KR100768102B1 - 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신시스템에서의 위상 추적 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은, 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치 및 그 방법에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은, 역확산 코드값과 수신신호의 상호 상관 함수값을 이용하여 추출한 심벌에 위상 천이값을 적용하여 수신신호의 위상 에러를 검출하고, 상기 검출한 위상 에러와 이전 루프 출력을 루프 이득으로 조절하여 다음 심벌에 대한 루프 출력을 획득한 후 위상 레벨의 범위에 맞게 조절하며, 상기 조절한 루프 출력의 잉여 주파수 옵셋을 감소시켜 위상 에러를 보상함으로써, 높은 성능과 낮은 복잡도를 가지는 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치에 있어서, 역확산 코드값과 수신신호의 상호 상관 함수값을 이용하여 추출한 심벌에 위상 천이값을 적용하여 수신신호의 위상 에러를 검출하기 위한 위상 에러 검출수단; 상기 위상 에러 검출수단에서 검출한 위상 에러와 이전 루프 출력을 루프 이득으로 조절하여 다음 심벌에 대한 루프 출력을 획득하기 위한 루프 필터링수단; 상기 루프 필터링수단의 출력을 위상 레벨의 범위에 맞게 조절하기 위한 레벨 조절수단; 및 상기 레벨 조절수단에서 조절한 루프 출력의 잉여 주파수 옵셋을 감소시켜 위상 에러를 보상하기 위한 위상 에러 보상수단을 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 위상 추적 등에 이용됨.

무선 피코셀 통신 시스템(Wireless Pico cell System), 위상잡음(Phase Noise), 심벌 타이밍(Symbol Timing), 자기상관(Autocorrelation)

Description

직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치 및 그 방법{Apparatus and Method for Phase Tracking in the Wireless Pico Cell Communication Systems}

도 1 은 본 발명이 적용되는 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템의 일실시예 구성도,

도 2 는 본 발명에 따른 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치의 일실시예 구성도,

도 3 은 본 발명에 따른 위상 추적 장치의 성능 분석결과를 나타내는 일예시도,

도 4 는 본 발명에 따른 위상 추적 장치의 성능 분석결과를 나타내는 다른 예시도,

도 5 는 본 발명에 따른 위상 추적 장치에서의 위상 추적 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

20 : 등화기 21 : 위상 에러 검출기

22 : 루프 필터 23 : 레벨 조절기

24 : 위상 에러 보상기

본 발명은 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 역확산 코드값과 수신신호의 상호 상관 함수값을 이용하여 추출한 심벌에 위상 천이값을 적용하여 수신신호의 위상 에러를 검출하고, 상기 검출한 위상 에러와 이전 루프 출력을 루프 이득으로 조절하여 다음 심벌에 대한 루프 출력을 획득한 후 위상 레벨의 범위에 맞게 조절하며, 상기 조절한 루프 출력의 잉여 주파수 옵셋을 감소시켜 위상 에러를 보상하기 위한, 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 직접 시퀀스 대역 확산(DSSS : Direct Sequence Spread Spectrum) 방식은 하나의 신호 심벌을 일정한 시퀀스로 확산시켜 통신하는 방식을 말한다.

즉, 송신측에서 의사 잡음 시퀀스(pseudo-random noise sequence)에 송신하고자 하는 신호를 입력시켜 주파수당 전력 밀도가 낮아진 확산 대역 스펙트럼 신호를 획득한 후 이를 수신측으로 전송하면, 수신측에서는 동일한 의사 잡음 시퀀스를 이용하여 원 신호를 재생한다.

직접 시퀀스 대역 확산 방식은 변조의 효율성이 좋고, 신호의 동기가 빠르며, 낮아진 전력 밀도로 인하여 대역 내 간섭이 적은 장점이 있어, 부호 분할 다중 접속(CDMA) 기법에 이용되고 왔으며, 최근 이슈화되고 있는 지그비(Zigbee) 통신에도 이용되고 있다.

이러한 직접 시퀀스 대역 확산 방식이 적용된 무선 피코셀 시스템은, 다른 무선통신 시스템의 경우와 마찬가지로 수신단에서의 위상 변화로 인하여 성능 저하를 일으킨다. 즉, 수신단에서의 위상의 변화가 신호 대 잡음비(SNR : Signal to Noise Ratio)의 감소를 유발하여 무선 피코셀 시스템의 성능을 저하시킨다.

또한, 수신단에서의 샘플링 주파수(Sampling Frequency) 차이로 인해 발생한 샘플링 시점의 오차도, 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 시스템의 성능을 저하시킨다.

이때, 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 시스템의 송신기와 수신기는 동일한 주파수를 발생하는 발진기(Oscillator)를 이용함에도 불구하고, 실제 수신 과정에서 위상 오차(Phase Offset)가 발생한다.

아울러, 페이딩 채널에서의 도플러 효과(doppler shift)에 의해서도 위상 천이가 발생할 수 있는데, 이러한 위상 천이는 수신기에서의 정확한 신호 복조 과정에서 성능을 열화시킨다.

이러한 문제는 수신신호의 주파수 오차를 주파수 옵셋 추정 알고리즘을 이용하여 최소화하였다 하더라도, 정확한 주파수 오차 보상이 이루어지지 않으면 여전 히 수신신호의 복조 과정에서 에러가 발생한다.

결국, 잉여 주파수 오차에 의해 심벌의 위상이 천이되는 현상이 발생하며, 이로 인해 정확한 신호의 복조가 어려워지게 된다.

따라서, 이러한 위상 오차로 인해 발생할 수 있는 에러를 제거하고, 최소화된 주파수 오차를 더 이상 증가하지 않도록 유지하는 방안이 요구되고 있다.

본 발명은 상기 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 역확산 코드값과 수신신호의 상호 상관 함수값을 이용하여 추출한 심벌에 위상 천이값을 적용하여 수신신호의 위상 에러를 검출하고, 상기 검출한 위상 에러와 이전 루프 출력을 루프 이득으로 조절하여 다음 심벌에 대한 루프 출력을 획득한 후 위상 레벨의 범위에 맞게 조절하며, 상기 조절한 루프 출력의 잉여 주파수 옵셋을 감소시켜 위상 에러를 보상함으로써, 높은 성능과 낮은 복잡도를 가지는 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치에 있어서, 역확산 코드값과 수신신호의 상호 상관 함수값을 이용하여 추출한 심벌에 위상 천이값을 적용하여 수신신호의 위상 에러를 검출하기 위한 위상 에러 검출수단; 상기 위상 에러 검출수단에서 검출한 위상 에러와 이전 루프 출력을 루프 이득으로 조절하여 다음 심벌에 대한 루프 출력을 획득하기 위한 루프 필터링수단; 상기 루프 필터링수단의 출력을 위상 레벨의 범위에 맞게 조절하기 위한 레벨 조절수단; 및 상기 레벨 조절수단에서 조절한 루프 출력의 잉여 주파수 옵셋을 감소시켜 위상 에러를 보상하기 위한 위상 에러 보상수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 방법은, 위상 추적 장치에서의 위상 추적 방법에 있어서, 역확산 코드값과 수신신호의 상호 상관 함수값을 이용하여 추출한 심벌에 위상 천이값을 적용하여 수신신호의 위상 에러를 검출하는 단계; 상기 검출한 위상 에러와 이전 루프 출력을 루프 이득으로 조절하여 다음 심벌에 대한 루프 출력을 획득하는 단계; 상기 획득한 루프 출력을 위상 레벨의 범위에 맞게 조절하는 단계; 및 상기 조절한 루프 출력의 잉여 주파수 옵셋을 감소시켜 위상 에러를 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 심벌을 복조하는 과정에서 잉여 주파수 옵셋(offset)으로 인한 위상 에러를 폐회로(Closed-Loop) 형태의 보상 메커니즘을 통해 제거하여 정확한 심벌 위치로 이동하도록 하며, 2개의 parameter

에 따라 정상 상태(Steady-state)로 도달하는 응답 시간과 지터 변동(jitter variance)을 조절한 다.

또한, 본 발명은 수신단에서 반송파 주파수 및 샘플링 주파수의 오차로 인한 잔류 위상을 추적하여 그에 따른 보상 작업을 수행한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 은 본 발명이 적용되는 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템의 일실시예 구성도이다.

먼저, 위상 추적 장치(11)는 잉여의 주파수 오차로 인해 발생할 수 있는 에러를 제거하고, 채널계수 추정 알고리즘 등을 통해 최소화된 주파수 오차가 더 이상 증가하지 않도록 유지하는 기능을 수행한다.

즉, 위상 추정 장치(11)는 역확산 코드값과 수신신호의 상호 상관 함수값을 이용하여 추출한 심벌에 위상 천이값을 적용하여 수신신호의 위상 에러를 검출하고, 상기 검출한 위상 에러와 이전 루프 출력을 루프 이득으로 조절하여 다음 심벌에 대한 루프 출력을 획득한 후 위상 레벨의 범위에 맞게 조절하며, 상기 조절한 루프 출력의 잉여 주파수 옵셋을 감소시켜 위상 에러를 보상한다.

또한, 등화기(DFE : Decision Feedback Equalizer)(12)는 수신신호를 역확산시켜 심벌을 추출한다.

또한, CMF(Channel Matched Filter)(13)는 채널에 의한 신호 간섭 영향을 최소화한다.

도 2 는 본 발명에 따른 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치의 일실시예 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치는, 심벌에 위상 천이값을 적용하여 수신신호의 위상 에러를 검출하기 위한 위상 에러 검출기(Phase Error Detector)(21), 상기 위상 에러 검출기(21)에서 검출한 위상 에러와 이전 루프 출력을 루프 이득으로 조절하여 다음 심벌에 대한 루프 출력을 획득하기 위한 루프 필터(Loop Filter)(22), 상기 루프 필터(22)의 출력을 위상 레벨의 범위에 맞게 조절하기 위한 레벨 조절기(23), 및 상기 레벨 조절기(23)에서 조절한 루프 출력에 이전 보상과정에 반영된 루프 출력을 더한 값을 다음 수신신호에 반영하여 위상 에러를 보상하기 위한 위상 에러 보상기(24)를 포함한다.

부가적으로, 등화기(DFE)(25)는 역확산기(Despreader)를 통해 역확산 코드값과 수신신호(r(n))의 상호 상관 함수값을 이용하여 심벌을 추출한다.

이하, 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치의 위상 추적 방법에 대해 살펴보기로 한다.

먼저, 위상 에러 검출기(21)는 등화기(DFE) 내에서의 역확산을 위해 곱하는 데이터(확산시 곱한 데이터), 일예로 "11-chip Barker code"나 "complementary code"에 해당하는 코드값(codeword)과 수신신호의 상호 상관 함수값을 이용하여 심벌(R(n))을 추출한다. 이때, 위상 에러 보상기(24)에서 수신한 패킷을 r(n)이라고 할 때, 추출한 심벌(R(n))은 하기의 [수학식 1]과 같다.

여기서, M은 "11-chip(역확산을 위해 곱하는 11비트)" 또는 코드값(codeword) 길이에 해당하는 심벌 주기를 말하며, C(i)는 "11-chip Barker code(역확산을 위해 곱하는 11비트 중 하나의 비트)" 또는 코드값을 의미한다.

이후, 상기 추출한 현재 심벌(R(n))에 대해 4 가지 위상(0,

,

,

) 천이 값을 이용하여, 하기의 [수학식 2]와 같은 위상 에러를 검출한다.

이때, 심벌이 DQPSK(Differential Quardrature Phase Shift Keying) 방식을 통해 변조되어, 변조 특성이 DQPSK 범주 내에 존재하기 때문에 잉여 주파수 옵셋 등에 의해 나타나는 현재 심벌의 위상 에러는

의 범위 내에 존재한다.

이후, 상기 [수학식 2]와 같은 위상 에러에서 잡음 등을 제거하기 위해 하기의 [수학식 3]과 같이 2차 루프 필터링을 수행한다.

여기서,

는 루프 이득(Loop Gain)을 의미하는 파라미터(parameter)이다.

이후, 이전 필터 출력값과 현재 검출한 위상 에러를 루프 이득으로 조절하여 다음 심벌에 대한 루프 출력을 얻어낸다. 이는 하기의 [수학식 4]와 같다. 부가적으로, 보상하고자 하는 위상 레벨의 범위에 적응하도록 루프 출력에 대한 웨이팅(weighting) 과정(일종의 필터링 과정)을 수행하는 것이 바람직하다.

이후, 상기 [수학식 4]를 통해 획득한 현재 심벌에 대한 위상 에러를 이용하여 하기의 [수학식 5]와 같이 다음 심벌에 위상 에러를 보상한다.

즉, 이전(n-1) 보상 과정에서 반영된 위상 에러

에 현재(n) 시점의 위상 에러(수학식 4) 검출 값으로 다음 심벌 데이터인 r(n+1)의 위상 에러를 보상하여, 최종적으로 수신 신호에 남아 있는 잉여 주파수 옵셋(offset)을 점차 감소시킨다.

도 3 은 본 발명에 따른 위상 추적 장치의 성능 분석결과를 나타내는 일예시도로서, AWGN(Additive White Gaussian Noise) 채널 하에서 1KHz의 주파수 옵셋을 부여했을 때 루프 이득에 따른 정상 상태(Steady-state)에서의 "RMS jitter"를 측정한 예이다.

먼저, 루프 이득

를 0.95, 0.97, 0.99로 부여하고, 웨이팅(weighting) 값은 0.1로 고정하였다. 이때, 그래프는 신호대잡음비(SNR)가 변화함에 따라 정상상태에서의 "RMS jitter"를 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이, 루프 이득이 크면 클수록 정상상태에서의 "jitter" 변동이 작아져 복조기 성능 열화가 적게 나타남을 알 수 있고, SNR이 변화함에 따라 "RMS jitter" 값이 점차 감소함을 알 수 있다.

도 4 는 본 발명에 따른 위상 추적 장치의 성능 분석결과를 나타내는 다른 예시도로서, SNR이 10dB 이하인 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 채널에서, 1KHz 주파수 옵셋을 부여했을 때, 순간적인 보상(Transient compensation) 응답을 루프 이득별로 시간에 따라 측정한 결과를 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이, 각 타임 인덱스(time index) 별로 100번의 패킷 반복을 수행하여 평균적으로 나타난 위상 추적 결과를 주파수로 변환하여 표시하였다.

즉, 루프 이득이 작을수록 정상상태에서의 파동(fluctuation)이 증가하면서, "jitter" 변동이 크게 나타나는 반면, 루프 이득이 클수록 정상상태에서의 파동이 거의 나타나지 않아 "jitter" 변동이 낮은 레벨에서 유지되는 경향을 알 수 있다.

도 5 는 본 발명에 따른 위상 추적 장치에서의 위상 추적 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

먼저, 심벌에 위상 천이값을 적용하여 수신신호의 위상 에러를 검출한다(501).

이후, 상기 검출한 위상 에러와 이전 루프 출력을 루프 이득으로 조절하여 다음 심벌에 대한 루프 출력을 획득한다(502).

이후, 상기 획득한 루프 출력을 위상 레벨의 범위에 맞게 조절한다(503).

이후, 상기 조절한 루프 출력의 잉여 주파수 옵셋을 감소시켜 위상 에러를 보상한다(504).

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디 스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은, 역확산 코드값과 수신신호의 상호 상관 함수값을 이용하여 추출한 심벌에 위상 천이값을 적용하여 수신신호의 위상 에러를 검출하고, 상기 검출한 위상 에러와 이전 루프 출력을 루프 이득으로 조절하여 다음 심벌에 대한 루프 출력을 획득한 후 위상 레벨의 범위에 맞게 조절하며, 상기 조절한 루프 출력의 잉여 주파수 옵셋을 감소시켜 위상 에러를 보상함으로써, 시스템 성능을 향상시키고 낮은 복잡도를 가지는 시스템을 구현할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치에 있어서,

   역확산 코드값과 수신신호의 상호 상관 함수값을 이용하여 추출한 심벌에 위상 천이값을 적용하여 수신신호의 위상 에러를 검출하기 위한 위상 에러 검출수단;

   상기 위상 에러 검출수단에서 검출한 위상 에러와 이전 루프 출력을 루프 이득으로 조절하여 다음 심벌에 대한 루프 출력을 획득하기 위한 루프 필터링수단;

   상기 루프 필터링수단의 출력을 위상 레벨의 범위에 맞게 조절하기 위한 레벨 조절수단; 및

   상기 레벨 조절수단에서 조절한 루프 출력에 이전 보상과정에 반영된 루프 출력을 더한 값을 다음 수신신호에 반영하여 위상 에러를 보상하기 위한 위상 에러 보상수단

   을 포함하는 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 위상 에러 검출수단은,

   (0,

   

   ,

   

   ,

   

   )인 위상 천이값을 이용하여 수신신호의 위상 에러를 검출하는 것을 특징으로 하는 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 검출한 위상 에러는,

   상기의 [수학식 A]와 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치.

   [수학식 A]

   

   여기서, R(n)은 심벌을 의미한다.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 루프 필터링수단은,

   하기의 [수학식 B]를 이용하여 루프 필터링하는 것을 특징으로 하는 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치.

   [수학식 B]

   

   여기서,

   

   는 루프 이득(Loop Gain)을 의미하는 파라미터(parameter)이다.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 위상 에러 보상수단은,

   이전(n-1) 보상 과정에서 반영된 위상 에러

   

   에 현재(n) 시점의 위상 에러 검출 값으로 다음 심벌 데이터인 r(n+1)의 위상 에러를 보상하여, 최종적으로 수신 신호에 남아 있는 잉여 주파수 옵셋(offset)을 점차 감소시키는 것을 특징으로 하는 직접 시퀀스 대역 확산 방식의 무선 피코셀 통신 시스템에서의 위상 추적 장치.
6. 위상 추적 장치에서의 위상 추적 방법에 있어서,

   역확산 코드값과 수신신호의 상호 상관 함수값을 이용하여 추출한 심벌에 위상 천이값을 적용하여 수신신호의 위상 에러를 검출하는 단계;

   상기 검출한 위상 에러와 이전 루프 출력을 루프 이득으로 조절하여 다음 심벌에 대한 루프 출력을 획득하는 단계;

   상기 획득한 루프 출력을 위상 레벨의 범위에 맞게 조절하는 단계; 및

   상기 조절한 루프 출력의 잉여 주파수 옵셋을 감소시켜 위상 에러를 보상하는 단계

   를 포함하는 위상 추적 장치에서의 위상 추적 방법.

Images