을 나타낸다. Rect(n)는 송신 장치에서의 사각 펄스 형상 필터를 나타내며, 다음 수학식 3과 같다.
Figure 112005015910353-pat00004
다중 경로 페이딩 채널을 통과함에 따라 전송되는 신호에는 타이밍 에러
Figure 112005015910353-pat00005
와 표준화된 주파수 오프셋
Figure 112005015910353-pat00006
이 존재한다.
Figure 112005015910353-pat00007
여기서,
Figure 112005015910353-pat00008
는 l번째 경로의 복합 경로 이득(complex path gain)을 나타내고,
Figure 112005015910353-pat00009
는 l번째 경로의 지연을 나타낸다.
Figure 112005015910353-pat00010
이고
Figure 112005015910353-pat00011
이며, L은 전체 채널 경로 수를 나타낸다.
Figure 112005015910353-pat00012
는 파워 스펙트럼이 제이크(Jakes) 모델인 WSS(wide-sense stationary) 협대역 복합 가우시안 프로세스라고 가정하자. 보다 간단하게, 채널 임펄스 응답의 시간 의존성은 기수법(notation)으로 억제되고, 각 경로의 전체 에너지가 표준화된다. 채널이 하나의 OFDM 신호에서 채널이 변화하지 않는다고 가정하며, 수신된 i번째 OFDM 신호는 다음 수학식 5와 같다.
Figure 112005015910353-pat00013
Figure 112005015910353-pat00014
는 타이밍 에러이고, 주파수 오프셋
Figure 112005015910353-pat00015
는 정수 부분과 분수 부분으로 나뉘어질 수 있다. 정수 부분은 주파수 도메인에서 모든 주파수 위치를 정수 오프셋만큼 이동시키고, 분수(fractional) 부분은 OFDM 시스템에서 부반송파 사이의 직교성을 저하시킨다.
정의 파일롯 톤(tone)은 1/K의 파일롯 비로 데이터와 승산(multiplex)된다. 주파수-도메인 톤은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005015910353-pat00016
여기서, K, m, 그리고 i는 정수이며, 1≤i≤K-1. 0≤m≤M-1이다. A는 파일롯 진폭이며, M=N/K는 정수이다. 해당하는 시간-도메인 파일롯 심볼은 다음과 같이 나타낼 수 있다. 이러한 수학식 6에 따라 특정 프리앰블 심볼이 선택될 수 있다.
Figure 112005015910353-pat00017
FFT의 복조의 윈도우(window)는 타이밍 에러에 의하여 크게 영향을 받기 때문에, 시간 도메인에서 타이밍 동기화가 보정되어야 한다. 다중 경로 채널 때문에 FFT 전의 신호는 ISI에 의하여 손실되며, 이에 따라 추정 장치의 성능이 ISI에 의하여 영향을 받는다. 그러나 이러한 것을 대부분의 동기화 알고리즘 관련 논문에서 고려되지 않고 있다. 본 발명의 실시 예에서는 의사 잡음(PN)을 토대로 ISI의 영향을 고려한 추정 방법을 제공한다.
첫 번째 심볼 L이 동기화 프리앰블 심볼로 사용된다고 가정하자. 복합 PN 시퀀스를
Figure 112005015910353-pat00018
로 나타낼 수 있다.
Figure 112005015910353-pat00019
는 M×1의 행렬이다. PN의 파워가 1이라고 가정하자. 즉,
Figure 112005015910353-pat00020
이고, T는 행렬의 공액(conjugate)이며, 프리앰블 심볼과 PN 시퀀스의 승산은
Figure 112005015910353-pat00021
로 나타낼 수 있다. 여기서,
Figure 112005015910353-pat00022
이고,
Figure 112005015910353-pat00023
이다. 신호가 무선 채널과 AWGN을 통과한 후에, 수신된 프리앰블 심볼의 행렬은 다음 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005015910353-pat00024
여기서,
Figure 112005015910353-pat00025
이고 벡터의 전방에서
Figure 112005015910353-pat00026
제로를 가지고,
Figure 112005015910353-pat00027
이다.
Figure 112005015910353-pat00028
,
Figure 112005015910353-pat00029
는 화이트 가우시안 잡음에
Figure 112005015910353-pat00030
분산(variance)을 더한 제로-평균이다.
타이밍 에러를 추정하기 위하여, 로컬 PN 시퀀스(송신 장치의 PN 시퀀스의 복사본)가 시프트되고 해당하는 파일롯 신호에 가산된다. 즉, 수학식 9와 같다.
Figure 112005015910353-pat00031
여기서, *는 복소수(complex)의 공액(conjugate)이다. 상관관계(correlation)는 PN 시퀀스의 중요한 특징 중의 하나이며, 자동상관관계(autocorrelation)가 매우 크다.
Figure 112005015910353-pat00032
이러한 특징에 의하여 타이밍 에러와 주파수 오프셋이 다음 수학식 11에 의하여 추정될 수 있다. 추정된 타이밍 에러
Figure 112005015910353-pat00033
는 진폭
Figure 112005015910353-pat00034
의 최대값이다. 즉, 다음 수학식 11과 같다.
Figure 112005015910353-pat00035
타이밍 에러 추정 후에, 주파수 오프셋이 다음과 같이 추정될 수 있다.
Figure 112005015910353-pat00036
SNR이 클 때, 추정되는 주파수 오프셋은 다음과 같다.
Figure 112005015910353-pat00037
m은 서로 다른 채널 조건에 따라 선택될 수 있다. 종래의 기술로부터 m=2LK/3일 때, 주파수 오프셋 추정부의 최대 성능이 얻어질 수 있다. 그러나 m은 무선채널에서 매우 작아야 한다. 여기서는 m=1로 선택하며, 추정되는 범위(range)는 다음과 같다.
Figure 112005015910353-pat00038
수학식 9로부터, LK가 클 때,
Figure 112005015910353-pat00039
는 복합 가우시안 랜덤 변수로서 간주될 수 있다. 일반적으로, 타이밍 에러는 작다(
Figure 112005015910353-pat00040
. 추정된 타이밍 에러가 사실인 경우
Figure 112005015910353-pat00041
,
Figure 112005015910353-pat00042
의 평균은 다음과 같다.
Figure 112005015910353-pat00043
그러므로 분산은 동일한 방법으로 얻을 수 있다.
Figure 112005015910353-pat00044
Figure 112005015910353-pat00045
는 추가된 가우시안 화이트 잡음의 분산이다. 만약 추정 장치가 타이밍 에러를 정확하게 추정할 수 없다면
Figure 112005015910353-pat00046
의 평균은 제로이다. 수학식 16으로부터 추정 장치가 타이밍 에러를 추정할 때
Figure 112005015910353-pat00047
의 평균은 0보다 크다. 그러므로 잘못된 판정(decision)의 가능성은 매우 작으며, 정확한 판정의 가능성은 다음과 같다.
Figure 112005015910353-pat00048
여기서,
Figure 112005015910353-pat00049
이다.
도 1은 파일롯 심볼을 가지는 OFDM 신호의 예를 나타낸 도이다. 파일롯 패턴은 주파수 도메인에서 연속적이다. 그 후의 샘플링에 따라 시간 도메인에서 적합한 파일롯 간격 Nk는 다음과 같다.
Figure 112005015910353-pat00050
여기서, Fdmax는 도플러 주파수의 최대값이다. Ts는 CP를 포함하는 전송된 심 볼 구간(duration)이다.
본 발명에서, 첫번째 프리앰블 심볼 L은 HPI 시스템에서 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는데 사용된다. 프리앰블 심볼의 형태(design)는 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다. 다음의 심볼은 사용자 정보를 전달하는 데이터 심볼이다. 한편 위상 변이를 추적하기 위하여, 파일롯 부반송파가 데이터 심볼에 삽입된다.
다음에는 위에 기술된 바와 같은 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법을 토대로 하여, 신호를 송수신하는 장치에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 시스템에서 송신 장치의 개략적인 구조도이다.
첨부한 도 2에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 송신 장치(200)는 전송하고자 하는 데이터의 비트를 인코딩하는 인코더(201), 인코딩된 비트를 소정 심볼로 출력하는 변조부(202), 변조된 심볼을 병렬로 변환하는 직렬/병렬 변환부(S/P)(203), IFFT를 수행하여 OFDM 심볼를 출력하는 IFFT(204), PN(Pseudo Noise)을 생성하는 PN 생성부(205), OFDM 심볼의 프리앰블 심볼과 PN 시퀀스를 승산하는 다수의 승산기(206,207,208), CP(cyclic prefix)를 OFDM 심볼에 삽입하는 삽입부(209), CP가 삽입된 OFDM 심볼을 직렬로 변환하는 병렬/직렬 변환부(P/S)(210), 직렬로 변환된 OFDM 심볼을 아날로그 신호로 처리하여 무선 구간으로 전송되도록 하는 D/A 변환부(211)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수신 장치의 구조도이다.
첨부한 도 3에 도시되어 있듯이 본 발명의 실시 예에 따른 수신 장치(300)는 수신된 신호를 디지털 비트 스트림인 OFDM 심볼로 변환하여 출력하는 A/D 변환부(301), OFDM 심볼에서 CP를 제거하는 CP 제거부(302), 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하기 위하여 OFDM 심볼에서 프리앰블 심볼을 추출하는 프리앰블 추출부(303), 타이밍 에러 추정을 위하여 로컬 PN 시퀀스를 생성하는 로컬 PN 생성부(304), 생성된 로컬 PN 시퀀스를 추출된 프리앰블 심볼에 각각 승산하는 승산기(305,306,307), 상기 승산된 신호를 토대로 하여 타이밍 에러를 산출하는 타이밍 에러 결정부(308), 발생된 타이밍 에러를 보상 처리하는 타이밍 에러 보상부(309), 소정 조건에 따라 추출된 프리앰블 심볼 등을 이용하여 주파수 에러를 추정하는 주파수 오프셋 추정부(310), 추정된 주파수 오프셋을 보상하는 주파수 보상부(311), 타이밍 에러 및 주파수 오프셋이 보상된 OFDM 심볼을 FFT 처리하여 주파수 도메인 신호로 출력하는 FFT(312), 주파수 도메인 신호를 토대로 채널 추정을 수행하는 채널 추정부(313), 채널 추정 결과를 토대로 채널 등화를 수행하는 채널 등화기(314), 채널 등화 처리된 신호를 복조하는 복조부(315), 복조된 신호를 디코딩하는 디코더(316)를 포함한다. 이러한 구조로 이루어지는 수신 장치(300)의 구성 요소를 모두 또는 선택적으로 조합하여 본 발명에 따른 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 장치를 구현할 수 있다.
다음에는 이러한 구조를 토대로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 송신 장치의 동작에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 과정을 나타낸 흐름도이다.
첨부한 도 4에 도시되어 있듯이, 전송하고자 하는 데이터는 먼저, 인코더 (201)에 의하여 인코딩된 다음에, 변조부(202)에 의하여 소정 심볼로 변조된다(S100). 인코더(201)는 예를 들어, 컨볼루션 코더(coder), 터보 코더, 저밀도 패리티 체크(LDPC:Low density parity check) 코더 등을 이용하여 인코딩을 수행한다. 또한 예를 들어, 64QAM, 16QAM, QPSK 방식으로 변조가 이루어진다.
변조된 데이터 심볼은 직렬/병렬 변환부(203)에 의하여 병렬 심볼로 변환되며(S110), 그 동안 위의 수학식 6과 같은 페이로드 시퀀스가 상기 병렬 심볼의 프리앰블 심볼 L에 병합된다. 여기서 상기 프리앰블 심볼에 해당하는 프리앰블 시퀀스의 두 개의 넌제로 값 사이에서 나머지 값(remaining value)이 제로이다.
이러한 병렬 심볼은 IFFT(204)로 입력되어 OFDM 심볼로 출력된다(S120). IFFT 처리 후에 프리앰블 심볼 L은 위의 수학식 7과 같이 변환된다. 이 경우 상기 IFFT 처리 후에 상기 프리앰블 시퀀스의 두 개의 넌제로 값 사이의 구간이, 하나의 OFDM 심볼에서 부반송파의 길이와 IFFT 처리되기 전의 프리앰블 시퀀스의 넌제로 값 사이의 구간에 따라 달라진다.
한편, PN 생성부기(205)는 PN) 시퀀스를 생성하며, 승산기(206,207,208)들은 IFFT(204)로부터 출력되는 OFDM 심볼의 프리앰블 심볼과 PN 시퀀스를 승산한다(S130). 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 포함하는 프리앰블 심볼은 위의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
다음, ISI를 제거하기 위하여, CP 삽입부(209)에 의하여 생성된 CP가 OFDM 심볼에 삽입되며(S140), 병렬/직렬 변환부(210)는 CP가 삽입된 병렬의 OFDM 심볼을 직렬 심볼로 변환한다(S150). 그리고 직렬 심볼로 변환된 신호는 D/A 변환기(211) 에 의하여 아날로그 신호로 변환된 다음에 무선 채널로 송신된다(S160).
다음에는 이와 같이 송신된 신호를 수신하는 수신 장치의 동작을, 본 발명의 실시 예에 따른 추정 방법을 토대로 하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 수신 과정을 나타낸 흐름도이다.
수신 장치(300)는 위에 기술된 바와 같이 처리되는 신호를 수신하며, 수신된 신호는 샘플링된 다음 A/D 변환기(301)에 의하여 디지털 비트 스트림인 OFDM 심볼로 변환되어(S200), 다음과 같이 처리된다.
첨부한 도 5에 도시되어 있듯이, 수신 장치(300)의 CP 제거부(302)는 수신된 OFDM 심볼에서 CP를 제거하고, 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하기 위하여 프리앰블 추출부(303)가 상기 OFDM 심볼에서 프리앰블 심볼을 추출한다(S210∼S220).
그리고 타이밍 에러를 추정하기 위하여 PN 생성부(304)에 로컬 PN 시퀀스가 생성되며, 이 로컬 PN 시퀀스는 송신 장치(200)에서 생성되었던 PN 시퀀스의 복사본이며, 단지 일정값 시프트되어 있다(S230). 수학식 9와 같이, 시프트된 PN 신호 즉, 로컬 PN 시퀀스는 승산기(205,206,207)에 의하여 추출된 프리앰블 신호에 각각 승산된다(S240).
이후 타이밍 에러 결정부(308)는 로컬 PN 시퀀스가 승산된 OFDM 신호에 따라 타이밍 에러를 추정한다. 즉, PN 시퀀스와 로컬 PN 시퀀스의 상관 관계에 따라 타이밍 에러가 추정되며, 수학식 9에 따라 산출되는 진폭
Figure 112005015910353-pat00051
의 최대값이 타이밍 에러로 추정된다. 이와 같이 추정된 타이밍 에러는 타이밍 에러 보상부(309)에 의하 여 보상 처리된다(S250∼S260).
타이밍 에러 보상후에, 주파수 오프셋 추정부(310)가 위의 수학식 13과 같이 주파수 오프셋을 추정하고, 주파수 보상부(311)가 추정된 주파수 오프셋을 보상한다(S270∼S280). 타이밍 에러 및 주파수 오프셋 보상 후에 수신된 OFDM 신호는 FFT(312)에 의하여 주파수 도메인 신호로 변환된다.
다중 경로 채널의 영향 때문에 채널 추정부(313)가 주파수 도메인에서 채널의 전송 함수로서 간주될 수 있다. 채널 추정부(313)는 예를 들면 평균화/평탄화(averaging/smoothing) 알고리즘, 주파수 도메인에서의 최대 가능성 추정(maximum likelihood estimate)을 포함하는 채널 추정을 위한 다수의 알고리즘을 수행하여, 채널 추정에 따른 채널 파라미터를 생성한다.
채널 등화기(314)는 채널 추정부(313)로부터 제공되는 채널 파라미터를 사용하여 채널 등화 주파수 도메인 심볼을 생성한다(S290). 채널 등화 주파수 도메인 심볼은 복조부(315)에 의하여 복조되며, 복조부(315)는 예를 들어 64QAM, 16QAM, QPSK과 같이 송신 장치(200)에서 부반송파를 변조하는데 사용된 특정 변조 방식에 따라 부반송파를 복조한다. 즉, 64QAM, 16QAM, QPSK와 같이 송신 장치(200)가 부반송파를 변조하는데 사용된 특정 변조 순서에 따라 부반송파를 복조한다. 복조부(315)로부터 출력되는 병렬의 심볼은 직렬 스트림으로 변환되며, 디코더(316)는 직렬 심볼을 디코딩한다(S300).
이와 같이 동작하는 본 발명의 실시 예에 따른 HPI 시스템에서 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 추정 장치의 성능을 평가하기 위하여 다음과 같은 실 험을 하였다.
부반송파를 N=2048개로 하고, 주파수 오프셋을 추정하는 추정 장치의 성능을 평가하기 위하여 몬테 칼로(Monte Carlo) 알고리즘을 사용하였다.
파일롯 심볼간 간격 Nk=16이고 CP 길이 NG=N/16이다.
이 경우 복합 PN 시퀀스는
Figure 112005015910353-pat00052
이고
Figure 112005015910353-pat00053
이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 PN 시퀀스의 추정된 타이밍 에러를 나타낸 도이다. SNR(signal-to-noise)은 5dB이고, 두 종류의 채널이 존재한다. 하나의 채널은 AWGN(added white Gaussian noise) 채널이고, 나머지 채널은 다중 경로 채널과 AWGN 채널의 조합이다. 도 6을 참조하면, PN시퀀스의 피크값은 각각 대략적으로 128과 80이며, 이 값은 정정된 타이밍 에러에 해당하는 값이다. 피크값은 최하급 채널에서의 평균값보다는 크다. 그러므로 타이밍 에러를 잘못 추정할 가능성은 매우 작다.
도 7은 본 발명의 실시 예에서 타이밍 에러를 잘못 추정할 가능성
Figure 112005015910353-pat00054
을 나타낸다. 추정 장치가 SNR이 작용하여도 정확하게 파라미터를 추정할 수 있음을 알 수 있다. 이것은 도 6에서와 같이 PN이 크게 분포된 이득 P=2048/16을 가지기 때문이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 서로 다른 채널에 대한 주파수 오프셋 추정부의 MSE(minimum square error)를 나타낸 도이다. 동기화를 위한 프리앰블 심볼 의 개수는 4개이다. 채널 모델은 6개의 경로를 가지는 일반적인 모델이 사용되었다. 다중경로 채널에서도 MSE가 CRLB(Cramer-Rao lower bound)에 근접함을 알 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 방법이 ISI를 제거하는 것을 고려하였기 때문에 다중 경로 채널에서의 성능은 CRLB에 근접하게 된다. 다중 경로 채널에서의 성능이 AWGN보다 나빠진다. 이것은 진폭이 감소되어 SNR이 영향을 받기 때문이다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따르면, 파라미터가 정확하게 선택된다면 부분적으로 또는 전적으로 다중경로 채널에 따른 ISI 및 ICI(inter-carrier interference)를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 즉, 수학식8로부터 수신되는 프리앰블 심볼은 다음과 같다.
Figure 112005015910353-pat00055
Figure 112005015910353-pat00056
에서의 모든 데이터가 다른 전단의 데이터에 의하여 양향을 받음을 알 수 있으며, 이것이 ISI 및 ICI로 명명된다. 본 발명의 실시 예에 따른 알고리즘에서는 넌제로(non-zero) 데이터의 전단에서, (M-1)데이터가 0이다.
Figure 112005015910353-pat00057
라고 가정하자. 여기서 U는 다중 경로 채널의 최대 지연
Figure 112005015910353-pat00058
과 심볼률(symbol rate) Rsps
Figure 112005015910353-pat00059
에 의해 결정된다. 그러므로 ISI가 제거되고 동기화를 위한 타이밍 에러 및 주파수 오프셋 추정장치의 성능이 향상될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권 리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따르면, 고속 휴대용 인터넷 시스템에서 송신 장치에서 송신되는 신호가 수신되어 처리되는 경우 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 정확하게 추정할 수 있다. 이에 따라 추정에 따른 파라미터가 정확하게 선택되어 다중경로 채널에 따른 ISI 및 ICI를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 그 결과 시간-주파수 동기화가 효과적으로 이루어진다.
또한 종래의 OFDM 시스템의 송신 장치 및 수신 장치와 비교하여, 송신단에서 단지 승산 동작만이 추가되고 수신 장치에서는 승산 및 합산 동작만이 추가되는 간단한 구조로서, 추정 장치를 용이하게 구현할 수 있다.
또한 단지 하나의 PN 시퀀스를 사용하여 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 함께 추정할 수 있으므로, 추정 장치의 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 고속 휴대 인터넷 시스템에서 수신되는 신호를 토대로 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법에 있어서,
    a) 상기 수신된 신호를 처리하여 OFDM 심볼--상기 수신된 신호의 OFDM 심볼의 특정 프리앰블 심볼에 송신단의 PN 시퀀스가 승산되어 있음--을 생성하고, 상기 OFDM 심볼에서 프리앰블 심볼을 추출하는 단계;
    b) 상기 추출된 프리앰블 심볼에 로컬 PN 시퀀스--상기 로컬 PN 시퀀스는 상기 송신단의 PN 시퀀스와 동일하며 시프트되어 있음--를 승산하는 단계;
    c) 상기 로컬 PN 시퀀스가 상기 추출된 프리앰블 심볼에 승산된 해당 신호의 진폭을 토대로 타이밍 에러를 추정하고, 이를 보상하는 단계; 및
    d) 상기 로컬 PN 시퀀스가 승산된 상기 프리앰블 심볼을 토대로 주파수 오프셋을 추정하고, 이를 보상하는 단계
    를 포함하는 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서
    상기 c) 단계에서 상기 로컬 PN 시퀀스가 상기 추출된 프리앰블 심볼에 승산된 해당 신호의 진폭
    Figure 112007008541795-pat00060
    의 최대값을 타이밍 에러--상기 타이밍 에러
    Figure 112007008541795-pat00061
    는
    Figure 112007008541795-pat00062
    을 만족함--로 추정하는 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법.
  3. 제2항에 있어서
    상기 진폭
    Figure 112007008541795-pat00063
    는
    Figure 112007008541795-pat00086
    의 조건을 만족하는 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법.
    K, A : 정수
    C(n-i) : PN 시퀀스 ,
    Figure 112007008541795-pat00065
    : 로컬 PN 시퀀스
    Figure 112007008541795-pat00066
    : 타이밍 에러, * ; 복소수(complex)의 공액(conjugate)
    Figure 112007008541795-pat00067
    Figure 112007008541795-pat00068
    Figure 112007008541795-pat00069
    는 화이트 가우시안 잡음에
    Figure 112007008541795-pat00070
    분산(variance)을 더한 제로-평균.
  4. 제1항에 있어서
    송신단에서 전송하고자 하는 신호에 특정 프리앰블 심볼--상기 프리앰블 심볼에 해당하는 프리앰블 시퀀스의 두 개의 넌제로 값 사이에서 나머지 값 (remaining value)이 제로임--을 삽입하는 단계;
    상기 특정 프리앰블 심볼이 삽입된 신호를 IFFT 처리하며, 상기 IFFT 처리 후에 상기 프리앰블 시퀀스의 두 개의 넌제로 값 사이의 구간이, 하나의 OFDM 심볼에서 부반송파의 길이와 IFFT 처리되기 전의 프리앰블 시퀀스의 넌제로 값 사이의 구간에 따라 달라지는 단계; 및
    상기 IFFT 처리된 신호의 상기 특정 프리앰블 심볼에 PN 시퀀스가 승산되는 단계
    를 더 포함하는 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 특정 프리앰블은
    Figure 112005015910353-pat00071
    (여기서, K, m, 그리고 I는 정수이며, 1≤i≤K-1. 0≤m≤M-1이며, A는 파일롯 진폭이며, M=N/K는 정수이다)의 조건을 토대로 하여 선택되는 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서
    상기 d) 단계에서 추정되는 주파수 오프셋은
    Figure 112005015910353-pat00072
    (여기서, m은 서로 다른 채널 조건에 따라 선택되고, m=1일 때 추정되는 범위는
    Figure 112005015910353-pat00073
    를 만족함)를 만족하는 것을 특징으로 하는 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법.
  7. 삭제
  8. 제4항에 있어서
    다중 경로 채널의 최대 지연
    Figure 112005015910353-pat00075
    과 심볼률
    Figure 112005015910353-pat00076
    , 그리고 상기 프리앰블 시퀀스의 두 개의 넌제로 값 사이의 구간을 포함하는 파라미터를 토대로 ICI(Inter Carrier Interference) 및 ISI(inter-symbol-interference)를 제거하는 단계를 더 포함하는 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 방법.
  9. 고속 휴대 인터넷 시스템에서 수신된 신호를 토대로 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 장치에서,
    상기 수신된 신호에 따른 OFDM 심볼--상기 OFDM 심볼은 특정 프리앰블 심볼에 PN 시퀀스가 승산되어 있음--에서 상기 프리앰블 심볼을 추출하는 프리앰블 추출부;
    상기 PN 시퀀스와 동일하고 일정값 시프트된 로컬 PN 시퀀스를 생성하는 로 컬 PN 생성부;
    상기 로컬 PN 시퀀스를 추출된 프리앰블 심볼에 승산하는 승산기;
    상기 승산된 신호를 토대로 하여 타이밍 에러를 추정하는 타이밍 에러 결정부; 및
    상기 로컬 PN 시퀀스가 승산된 상기 프리앰블 심볼을 토대로 주파수 오프셋을 추정하는 주파수 오프셋 추정부
    를 포함하는 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 장치.
  10. 제9항에 있어서
    상기 타이밍 에러 결정부는 상기 로컬 PN 시퀀스가 추출된 프리앰블에 승산된 신호의 진폭
    Figure 112005015910353-pat00077
    의 최대값을 타이밍 에러로 추정하는 것을 특징으로 하는 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 장치.
  11. 제9항에 있어서
    상기 타이밍 에러를 보상하는 타이밍 에러 보상부; 및
    상기 주파수 오프셋을 보상하는 주파수 오프셋 보상부
    를 더 포함하는 타이밍 에러와 주파수 오프셋을 추정하는 장치.
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