KR100929704B1 - 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법에 관한 것으로서, IEEE 802.11n 드래프트 표준의 HT mixed mode의 프리앰블 포맷에 따른 짧은 훈련 심볼(Legacy Short Training Symbol)을 이용하여 수신신호의 자기상관함수를 산출하는 단계와; 상기 산출된 자기상관 함수들을 합산하는 단계와; 상기 합산된 자기상관함수의 평탄면을 제거한 후 선택된 최대값을 저정밀시간동기 추정값으로 설정하는 단계와; 상기 프리앰블 포맷에 따른 긴 훈련 심볼(Legacy Long Training Symbol)의 공액복소수 대칭 특성을 이용한 정밀시간동기 함수를 이용하여 정밀시간동기 함수값을 산출하는 단계와; 상기 저정밀시간동기 추정값에 기초하여 검색구간 윈도우를 설정하는 단계와; 상기 검색구간 윈도우 내에서 상기 정밀시간동기 함수값의 최대값을 탐색하여 시간동기를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 동기화 수행을 위한 연산량을 감소시킬 수 있고 정확한 시간동기화를 수행할 수 있다.
Description
본 발명은 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, MIMO-OFDM(Multiple Input Multiple Output Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반 차세대 무선 LAN 시스템의 IEEE 802.11n 드래프트 표준에 따라 HT(High Throughput) mixed mode로 동작하는 경우, 시간동기 획득을 위한 연산량을 감소시켜 고속 처리가 가능하고 시간동기 오류를 감소시킬 수 있는 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법에 관한 것이다.
무선 네트워크에 관한 표준 규격으로는 IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.11 등을 들 수 있다.
예를 들면 IEEE802.11a/g는 무선 LAN의 표준 규격으로서, 멀티 캐리어 방식의 하나인 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: 직교 주파수 분할 다중) 변조 방식을 적용하고 있다. IEEE802.11a/g의 규격에서는 최대로 54Mbps의 통신 속도를 지원하나, 대용량 데이터의 수요가 증가하면서 더 높은 데이터 전송률이 요구되고 있다.
이에, 통신 속도의 향상을 위해, IEEE802.11a/g의 확장 규격인 IEEE802.11n에 대한 표준화가 진행되고 있다. IEEE802.11n은 높은 데이터 전송률을 보장하기 위해, 다중 입력 다중 출력(Multiple-Input Multiple-Output: 이하 'MIMO'라 칭함) 시스템에 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: 직교주파수분할 다중) 변조 방식을 적용하고 있다. MIMO 시스템은 송신기측과 수신기측의 쌍방에서 복수의 안테나 소자를 구비하고, 공간 다중화된 복수의 공간 스트림을 이용하여, 다중경로 페이딩 무선채널 환경에서 높은 데이터 전송율과 대역폭 효율성을 얻을 수 있다. 또한, IEEE802.11n은 변조 방식이나 부호화 방식 등의 전송 방식(Modulation and Coding Scheme :MCS)을 IEEE802.11a/g와는 달리하여, 고(高) 스루풋(High Throughput: HT) 전송을 실현한다.
그런데, IEEE 802.11n 표준에 MIMO-OFDM 시간동기화를 위해 직교성을 갖는 새로운 구조의 프리앰블을 적용할 경우, 기존의 IEEE802.11a/g 방식의 무선 LAN 장비들과의 호환성을 제공할 수 없다. 이에, IEEE 802.11n 드래프트 표준에서는 기존 장비와의 호환성을 위해 3가지 모드를 제공하여 각 모드에서 사용되는 프리앰블을 정의하고 있다. IEEE 802.11n 드래프트 표준에서 제시하는 모드로는, 기존 무선랜의 프리앰블과 같은 Non-HT 모드(레거시(Legacy) 모드), 레거시 프리앰블과 HT(High Throughput) 프리앰블이 결합되어 있는 HT mixed mode, 높은 데이터 전송률을 위한 HT Greenfield 모드로 구성되어있다.
여기서, HT mixed mode에서는 패킷의 헤더에, IEEE802.11a/g와 완전히 같은 포맷으로 이루어지는 프리앰블(이하에서는, 레거시·프리앰블(legacy preamble)이 라 함)과, IEEE802.11n 특유의 프리앰블(이하에서는, HT 프리앰블이라 함)을 결합하여 사용함으로써, IEEE802.11a/g 규격에 따른 통신 단말과도 통신이 가능하도록 하고 있다.
한편, MIMO 시스템에서 통신에서는 다른 공간 스트림을 통하여 동일 또는 유사한 신호가 전송될 때에, 의도하지 않은 빔이 형성된다는 문제가 있다. 이에, IEEE802.11n에서는 송신기가 각 송신 안테나를 통해 시간차(Cyclic Shift)를 두고 신호를 송신하도록 하고 있다. 이에 따라, HT mixed mode로 동작하는 경우, 전송 패킷의 레거시 프리앰블 부분과, HT 프리앰블 부분의 각각에 대해 송신 안테나 사이의 Cyclic Shift 값이 규정되어 있다.
따라서, HT mixed mode에서는 cyclic shift가 적용되어 각각의 송신 안테나에서 시프트 된 프리앰블이 전송되기 때문에 수신측 안테나에서 기존의 무선 LAN 시스템에서 사용되던 상호상관(cross-correlation) 기반의 시간동기화 기법을 사용할 경우 다수의 피크 값이 검출되어 시간동기화 과정에서 동기화 실패확률이 증가하고 시스템 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로서, MIMO-OFDM 기반 차세대 무선 LAN 시스템의 IEEE 802.11n 드래프트 표준에 따라 HT(High Throughput) mixed mode로 동작하는 경우, 시간동기 획득을 위한 연산량을 감소시켜 고속 처리를 가능케 하는 한편, 시간동기 오류를 감소시킬 수 있는 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법은, IEEE 802.11n 드래프트 표준의 HT mixed mode의 프리앰블 포맷에 따른 짧은 훈련 심볼(Legacy Short Training Symbol)을 이용하여 수신신호의 자기상관함수를 산출하는 단계와; 상기 산출된 자기상관 함수들을 합산하는 단계와; 상기 합산된 자기상관함수의 평탄면을 제거한 후 선택된 최대값을 저정밀시간동기 추정값으로 설정하는 단계와; 상기 프리앰블 포맷에 따른 긴 훈련 심볼(Legacy Long Training Symbol)의 공액복소수 대칭 특성을 이용한 정밀시간동기 함수를 이용하여 정밀시간동기 함수값을 산출하는 단계와; 상기 저정밀시간동기 추정값에 기초하여 검색구간 윈도우를 설정하는 단계와; 상기 검색구간 윈도우 내에서 상기 정밀시간동기 함수값의 최대값을 탐색하여 시간동기를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 수신신호의 자기상관함수 산출하는 단계는, 다음의 수식을 이 용하는 것이 가능하다.
여기서, R은 자기상관(autocorrelation)함수, r은 수신신호, n은 자기 상관 함수의 인덱스, L은 짧은 훈련 심볼의 길이, Ls는 심볼 지연 시간, * 는 공액복소수, j는 수신 안테나의 인덱스이다.
그리고, 상기 자기상관 함수들을 합산하는 단계는, 다음의 수식을 이용하는 것이 가능하다.
여기서, M은 수신 안테나의 총 개수이다.
그리고, 상기 합산된 자기상관함수의 평탄면을 제거한 후 선택된 최대값을 저정밀시간동기 추정값으로 설정하는 단계는, 다음의 수식을 이용하여 상기 합산된 자기상관함수의 평탄면을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법.
여기서, A(n)은 저정밀시간동기 함수이고, Wd는 윈도우 사이즈이다.
또한, 상기 합산된 자기상관함수의 평탄면을 제거한 후 선택된 최대값을 저정밀시간동기 추정값으로 설정하는 단계는, 다음의 수식에 따라 상기 최대값이 선택되어 Tcoarse 지점의 값이 상기 최대값으로 선택되는 단계를 포함하는 것이 가능하다.
여기서, 상기 프리앰블 포맷에 따른 긴 훈련 심볼(Legacy Long Training Symbol)의 공액복소수 대칭 특성을 이용한 정밀시간동기 함수를 이용하여 정밀시간동기 함수값을 산출하는 단계는, 다음의 수식을 이용하여 정밀시간동기 함수값을 산출하는 단계인 것이 가능하다.
여기서, C는 정밀시간동기 함수, N은 긴 훈련 심볼 길이이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법은, 자기상관을 기반으로 하여 저정밀시간동기를 획득하고 긴 훈련 심볼의 공액복소수 대칭 특성을 이용하여 정밀시간동기를 산출하도록 하고 있다.
이에 따라, 동기화 수행을 위한 연산량을 감소시킬 수 있고 정확한 시간동기화를 수행할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법에 대해서 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법이 적용되는 IEEE 802.11n 표준안의 표현층 프로토콜 데이터 단위(PPDU) 프레임 포맷의 구조도로서, HT mixed mode에서 사용되는 PPDU 프레임 포맷을 예시한 것이다.
HT mixed mode에서 사용되는 PPDU 프레임 포맷은, 레거시 프리앰블과 HT 포맷의 프리앰블 및 데이터로 구성된다.
레거시 프리앰블은 패킷 발견을 위해 사용되는 L-STF(Legacy Short Training Field)(1)와, 반송파 주파수 오프셋 및 시간동기화를 위해 사용되는 L-LTF(Legacy Long Training Field)(3)와, 레거시 단말을 속이기(spoof) 위한 값이 기입되는 L-SIG(Legacy SIGNAL Field)(5)로 구성된다.
레거시 프리앰블 이후 에는 HT 프리앰블 및 HT 포맷의 데이터(20)가 부가된다. HT 프리앰블은, PHY 페이로드(PSDU)에서 적용하는 MCS나 페이로드의 데이터 길이 등의 HT 포맷을 해석하기 위해 필요해지는 정보가 기재되는 HT-SIG(HT SIGNAL Field)(11)와, MIMO 시스템에서의 AGC(자동 이득 제어)를 향상하기 위한 트레이닝 ·심볼로 이루어진 HT-STF(HT Short Training Field)(13)와, 수신기측에서 채널 추정을 행하기 위한 트레이닝 심볼로 이루어진 HT-LTF(HT Long Training Field)(15)로 구성된다.
이러한 구성을 갖는 PPDU 프레임 포맷을 MIMO방식으로 송수신하는 경우, 수신기측에서는 수신 안테나마다 채널을 추정하여 채널행렬을 획득할 필요가 있다. 이 때문에, 송신기측에서는 각 송신 안테나로부터 HT-LTF 심볼을 시분할로 송신하며, HT-LTF 심볼의 개수는 공간 스트림수 이상이 된다.
또한, 다른 공간 스트림을 통하여 동일 또는 유사한 신호를 전송하는 경우, 의도하지 않은 빔이 형성된다는 문제가 있다. 이에, IEEE802.11n에서는 송신기가 각 송신 안테나에 대해 시간차(Cyclic Shift)를 적용하여 신호를 송신하며, 레거시·프리앰블 부분과, HT 포맷 부분의 각각에 관해 송신 안테나 사이의 Cyclic Shift 값이 규정되어 있다.
이러한 구성의 MIMO-OFDM 기반 차세대 무선 LAN 시스템의 IEEE 802.11n 드래프트 표준에 따라 HT mixed mode로 동작하는 경우, 본 발명에 따른 시간동기화 방법을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법의 흐름도이다. 본 발명의 시간동기화 방법은 IEEE 802.11n 드래프트 표준에 따른 HT mixed mode의 프리앰블을 이용하여 자기상관 기법을 기반으로 시간동기를 획득하며, 시간동기 획득을 위한 연산과정은 저정밀시간동기 추정을 위한 부분과 정밀시간동기 추정을 위한 부분을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 시간동기화를 위해, 먼저 수신신호의 자기상관함수를 산출한다(S10). 이에, 수신 안테나 j에서의 자기상관함수의 출력값은 다음의 [수학식 1]을 통해 산출될 수 있다.
여기서, R은 자기상관(autocorrelation)함수, r은 수신신호, n은 자기 상관 함수의 인덱스, L은 짧은 훈련 심볼(Legacy Short Training Symbol)의 길이(예컨대, 16), Ls는 심볼 지연 시간(예컨대, 16), * 는 공액복소수, j는 수신 안테나의 인덱스이다.
자기상관함수가 산출되면 성능을 향상시키기 위해 각 수신안테나에서의 자기상관 함수의 출력값을 모두 합산한다(S12). 이를 수식으로 나타내면, 다음의 [수학식 2]와 같다.
여기서, M은 수신 안테나의 총 개수이다.
자기상관함수의 합산이 완료되면, 다음의 [수학식 3]을 이용하여 합산된 자기상관함수의 평탄면을 제거한다(S14).
여기서, A(n)은 저정밀시간동기 함수이고, Wd는 윈도우 사이즈이다.
이에, [수학식 3]을 통해 평탄면이 제거된 결과값 중 최대값을 다음 [수학식 4]에 대입하면 대략적인 심볼 타이밍을 얻을 수 있다(S16).
이상의 S10에서 S16까지의 단계가 저정밀시간동기 추정과정으로서, 이는 도 3과 같이 나타낼 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 저정밀시간동기 추정과정에서 슬라이딩 윈도우를 이용하여 자기상관함수 합산값의 평탄면을 제거하며, 저정밀 시간동기화 추정값은 Tcoarse 지점에서 최대값을 갖게 된다. 그러나, Tcoarse 지점으로 추정된 값은 낮은 SNR(signal to noise ratio)에서 큰 분산을 가지고 오차를 가지기 때문에, 정확한 시간동기를 찾는 것은 불가능하다.
이에, 다음의 정밀시간동기 추정을 통해 정확한 시간동기를 획득할 수 있다. 정밀시간동기 추정 과정에서는 IEEE 802.11n HT-mixed 모드 프리앰블의 긴 훈련 심볼(Legacy Long Training Symbol)의 공액복소수 대칭 특성을 이용한다. HT-mixed 모드의 160개의 긴 훈련 심볼 구조 가운데 보호구간 32 샘플을 제외한 128개의 샘플 구조는 [수학식 5]와 같으며, [수학식 6]과 같은 공액 복소수 대칭 구조를 가진다.
여기서, y는 긴 훈련 심볼이다.
이에, 본 발명은 긴 훈련 심볼의 공액 복소수 대칭 구조 특성을 이용한 하기 [수학식 7]의 정밀시간동기 추정 함수를 이용하여 정밀시간동기를 산출한다(S18).
여기서, C는 정밀시간동기 함수, N은 긴 훈련 심볼 길이(예컨대, 64)이다.
상기 [수학식 7]에 따른 정밀시간동기 함수 C(n)은 긴 훈련 심볼 구간에서 4개의 최대값을 갖는다. 이 4개의 최대값은 첫 번째와 두 번째 긴 훈련 심볼의 시작점과 각 긴 훈련 심볼의 가운데 지점에서 나타난다.
이에, 저정밀시간동기 추정값에 기초하여 설정된 검색구간 윈도우를 이용하여 정밀시간동기 함수의 최대값을 탐색한다(S20). 이를 수식으로 나타내면 하기 [수학식 8]과 같다.
여기서, Wf는 저정밀시간동기 함수를 통해서 얻을 수 있는 최대값 지점의 검색구간 윈도우이고 윈도우 크기는 조절될 수 있다. 실제로 안테나 j에서의 수신신호는 각 송신 안테나에서의 서로 다른 cyclic shift 값을 갖는 송신 신호의 합으로 나타나기 때문에, 정밀시간동기 함수는 송신 신호의 평균값으로 산출되므로 정밀 시간동기화의 추정 값은 정확한 긴 훈련 심볼의 시작점을 나타내지는 않는다. 그러나 송신신호의 평균값으로 이루어지는 정밀시간동기 함수는 단 1개의 최대값만을 갖고 수신기에서는 각 송신 안테나에서 얼마만큼 cyclic shift가 이루어졌는지 이미 알고 있기 때문에 정확한 긴 훈련 심볼의 시작점을 추정할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법은, 저정밀시간동기 추정을 통해 자기상관 기반의 시간동기 기법의 문제점인 최대값 지점에서 평탄면을 갖는 문제를 해결하여 긴 훈련 심볼의 대략적인 시작 위치를 추정한 후, 정밀시간동기 추정을 통해 긴 훈련 심볼의 시작점을 추정하도록 하고 있다. 이에 종래의 시간동기 추정에 사용되던 상호상관기법에서 cyclic shift로 인해 야기될 수 있는 시간동기화 에러를 감소시킬 수 있고, 1개의 최대값을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 정밀시간동기 추정 과정에서 사용하는 공액복소수 대칭구조는 복소 곱셈수를 기존 상호상관 방식에서 요구되는 64번에서 32번으로 감소시킬 수 있어, 동기 획득을 위한 연산량을 확연히 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
시뮬레이션 반송파 주파수 오프셋은 이미 보상되었다고 가정하고, 다중경로 채널 모델은 50ns 지연확산을 갖는 전형적인 사무실 환경인 TGn Sync 채널 모델 ‘D'로 설정하고 SNR = 14 dB]를 사용하였다. 또한, 송수신 안테나 수는 각각 2개로 설정되었고, cyclic shift는 TX1에서는 0ns, TX2에서는 -200ns로 설정되었다.
이러한 조건 하에서 본 발명의 시간동기화 방법을 시뮬레이션한 결과, 도 4의 그래프와 같이, 정밀시간동기 구조가 오직 1개의 최대값을 갖는다는 것을 보여준다. 제안된 구조에서는 64개의 긴 훈련 심볼의 공액 복소수 대칭 특성을 이용했기 때문에 짧은 훈련 심볼을 사용하는 것보다 상대적으로 큰 최대값을 갖는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, MIMO-OFDM 기반의 IEEE 802.11n 드래프트 표준에서의 HT mixed mode의 프리앰블을 이용하여, 짧은 훈련 심볼(Legacy Short Training Symbol)을 사용하여 저정밀시간동기를 추정하고 긴 훈련 심볼(Legacy Long Training Symbol)의 공액복소수 대칭 특성을 이용한 정밀시간동기를 추정한다. 즉, 저정밀시간동기 추정과정을 통해 긴 훈련 심볼의 시작 위치를 추정함으로써 정밀시간동기 함수의 연산량을 감소시킬 수 있고, 정밀시간동기 함수를 이용한 시간동기화 과정을 통해 IEEE 802.11n HT mixed 프리앰블에 기존의 상호 상관을 이용한 기법에서 야기 될 수 있는 시간동기 에러를 감소시킬 수 있다. 또한, 긴 훈련 심볼의 공액복소수 대칭 구조를 이용한 정밀시간동기 함수를 통해 기존의 상호 상관함수에서 보다 연산량을 크게 감소 시킬 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법이 적용되는 IEEE 802.11n 표준안의 표현층 프로토콜 데이터 단위(PPDU) 프레임 포맷의 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법의 흐름도,
도 3은 본 발명에 따른 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법의 처리 상태도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
1 : L-STF(Legacy Short Training Field)
3 : L-LTF(Legacy Long Training Field)
5 : L-SIG(Legacy SIGNAL Field)
11 : HT-SIG(HT SIGNAL Field)
13 : HT-STF(HT Short Training Field)
15 : HT-LTF(HT Long Training Field)
20 : 데이터
Claims (7)
- IEEE 802.11n 드래프트 표준의 HT mixed mode의 프리앰블 포맷에 따른 짧은 훈련 심볼(Legacy Short Training Symbol)을 이용하여 수신신호의 자기상관함수를 산출하는 단계와;상기 산출된 자기상관 함수들을 합산하는 단계와;합산된 자기상관함수의 평탄면을 제거한 후 선택된 최대값을 저정밀시간동기 추정값으로 설정하는 단계와;상기 프리앰블 포맷에 따른 긴 훈련 심볼(Legacy Long Training Symbol)의 공액복소수 대칭 특성을 이용한 정밀시간동기 함수를 이용하여 정밀시간동기 함수값을 산출하는 단계와;상기 저정밀시간동기 추정값에 기초하여 검색구간 윈도우를 설정하는 단계와;상기 검색구간 윈도우 내에서 상기 정밀시간동기 함수값의 최대값을 탐색하여 시간동기를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 시스템을 위한 시간동기화 방법.
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