KR100887928B1 - 무선 usb 시스템의 심볼 동기 탐색 방법 - Google Patents

무선 usb 시스템의 심볼 동기 탐색 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 USB 시스템의 동기 탐색 방법에 관한 것으로서, 멀티밴드 OFDM 방식의 기저대역 모뎀에서 기준값 이상의 상호상관 값이 일정개수 이상 연속해서 입력됨을 통해 초기 심볼 시작점을 탐색한 후 초기 심볼 시작점을 기준으로 일정영역에서 상호상관도가 최대값이 나오는 위치의 누적을 통해 심볼 동기를 추적하여 최종 심볼 시작점을 계산하여 적용함으로써 정확한 심볼 시작점의 획득과 동기 추적 과정중의 오류발생 추적 과정을 통해 수신성능 향상과 하드웨어상의 복잡도 감소를 추구할 수 있는 이점이 있다.
무선 USB, MB-OFDM, 동기, 심볼, 시작점, 상호상관도, CROSS CORRELATION

Description

무선 USB 시스템의 심볼 동기 탐색 방법{METHOD FOR SEARCHING SYNCHRONIZATION SYMBOL OF WIRELESS USB SYSTEM }
본 발명은 무선 USB 시스템의 동기 탐색 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 멀티밴드 OFDM 방식의 기저대역 모뎀에서 기준값 이상의 상호상관 값이 일정개수 이상 연속해서 입력됨을 통해 초기 심볼 시작점을 탐색한 후 초기 심볼 시작점을 기준으로 일정영역에서 상호상관도가 최대값이 나오는 위치의 누적을 통해 심볼 동기를 추적하여 최종 동기심볼 시작점을 계산하여 적용하도록 하는 무선 USB 시스템의 심볼 동기 탐색 방법에 관한 것이다.
일반적으로 USB(Universal Serial Bus: 범용 직렬 버스)는 직렬 포트의 일종으로 기존의 외부 확장 포트(시리얼 혹은 패러럴)들의 느린 속도와 제한된 장치 연결 문제를 해결하여, 오디오 플레이어, 조이스틱, 키보드, 전화, 스캐너 및 프린터 등과 같은 주변장치와 컴퓨터 간을 연결하는 플러그 앤 플레이 인터페이스이다.
이러한 USB는 모뎀, 프린터, 스캐너 등의 디바이스 만을 연결하기 위해서 사 용되었던 외부 확장 포트들과 달리 서로 다른 방식으로 연결하던 키보드, 모니터, 마우스, 프린터, 모뎀 등 주변기기들을 한 번에 연결할 수 있는 것으로서, PC 본체에 USB 접속기를 하나만 갖추고 있으면 성형 접속 또는 방사형 형태로 최대 127대의 주변 장치를 연결할 수 있도록 한다.
또한, 최근에는 컴퓨터 시스템과 외부 주변 장치를 접속시키기 위한 USB 케이블의 필요성을 제거하기 위한 노력으로, 초광대역(Ultra Wide Band : UWB) 기술에 기반하는 무선 USB(wireless USB : WUSB)가 표준화되었다. 무선 USB는 최대 10미터까지의 거리에 걸쳐 USB 2.0 표준에 필적하는 통신 속도(예를 들어, 최대 480Mbps)를 지향하고 있다.
무선 USB와 같은 휴대용 기기의 근거리 통신용으로 등장한 무선 PAN(Personal Area Network) 구현을 위한 기저대역 모뎀 방식 중 멀티 밴드 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식은 Wireless USB(WUSB), Wireless 1394 및 차세대 Bluetooth를 위한 기저대역 통신 방식으로 사용되고 있다.
멀티밴드 OFDM방식(MB-OFDM)에서는 패킷의 송신은 수신기의 동기화를 위해 도 1과 같이 30개 또는 18개의 PLCP Preamble, MAC header와 패킷의 길이 및 PSDU 부분의 변조 방법 등을 포함하는 PLCP Header, 실제 전송할 데이터를 포함하는 PSDU 부분으로 구성되어 있으며, PLCP Preamble은 구체적으로 24개 혹은 12개의 반복되는 심볼을 가지는 패킷 동기 시퀀스(Packet/Frame synchronization sequence) 부분과 6개의 채널 추정 시퀀스(Channel Estimation sequence) 부분으로 구성된다.
멀티밴드 OFDM 방식은 128개의 다중 톤으로 구성되며 이를 위해 크기가 128인 FFT를 사용한다. 한 개의 OFDM 심볼은 시간 영역에서 128개의 유효한 샘플과 37개의 0값을 갖는 샘플로 구성된 165개의 샘플을 갖는다. 여기서 패킷 동기 시퀀스(Packet Synchronization sequence) 부분은 패킷 수신을 위해 가장 중요한 부분으로 송신된 패킷의 시작과 FFT를 적용할 샘플의 범위를 결정하는 과정이다.
WUSB의 경우 매 심볼마다 0값을 갖는 37개의 샘플을 IFFT 후 생성되는 128개의 샘플 값에 추가하여 전송 지연에 의해서 생기는 심볼간의 간섭 영향을 줄이는 방식으로 일반적인 OFDM 전송 방식인 심볼 구간 중의 일부 샘플을 복사하여 심볼의 앞 혹은 뒤에 붙이는 Cycle-Prefix방식과는 다른 zero padding 방식을 사용한다.
Zero Padding 방식인 경우 보다 정확한 FFT를 적용할 샘플 윈도우를 요구하게 되는데, 이때 부정확한 심볼 동기는 복원할 OFDM 심볼을 부정확하게 생성하는 결과를 유도하므로 패킷 전송이 이루어지지 못하는 결과를 유도한다. 이러한 잘못된 심볼 동기과정은 송신기 및 수신기가 가지는 불일치성에 의한 오류와 함께 무선 채널상의 특성 및 AWGN과 그 외 발생되는 오류들에 의해서 발생된다.
결국 정확한 심볼 동기를 찾는 과정은 PLCP 헤더 및 PSDU 정보의 정확한 복원을 위한 시작점이며 기저대역 모뎀설계에 있어 가장 중요한 블록 중 한 부분이 된다
OFDM 변조(modulation) 방법을 이용하는 통신 시스템의 경우 일반적으로 Cycle-Prefix 방식을 이용하며 이 경우 정확한 OFDM의 심볼 시작점을 찾지 않고도 Cyclic-Prefix의 특성을 이용하여 수신된 샘플의 FFT 연산된 결과의 후처리 과정을 통해서 OFDM 복조(demodulation) 과정을 수행할 수 있다.
예를 들어 대표적인 OFDM 변조를 이용한 Packet 전송 방식인 802.11a/g 시스템의 경우에는 Cyclic-Prefix 방식을 이용하기 때문에 정확한 심볼 동기 탐색 방식보다는 대략적인 탐색방법으로 성능을 만족시킬 수 있었다.
그러나 Wireless USB에 사용된 Zero-Padding 방식의 경우에는 정확한 심볼 시작점 탐색을 요구한다.
또한 초기 탐색과정에는 전송 패킷의 시작점을 모르는 상태이기 때문에 수신 이득의 불일치, DC-오프셋, 주파수 오프셋(Frequency Offset) 등이 내재하고 있으며 AWGN 등에 의한 탐색 오류 등이 발생할 수 있다.
심볼 시작점 탐색 과정의 오류는 패킷의 손실뿐 아니라 휴대용 기기에 이용될 경우 전력(power)의 손실 등을 초래할 수 있으므로 오류경고에 대한 대응 또한 필요하다.
한편, Wireless USB에 채택된 MB-OFDM 방식은 또한 TFI 모드의 경우 채널에 따라 도 2와 같이 4가지 타입의 중심 주파수 도약을 함께 이용한다.
4가지 타입 모두 로우밴드(low band)에서 시작되므로 심볼의 탐색은 로우밴드를 기준으로 시작한다. 주파수 도약은 3심볼 혹은 6심볼 단위로 도약이 발생하므로 도 1과 같이 24개의 심볼로 프리앰블(Preamble)이 이루어진 경우에는 8번의 심볼 탐색 기회만이 주어지며 심볼 탐색과정 이외에도 AGC, DC-오프셋, 주파수 오프셋(Frequency Offset) 등의 과정도 함께 이루어져야 되므로 최대한의 기회 구간을 이용하여야 하고, TFI모드의 경우 동기 과정은 OFDM 심볼 시작점에 대한 동기화와 함께 주파수 도약에 대한 동기화도 함께 고려하여야만 한다.
본 발명은 상기와 같은 필요를 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 멀티밴드 OFDM 방식의 기저대역 모뎀에서 기준값 이상의 값이 일정개수 이상 연속해서 입력됨을 통해 초기 심볼 시작점을 탐색한 후 초기 심볼 시작점을 기준으로 반복되는 프리앰블(Preamble)내의 일정영역에서 상호상관도가 최대값이 나오는 위치의 누적을 통해 심볼 동기를 추적하여 최종 심볼 시작점을 계산하여 적용하도록 하는 무선 USB 시스템의 동기 탐색 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 이루기 위한 본 발명은 멀티밴드 OFDM 방식을 채택한 무선 USB 시스템에서 심볼 시작점을 탐색하는 무선 USB 시스템의 동기 탐색 방법에 있어서, 무선 USB 시스템에 입력되는 신호와 기준 심볼의 복소 부호 값을 비교하여 상호상관도를 산출하는 제 1단계와, 산출된 상호상관도와 임계값을 비교하여 초기 심볼 시작점을 계산하는 제 2단계와, 초기 심볼 시작점을 계산한 후 주파수 도약 사용여부에 따라 주파수 도약 동기를 탐색하는 제 3단계와, 주파수 도약 동기를 탐색한 후 아날로그 효과를 최소화하는 제 4단계와, 아날로그 효과를 최소화한 후 초기 심볼 시작점을 기준으로 발생되는 최대값의 위치를 추적하여 심볼 동기를 추적 하는 제 5단계와, 심볼 동기를 추적하여 최종 심볼 시작점을 계산하여 적용하는 제 6단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 초기 심볼 시작점을 계산하는 제 2단계는 상호상관도가 임계값 이상의 값이 검출될 때부터 일정개수의 입력신호에 대해 상호상관도의 최대값을 검출하여 초기 심볼 시작점을 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 아날로그 효과를 최소화하는 제 4단계는 AGC, DC오프셋, 주파수 오프셋을 적용하는 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 심볼 동기를 추적하는 제 5단계는 초기 심볼 시작점을 기준으로 계산하여 예측되는 상호상관도의 최대값이 발생될 위치의 전후 일정한 구간영역에서 발생하는 상호상관도가 임계값 이상일 경우 해당 위치의 히트율을 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 심볼 동기를 추적하는 제 5단계에서 입력되는 신호와 기준 심볼을 비교하여 일정한 구간영역에서 상호상관도의 최대값이 임계값 이하일 경우나 일정한 구간영역 외에서 상호상관도의 최대값이 발생할 경우 오류 경고(False Alarm) 계수 값을 증가시켜 오류경고(False Alarm) 계수값이 기준설정값 이상일 경우 오류를 발생시키고 제 1단계로 리턴되는 것을 특징으로 한다.
이때 오류경고(False Alarm) 계수 값은 일정한 구간영역에서 상호상관도의 최대값이 임계값 이하일 경우나 일정한 구간영역 외에서 상호상관도의 최대값이 발생할 경우 증가시키고 일정한 구간영역에서 상호상관도의 최대값이 임계값을 초과할 경우 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 심볼 동기를 추적하는 제 5단계는 동기 시퀀스의 경계가 탐색될 때까지 반복되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명은 멀티밴드 OFDM 방식의 기저대역 모뎀에서 기준값 이상의 상호 상관값이 일정개수 이상 연속해서 입력됨을 통해 초기 심볼 시작점을 탐색한 후 초기 심볼 시작점을 기준으로 반복되는 프리앰블(Preamble)내의 일정영역에서 상호상관도가 최대값이 나오는 위치의 누적을 통해 심볼 동기를 추적하여 최종 심볼 시작점을 계산하여 적용함으로써 정확한 심볼 시작점의 획득과 동기 추적 과정중의 오류발생 추적 과정을 통해 수신성능 향상과 하드웨어상의 복잡도 감소를 추구할 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하며 종래 구성과 동일한 부분은 동일한 부호 및 명칭을 사용한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 무선 USB 시스템의 동기 탐색 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 멀티밴드 OFDM 방식을 채택한 무선 USB 시스템에서 심볼의 탐색을 시작하여 입력되는 신호와 기준 심볼을 상호 비교하여 상호상관도(cross correlation)를 산출한다(S10). 이때 상호 상관도는 입력신호와 기준 심볼의 복소 부호 값만을 이용하여 계산함으로서 하드웨어 사용을 최소화 한다.
이렇게 입력되는 신호와 기준 심볼과의 상호상관도를 산출하여 산출된 상호상관도가 임계값을 넘을 경우 이때부터 일정개수 입력되는 신호에 대해 상호상관도가 최대값이 되는 위치를 계산하여 초기 심볼 시작점을 계산하게 된다(S12)(S14).
즉, 상호상관도가 임계값을 넘을 경우 입력신호에 유효한 심볼이 수신되기 시작한 것으로 간주하여 이후 일정개수의 입력되는 신호에 대해 상호상관도를 관찰하게 되며 이전에 저장된 상호상관도보다 새롭게 계산된 상호상관도가 높을 경우 저장된 상호상관도를 갱신하여 최대값을 갖는 위치를 찾게 된다.
이렇게 찾은 최대값을 갖는 위치는 기준 심볼과 입력된 신호가 일치한 것으로 판단하여 이로부터 초기 심볼 시작점을 계산하게 된다.
이와 같이 초기 심볼 시작점을 계산한 후 도 2에 도시된 바와 같은 주파수 도약의 사용여부를 판단하여 주파수 도약을 사용한 경우 주파수 도약 동기를 탐색하게 된다(S16)(S18).
예를 들어 TFC 값이 3번과 4번의 경우에는 초기 심볼이 주파수 도약 패턴의 1번째 심볼과 2번째 심볼에서 발생할 수 있기 때문에 초기 심볼 시작점을 계산한 후 입력되는 신호의 예상되는 위치에서의 상호상관도가 임계값보다 크다면 1번째 심볼에서 초기 심볼을 탐색한 것으로 판단하여 다음 입력되는 신호의 심볼은 3번째 심볼로 판단하여 주파수 도약을 하게 되고, 작다면 2번째 심볼에서 초기 심볼을 탐색한 것으로 판단하여 다음 입력되는 신호의 심볼은 4번째 심볼로 판단하여 주파수 도약을 하게 된다.
이렇게 주파수 도약 동기를 탐색한 후 아날로그 효과를 최소화하기 위해 AGC(Auto Gain Control), DC오프셋(DC-offset), 주파수 오프셋(Frequency offset)을 적용하게 된다(S20).
이와 같이 아날로그 효과를 최소화하기 위해 AGC, DC오프셋, 주파수 오프셋을 적용한 후 패킷동기 시퀀스(Packet Synchronization Sequence)의 경계를 탐색하기 시작한다(S22).
이렇게 패킷동기 시퀀스의 경계를 탐색하기 시작하여 패킷동기 시퀀스의 경계를 탐색할 때까지 초기 심볼 시작점을 기준으로 예측되는 상호상관도가 최대값이 발생될 위치의 전후 일정한 구간영역에서 실제 발생되는 상호상관도의 최대값의 위치를 추적하여 심볼 동기를 추적한(S24) 후 최대값이 발생한 위치의 빈도를 기반으로 최종 심볼 시작점을 계산하여 적용하게 된다(S30).
즉, 초기 심볼 시작점을 계산하기 위한 과정에서 얻어진 결과를 바탕으로 예측되는 상호상관도가 최대가 될 위치를 중심으로 전후의 일정한 구간영역에서 산출되는 상호상관도가 임계값 이상일때 발생하는 최대값에 대한 해당 위치의 히트율을 증가시킨다.
이렇게 일정한 구간영역에서 임계값 이상을 가지며 최대값을 나타내는 위치의 히트율을 카운트하여 최대 히트율을 나타낸 위치를 통해 최종 동기심볼 시작점 을 재 계산하게 된다.
이때 패킷동기 시퀀스의 경계가 탐색될 경우(S28)에는 심볼 동기 추적을 종료하고 최종 심볼 시작점을 계산하게 되는 한편, 동기 추적 중 입력되는 신호와 기준 심볼을 비교하여 예상되는 구간영역 내에서 상호상관도의 최대값이 임계값 이하일 경우이거나 예상되는 구간영역 밖에서 상호상관도의 최대값이 발생하는 경우 오류경고(False Alarm) 계수값을 증가시켜 오류경고(False Alarm) 값이 기준설정값 이상일 때 오류를 발생시키고 심볼을 재탐색하게 된다(S26).
오류를 발생하기 위한 오류경고(False Alarm) 계수는 예상되는 일정한 구간영역에서 상호상관도의 최대값이 임계값 이하일 경우 또는 일정한 구간영역 밖에서 상호상관도의 최대값이 발생할 경우 증가시키고 일정한 구간영역에서 상호상관도의 최대값이 임계값을 초과할 경우 감소시킴으로써 이 오류경고 계수값이 기준설정값을 넘어서면 초기 동기 탐색이 실패한 것으로 간주하여 심볼을 재탐색하게 된다.
도 1은 일반적인 무선 USB 시스템의 멀티밴드 OFDM 방식의 패킷 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적인 무선 USB 시스템의 주파수 도약 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 무선 USB 시스템의 동기 탐색 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

Claims (7)

  1. 멀티밴드 OFDM 방식을 채택한 무선 USB 시스템에서 심볼 시작점을 탐색하는 무선 USB 시스템의 동기 탐색 방법에 있어서,
    상기 무선 USB 시스템에 입력되는 신호와 기준 심볼의 복소 부호를 비교하여 상호상관도를 산출하는 제 1단계와,
    산출된 상기 상호상관도와 임계값을 비교하여 초기 심볼 시작점을 계산하는 제 2단계와,
    상기 초기 심볼 시작점을 계산한 후 주파수 도약 사용여부에 따라 주파수 도약 동기를 탐색하는 제 3단계와,
    상기 주파수 도약 동기를 탐색한 후 아날로그 효과를 최소화하는 제 4단계와,
    상기 아날로그 효과를 최소화한 후 상기 초기 심볼 시작점을 기준으로 발생되는 최대값의 위치를 추적하여 동기 시퀀스의 경계가 탐색될 때까지 반복심볼 동기를 추적하는 제 5단계와,
    상기 최대값의 위치를 추적하여 최종 심볼 시작점을 계산하여 적용하는 제 6단계
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 무선 USB 시스템의 동기 탐색 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 초기 심볼 시작점을 계산하는 제 2단계는 상기 상호상관도가 상기 임계값 이상의 값이 검출될 때부터 일정개수의 입력신호에 대해 상기 상호상관도의 최대값을 검출하여 상기 초기 심볼 시작점을 계산하는 것을 특징으로 하는 무선 USB 시스템의 동기 탐색 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 아날로그 효과를 최소화하는 제 4단계는 AGC, DC오프셋, 주파수 오프셋을 적용하는 하는 것을 특징으로 하는 무선 USB 시스템의 동기 탐색 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 심볼 동기를 추적하는 제 5단계는 상기 초기 심볼 시작점을 기준으로 계산하여 예측되는 상기 상호상관도의 최대값이 발생될 위치의 전후 일정한 구간영역에서 발생하는 상기 상호상관도가 상기 임계값 이상일 경우 해당 위치의 히트율을 계산하는 것을 특징으로 하는 무선 USB 시스템의 동기 탐색 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 심볼 동기를 추적하는 제 5단계에서 상기 입력되는 신호와 상기 기준 심볼을 비교하여 일정한 구간영역에서 상기 상호상관도의 최대값 이 임계값 이하일 경우나 상기 일정한 구간영역 외에서 상기 상호상관도의 최대값이 발생할 경우 오류 경고 계수값을 증가시켜 상기 오류경고 계수값이 기준설정값 이상일 경우 오류를 발생시키고 제 1단계로 리턴되는 것을 특징으로 하는 무선 USB 시스템의 동기 탐색 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 오류경고 계수값은 상기 일정한 구간영역에서 상기 상호상관도의 최대값이 임계값 이하일 경우나 상기 일정한 구간영역 외에서 상기 상호상관도의 최대값이 발생할 경우 증가시키고, 상기 일정한 구간영역에서 상기 상호상관도의 최대값이 상기 임계값을 초과할 경우 감소시키는 것을 특징으로 하는 무선 USB 시스템의 동기 탐색 방법.
  7. 삭제
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