KR100976856B1 - Ｏｆｄｍ 시스템의 하향링크 미세 시간 동기 추정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 OFDM 시스템의 하향링크 미세 시간 동기 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 안정적이고 적은 오차로 미세 동기를 트래킹할 수 있는 OFDM 시스템의 하향링크 미세 시간 동기 추정 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 이동 단말의 하향링크 미세 시간 동기 추정 방법에 있어서, 기지국으로부터 수신된 신호의 윈도우 구간 내에서 상관값의 절대치를 정해진 탐색 구간만큼 구하는 과정과, 상기 구해진 절대치의 최대값과 상기 최대값의 시간인덱스를 구하는 과정과, 상기 최대값과 평균값의 비(Peak-to-Average Ratio, PAR)를 연산하는 과정과, 상기 연산된 비 값이 미세동기를 획득 여부를 판단하는 제1 기준 값보다 크면, 상기 비 값과 수신 품질의 기준을 나타내는 제2 기준 값과 비교하고, 상기 비 값과 상기 제2 기준 값의 크기에 따라 선행피크 임계값을 다르게 설정하는 과정과, 상기 연산된 비 값이 상기 최대값 지점보다 시간적으로 앞서도록 정해진 선행피크 탐색 윈도우 내에서 상기 선행피크 임계값과 상기 상관값의 절대치를 곱한 값보다 크거나 같아지는 지점을 미세 동기 지점으로 결정하는 과정을 포함한다.

Description

ＯＦＤＭ 시스템의 하향링크 미세 시간 동기 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING FINE TIMING OFFSET OF DOWNLINK BASED ON OFDM SYSTEMS}

본 발명은 OFDM 시스템의 하향링크 미세 시간 동기 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 안정적이고 적은 오차로 미세 동기를 트래킹할 수 있는 OFDM 시스템의 하향링크 미세 시간 동기 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차세대 통신 시스템은 이동 단말기(MS: Mobile Station)들에게 고속으로 대용량 데이터를 송수신하는 서비스를 제공하는 형태로 발전하고 있다. 차세대 통신 시스템의 대표적인 예가 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.16e 통신 시스템이다. IEEE 802.16e 통신 시스템은 직교 주파수 분할 다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM'이라 칭하기로 한다) 방식 및 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 'OFDMA'이라 칭하기로 한다) 방식을 사용하는 대표적인 통신 시스템이다.

이러한 주파수 분할 다중 시스템은 접속을 원하는 다수의 이동 단말기에게 각각 서로 다른 주파수를 할당하고, 다수의 이동 단말기가 수시로 기지국에 요청함으로써, 다수의 이동 단말기는 기지국으로부터 채널을 할당받아 상호 통신하는 방법이다. 다중 접속 방식에는 주파수 분할 다중 접속(FDMA), 시분할 다중 접속(TDMA), 부호 분할 다중 접속(CDMA) 등이 있다. 이러한 다중 접속 방식에서 각 기지국은 기지국 자신에게 할당된 주파수로 신호를 송출하고, 이동 단말기는 수신 신호의 주파수로 기지국을 식별하여 그 신호 내의 주소 번호로부터 기지국 착신 신호를 검출하여 통신한다.

그리고, OFDMA 방법을 사용하는 이동 단말기는 하향링크 미세시간동기를 추정하기 위해 주로 상호상관 방법을 이용한다. 상호상관을 이용하는 방법은 셀탐색 결과로부터 알 수 있는 송신 프리앰블 신호와 기지국으로부터 수신된 신호중 대략적인 시간동기 또는 이전 프레임의 동기 위치로부터 전후 특정 영역의 신호를 시간영역에서 상호상관을 취하여 시간동기를 추정한다. 그런데, Rayleigh 페이딩 채널에서는 첫 번째 피크보다 후속 피크의 상호상관 크기가 더 커질수 있는데, 이때 최대값을 갖는 지점을 시간동기로 판단할 경우에는 후속 피크 지점으로 동기를 잡게 되어 직교성이 깨지게 된다.

상호상관이 최대인 위치로부터 특정 샘플 이전의 위치를 미세동기로 잡는 경우, Rayleigh 페이딩 채널에서 후속 피크가 더 큰 상황에서도 직교성을 유지하기 위해서는 채널의 최대 delay spread보다 더 큰 값만큼 앞 부분으로 동기를 잡아야 한다. 이렇게 되면, 일반적으로 채널 등화기에서 보상은 가능하게 되나 평균 동기오차가 커질 수 있는 문제가 생기므로 시간동기오차에 민감한 블럭들의 성능이 저하되게 된다.

최대값을 갖는 위치로부터 특정 윈도우 영역 안에서 문턱치를 넘는 가장 앞부분의 위치를 찾는 경우에는, 신호대 잡음비가 저하되면 상호상관 값의 피크는 뚜렷이 검출되지만, 피크 이외의 값들이 잡음에 의한 상관특성 저하로 증가하면서 피크가 아닌 위치에서 문턱치를 넘는 일이 발생하게 된다. 이렇게 되면 오히려, 최대값으로 동기를 잡은 것보다 더 나쁜 결과를 가져올 수 있다.

따라서, 신호대 잡음비에 관계 없이 안정적이고 적은 오차로 미세 동기를 트래킹하기 위해서는 보다 새로운 방법이 요구된다.

본 발명은 상술한 종래 문제점을 해결하기 위해서 착안된 것으로서, Rayleigh 페이딩 채널에서도 수신 신호의 신호대 잡음비에 관계 없이 안정적이고 적은 오차로 미세 동기를 트래킹할 수 있는 OFDM 시스템의 하향링크 미세 시간 동기 추정 장치 및 방법을 제공한다. 또한, 신호대 잡음비가 좋은 경우, 상호 상관값의 선행피크 지점으로 동기를 잡음으로써, 적은 동기오차를 가지면서 직교성을 유지할 수 있는 OFDM 시스템의 하향링크 미세 시간 동기 추정 장치 및 방법을 제공한다.

상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 이동 단말의 하향링크 미세 시간 동기 추정 장치에 있어서, 기지국으로부터 수신된 신호의 윈도우 구간 내에서 상관값의 절대치를 정해진 탐색 구간만큼 구하는 상호 상관부와, 상기 구해진 절대치의 최대값과 상기 최대값의 시간 인덱스를 구하는 최대값 검출부와, 상기 최대값과 평균값의 비(Peak-to-Average Ratio, PAR)를 연산하는 연산부와, 상기 연산된 비 값이 미세동기를 획득 여부를 판단하는 제1 기준 값보다 크면, 상기 비 값과 수신 품질의 기준을 나타내는 제2 기준 값과 비교하고, 상기 비 값과 상기 제2 기준 값의 크기에 따라 선행피크 임계값을 다르게 설정하는 임계값 조절부와, 상기 연산된 비 값이 상기 최대값 지점보다 시간적으로 앞서도록 정해진 선행피크 탐색 윈도우 내에서 상기 선행피크 임계값과 상기 상관값의 절대치를 곱한 값보다 크거나 같아지는 지점을 미세 동기 지점으로 결정하는 선행피크 탐색부를 포함한다.

또한, 상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 이동 단말의 하향링크 미세 시간 동기 추정 방법에 있어서, 기지국으로부터 수신된 신호의 윈도우 구간 내에서 상관값의 절대치를 정해진 탐색 구간만큼 구하는 과정과, 상기 구해진 절대치의 최대값과 상기 최대값의 시간인덱스를 구하는 과정과, 상기 최대값과 평균값의 비(Peak-to-Average Ratio, PAR)를 연산하는 과정과, 상기 연산된 비 값이 미세동기를 획득 여부를 판단하는 제1 기준 값보다 크면, 상기 비 값과 수신 품질의 기준을 나타내는 제2 기준 값과 비교하고, 상기 비 값과 상기 제2 기준 값의 크기에 따라 선행피크 임계값을 다르게 설정하는 과정과, 상기 연산된 비 값이 상기 최대값 지점보다 시간적으로 앞서도록 정해진 선행피크 탐색 윈도우 내에서 상기 선행피크 임계값과 상기 상관값의 절대치를 곱한 값보다 크거나 같아지는 지점을 미세 동기 지점으로 결정하는 과정을 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 OFDM 시스템의 하향링크 미세 시간 동기 추정 장치 및 방법을 제공함으로써, 넓은 범위의 신호대 잡음비를 갖는 경우에 대해서 안정적이고 적은 오차로 미세 동기를 트래킹함으로써, 미세 동기를 유지할 수 있다. 또한, 본 발명은 미세 동기를 놓쳐서 초기 동기부터 다시 시작하는 현상을 줄여줌으로써 하향링크 통신에 공백이 생기는 프레임을 최소화하여 안정성을 증대시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 하향링크 미세 시간 동기를 추정하는 장치를 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 하향링크 미세 시간 동기를 추정하는 방법을 나타낸 순서도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명에서는 넓은 범위의 신호대 잡음비를 갖는 경우, 안정적이고 적은 오차롤 미세 동기를 트래킹할 수 있는 직교 주파수 분할 다중화 시스템의 하향링크 미세 시간동기를 추정하는 장치 및 방법을 제공한다. 따라서, 후술될 본 발명의 실시 예에서는 하향링크 미세 시간 동기를 추정하는 장치 및 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 하향링크 미세 시간 동기를 추정하는 장치를 나타낸 블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 하향링크 미세 시간 동기를 추정하는 장치는 상호 상관값의 절대치를 정해진 탐색 구간만큼 저장하는 상호 상관부(101)와, 상기 상호 상관부(101)에서 저장한 상관값의 절대치의 최대값과 상기 최대값의 시간 인덱스를 구하는 최대값 검출부(102)와, 상기 상호 상관부(101)에서 저장한 상관값의 절대치의 평균값과 상기 최대값 검출부(102)에서 구한 최대값의 비를 연산하는 연산부(103)와, 상기 연산부(103)에서 연산된 최대값 대 평균값의 비와 미세 동기를 획득했는지 안했는지 판단하는 기준 값과 비교하고, 그 결과에 따라 다시 SNR(Signal-to-Noise Ratio)이 좋은지 아닌지를 비교하여 선행 피크 탐색부의 임계값을 설정하는 임계값 조절부(104)와, 상기 최대값 검출부(102)에서 검출된 최대값 지점보다 이전에 정해진 윈도우 구간내에서 상기 최대값 대 평균값의 비 값이 선행 피크 임계값(Th_pre_peak)×상관값의 절대치의 최대값(XCR_max)가 되는 가장 빠른 지점을 탐색하고, 그 지점을 미세동기 지점으로 결정하는 선행 피크 탐색부(105)를 포함한다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 하향링크 미세 시간 동기를 추정하는 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.

상호 상관부(101)는 기지국으로부터 전송된 신호의 프리앰블과 기지국으로부터 수신된 잡음이 들어간 신호들 중 시간 동기 또는 이전 프레임의 동기 위치로부터 전후에 위치한 특정 영역의 신호를 시간영역에서 상호상관을 취하고, 상관값의 절대치를 정해진 탐색 구간만큼 저장하고, 최대값 검출부(102)로 전달한다. 이러한 프리앰블의 시간영역 신호는 기지국이 서비스하고 있는 셀의 탐색 결과를 통해 알 수 있으며, 기지국은 이러한 신호를 이동 단말기로 전송한다. 그리고, 이동 단말기는 기지국으로부터 수신된 이러한 시놓를 통해서 하향링크의 시간 동기를 추정한다. 이와 같이, 하향링크의 시간 동기를 추정하기 위해 본 발명에 따른 이동 단말기의 최대값 검출부(102)는 상호 상관부(101)에서 저장된 상관값의 절대치의 최대값(XCR_max)을 구하고, 상기 구해진 최대값의 시간 인덱스를 구한다. 또한, 상기 최대값 검출부(102)는 구해진 상기 최대값 및 시간 인덱스를 저장하고, 연산부(103)으로 전달한다. 상기 연산부(103)는 상호 상관부(101)에서 구한 상관값의 절대치의 평균값과 최대값 검출부(102)에서 구한 최대값의 비를 연산하고, 연산된 값을 임계값 조절부(104)로 전달한다.

상기 임계값 조절부(104)는 연산부(103)에서 연산된 상관값의 절대치의 평균값과 최대값 검출부(102)에서 구한 최대값의 비(Peak-to-Average Ratio, PAR)와 미세 동기를 획득했는지 안했는지를 판단하는 제1 기준 값(Th_fine)의 크기를 비교한다. 상기 제1 기준 값(Th_fine)은 신호대 잡음비가 아주 나쁜 상태에서도 동기를 획득할 수 있으면서도 오보율(false alarm rate)을 줄일 수 있는 적절한 값을 선택한다. 상기 비(PAR)가 제1 기준 값 보다 크지 않으면, 미세 동기 획득이 실패한 것으로 판단하고, 만일 상기 비(PAR)가 제1 기준 값 보다 크면, 상기 비(PAR)와 신호대 잡음 비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)가 좋은지 안좋은지를 나타내는 제2 기준 값(Th1)과 비교한다. 즉, 상기 비(PAR)가 상기 제2 기준 값(Th1) 보다 크다는 것은 상호 상관값의 절대치의 피크 값이 주변 값들보다 매우 커서 주변 값들의 잡음성분이 적으므로, 선행피크의 탐색 시 보다 적은 임계값으로 탐색해도 높은 신뢰도를 가질 수 있음을 의미한다. 또한, 상기 비(PAR)는 수신신호의 신호대 잡음비와 비례하는 성질을 갖기 때문에, 상기 비(PAR)가 상기 제2 기준 값(Th1)보다 크다는 것은 수신신호의 신호대 잡음비가 양호하다는 것을 나타낸다.

상기 비(PAR)가 상기 기준 값(Th1)보다 큰 경우는 선행 피크 임계값(Th_pre_peak)을 Th_L로 설정하고, 반대의 경우는 Th_L보다 다소 큰 값인 Th_H로 설정한다.

상기 비(PAR)가 상기 제2 기준 값(Th1)보다 크다는 것은, 수신신호의 신호대 잡음비가 양호함과 동시에 잡음성분에 의한 상호 상관값의 주변부 값의 상승이 매우 적어서, 선행피크 탐색시 적은 문턱치를 적용하여도 신뢰도가 보장됨을 의미한다. 따라서, Th_L은 이를 고려하여 작은 값으로 정해진다.

반대로, 상기 비(PAR)가 상기 제2 기준 값(Th1)보다 크지 않다는 것은, 수신신호의 신호대 잡음비가 불량함과 동시에 잡음성분에 의한 상호 상관값의 주변부 값의 상승이 존재하므로, 선행피크 탐색시 적은 문턱치를 적용하면 신뢰도가 떨어짐을 의미한다. 따라서, Th_H은 이를 고려하여 Th_L 보다 큰 값으로 정해진다.

그리고, 이러한 제1 및 제2 기준 값과 Th_H 및 Th_L은 미리 설정되거나, 시스템 상황에 따라 변경가능한 값이다.

또한, 상기 선행피크 탐색부(105)는 최대값 검출부(102)에서 검출된 최대값 지점보다 이전에 정해진 윈도우 구간내에서 상기 비(PAR)가 선행 피크 임계값(Th_pre_peak)×상관값의 절대치의 최대값(XCR_max)이 되는 가장 빠른 지점을 탐색하고, 그 지점을 미세동기 지점으로 결정한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 하향링크 미세 시간 동기를 추정하는 방법을 나타낸 순서도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 하향링크 미세 시간 동기를 추정 방법은 기지국으로부터 전송되는 프리앰블의 시간영역 신호와 기지국으로부터 수신되는 신호중에서 시간동기 또는 이전 프레임의 동기 위치로부터 전후 특정 영역의 신호를 상호상관을 취하고, 상관값의 절대치를 정해진 탐색구간만큼 계산하여 저장한다(S201). 상기 저장된 절대치의 최대값과 상기 최대값을 갖는 시간 인덱스를 계산하고, 상기 절대치의 최대값 대비 평균값의 비(PAR)를 계산한다(S203). 상기 비(PAR)가 계산되면, 상기 계산된 비(PAR)값과 미세 동기 기준 값의 크기를 비교한다(S205). 상기 미세 동기 기준 값은 미세 동기를 획득했는지 안했는지를 판단하는 기준 값(Th_fine)이다. 비교 결과, 상기 비(PAR)값이 상기 기준 값(Th_fine)보다 크지 않으면, 미세 동기 획득이 실패한 것으로 판단하고 종료한다(S205-S207). 만일, 상기 과정(S205)에서 상기 비(PAR)값이 상기 기준 값(Th_fine)보다 크면, 상기 비(PAR)값과 SNR 기준 값과 비교한다(S209). 상기 SNR 기준 값은 SNR이 좋은지 나쁜지를 판단할 수 있는 기준 값이다. 상기 과정(S209)에서 상기 비(PAR)값이 상기 SNR 기준 값보다 크지 않으면, 선행 피크 임계값을 Th_H로 설정한다(S211). 만일 상기 과정(S209)에서 상기 비(PAR)값이 상기 SNR 기준 값보다 크면, 선행 피크 임계값을 Th_L로 설정한다(S213). 상기 비(PAR) 값이 Th_H 또는 Th_L로 설정되면, 상기 과정(S203)에서 계산된 비(PAR) 값이 상기 과정(S211 또는 S213)에서 설정된 선행 피크 임계값과 상관값의 절대치의 최대값을 곱한 값과 같아지는 지점을 탐색하고, 그 지점을 미세 동기 지점으로 결정한다(S215).

Claims (8)

1. 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 이동 단말의 하향링크 미세 시간 동기 추정 장치에 있어서,
   기지국으로부터 수신된 신호의 윈도우 구간 내에서 상관값의 절대치를 정해진 탐색 구간만큼 구하는 상호 상관부와,
   상기 구해진 절대치의 최대값과 상기 최대값의 시간 인덱스를 구하는 최대값 검출부와,
   상기 절대치의 최대값과 상기 절대치의 평균값의 비(Peak-to-Average Ratio, PAR)를 연산하는 연산부와,
   상기 연산된 비 값이 미세동기의 획득 여부를 판단하는 제1 기준 값보다 크면, 상기 비 값과 수신 품질의 기준을 나타내는 제2 기준 값과 비교하고, 상기 비 값과 상기 제2 기준 값의 크기에 따라 선행피크 임계값을 다르게 설정하는 임계값 조절부와,
   상기 연산된 비 값이 상기 최대값 지점보다 시간적으로 앞서도록 정해진 선행피크 탐색 윈도우 내에서 상기 선행피크 임계값과 상기 상관값의 절대치를 곱한 값보다 크거나 같아지는 지점을 미세 동기 지점으로 결정하는 선행피크 탐색부를 포함하는 미세 시간 동기 추정 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 최대값 검출부는
   상기 수신된 신호의 윈도우 구간 내에서 상기 상관값의 절대치의 최대값을 계산하고, 상기 계산된 최대값의 시간 인덱스를 검출함을 특징으로 하는 미세 시간 동기 추정 장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 임계값 조절부는
   상기 연산된 비 값이 상기 제2 기준 값보다 크면, 상기 선행피크 임계값을 작은 값으로 설정하여 선행피크를 추정하고, 상기 연산된 비 값이 상기 제2 기준 값보다 크지 않으면, 상기 선행피크 임계값을 큰 값으로 설정하여 잡음 성분을 배제하여 시간 동기를 추정하는 미세 시간 동기 추정 장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 결정된 미세 동기 지점은
   가장 빠른 시간을 갖는 지점임을 특징으로 하는 미세 시간 동기 추정 장치.
   
5. 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 이동 단말의 하향링크 미세 시간 동기 추정 방법에 있어서,
   기지국으로부터 수신된 신호의 윈도우 구간 내에서 상관값의 절대치를 정해진 탐색 구간만큼 구하는 과정과,
   상기 구해진 절대치의 최대값과 상기 최대값의 시간인덱스를 구하는 과정과,
   상기 절대치의 최대값과 상기 절대치의 평균값의 비(Peak-to-Average Ratio, PAR)를 연산하는 과정과,
   상기 연산된 비 값이 미세동기의 획득 여부를 판단하는 제1 기준 값보다 크면, 상기 비 값과 수신 품질의 기준을 나타내는 제2 기준 값과 비교하고, 상기 비 값과 상기 제2 기준 값의 크기에 따라 선행피크 임계값을 다르게 설정하는 과정과,
   상기 연산된 비 값이 상기 최대값 지점보다 시간적으로 앞서도록 정해진 선행피크 탐색 윈도우 내에서 상기 선행피크 임계값과 상기 상관값의 절대치를 곱한 값보다 크거나 같아지는 지점을 미세 동기 지점으로 결정하는 과정을 포함하는 미세 시간 동기 추정 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 수신된 신호의 윈도우 구간 내에서 상기 상관값의 절대치의 최대값을 계산하고, 상기 계산된 최대값의 시간 인덱스를 검출하는 과정을 포함하는 미세 시간 동기 추정 방법.
   
7. 제5항에 있어서, 상기 선행피크 임계값을 다르게 설정하는 과정은
   상기 연산된 비 값이 상기 제2 기준 값보다 크면, 상기 선행피크 임계값을 작은 값으로 설정하여 선행피크를 추정하고, 상기 연산된 비 값이 상기 제2 기준 값보다 크지 않으면, 상기 선행피크 임계값을 큰 값으로 설정하여 잡음 성분에 의한 선행피크 탐색 오류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 미세 시간 동기 추정 방법.
   
8. 제5항에 있어서, 상기 결정된 미세 동기 지점은
   가장 빠른 시간을 갖는 지점임을 특징으로 하는 미세 시간 동기 추정 방법.
   
   
   

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