KR101046008B1

KR101046008B1 - Ｍｉｍｏ-ｏｆｄｍ 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기 및 자기 상관 계산 방법

Info

Publication number: KR101046008B1
Application number: KR1020080134536A
Authority: KR
Inventors: 김진상; 조종민; 조원경
Original assignee: 경희대학교 산학협력단
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2011-07-01
Also published as: KR20100076473A

Abstract

본 발명은 타임-멀티플렉싱 기법을 사용하여 하드웨어의 복잡성을 감소시킬 수 있는 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기 및 자기 상관 계산 방법에 관한 것으로서, 다수의 수신 안테나로부터 수신된 트레이닝 심볼의 샘플 신호를 소정 주기 만큼 지연시켜서, 샘플 지연 신호를 출력 시키는 다수의 신호 지연부와, 다수의 샘플 신호와 샘플 지연 신호를 입력 신호로 인가 받아, 다수의 샘플 신호 및 샘플 지연 신호를 각 수신 안테나별로 서로 상이한 시간 구간으로 분할하여 출력시키는 시간 다중화부 및 시간 다중화부에서 출력된 각 수신 안테나별 샘플 신호 및 샘플 지연 신호간의 자기 상관을 수행하는 자기 상관 유닛을 포함하는 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기 및 자기 상관 계산 방법이 제공된다.

반송파 주파수 오프셋 추정, 자기 상관, 타임-멀티플렉싱

Description

ＭＩＭＯ-ＯＦＤＭ 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기 및 자기 상관 계산 방법 {AUTO CORRELATION CALCULATOR AND AUTO CORRELATION CALCULATING METHOD FOR CARRIER FREQUENCY OFFSET ESTIMATION IN MIMO-OFDM BASED WLAN SYSTEM}

본 발명은 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기 및 자기 상관 계산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 타임-멀티플렉싱 기법을 사용하여 하드웨어의 복잡성을 감소시킬 수 있는 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기 및 자기 상관 계산 방법에 관한 것이다.

OFDM은 멀티-경로 전파에 강인하므로, IEEE 802.11a/g/n 표준에서 WLAN과 같은 다양한 무선 통신을 위한 효율적인 전송 기술이다. MIMO-OFDM 기술은 높은 데이터 전송율과 멀티-경로 페이딩 채널에서 스펙트럼 효율을 제공하므로 차세대 통신을 위한 가장 유망한 기술로 고려된다. 그러나, OFDM과 MIMO-OFDM 시스템은 동기화 에러에 민감하며, 이러한 동기화 에러는 캐리어간 간섭 및 심볼간 간섭을 야기한다.

MIMO-OFDM 기반 동기화 시스템의 하드웨어 복잡성은 안테나 개수의 증가에 의해 선형적으로 증가된다. 그러므로, 효율적인 동기화 기술은 실제 MIMO-OFDM 송수신기 설계를 위한 주요한 이슈중 하나이다.

도 1은 IEEE802.11a 표준에서 제시된 프리엠블 구조이다. 도 1을 참조하면, t₁ 내지 t₁₀은 쇼트 트레이닝 심볼(STS;Short Training Symbol)을 의미하고, T₁, T₂는 롱 트레이닝 심볼(LTS; Long Training Symbol)을 의미한다. 10개의 쇼트 트레이닝 심볼은 심볼 타이밍 동기화 및 대략적 반송파 주파수 오프셋 추정(Coarse CFO Estimation)에 사용되며, 가드 인터벌(GI2)를 갖는 2개의 롱 트레이닝 심볼은 정밀 반송파 주파수 오프셋 추정 (Fine CFO Estimation) 및 채널 추정에 사용된다.

도 2는 종래 기술의 일 예에 따른 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 방법의 개념도이다.

MIMO-OFDM WLAN 시스템에서, 자기 상관과 반송파 주파수 오프셋 추정은 이하의 [식 1]과 [식 2]로 정의된다.

[식 1]

[식 2]

여기서, Nr은 수신기 안테나의 개수, Lx는 쇼트 트레이닝 심볼 및 롱 트레이 닝 심볼 길이, 각각 16 및 64이다. N은 FFT 크기이고, ε은 정규화된 반송파 주파수 오프셋값이다. 대략적 반송파 주파수 오프셋 추정(16 샘플)과 정밀 반송파 주파수 오프셋 추정(64 샘플)을 위한 지연 레지스터가 효율적인 설계를 위하여 공유되더라도, 실수부 및 허수부 각각 최소한 64개의 지연 레지스터가 필요하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 수신 안테나의 개수, Nr이 4일때, 식1의 자기 상관을 수행하기 위하여, IEEE 802.11n 레거시 프리엠블, IEEE 802.11a 프리엠블에서는 256개의 지연 레지스터가 필요하다. 이와 같은 구성에 의하면, MIMO 시스템 내의 수신 안테나의 개수가 증가하면, 각 수신 안테나 브랜치에서의 지연 레지스터 역시 선형적으로 증가하므로, 하드웨어의 복잡도 역시 증가하게 되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산시, 하드웨어 복잡도를 감소시킬 수 있는 자기 상관 계산기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 다수의 수신 안테나로부터 수신된 트레이닝 심볼의 샘플 신호를 소정 주기 만큼 지연시켜서, 샘플 지연 신호를 출력 시키는 다수의 신호 지연부; 상기 다수의 샘플 신호와 샘플 지연 신호를 입력 신호로 인가 받아, 상기 다수의 샘플 신호 및 샘플 지연 신호를 각 수신 안테나별로 서로 상이한 시간 구간으로 분할하여 출력시키는 시간 다중화부; 및 상기 시간 다중화부에서 출력된 각 수신 안테나별 샘플 신호 및 샘플 지연 신호간의 자기 상관을 수행하는 자기 상관 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기가 제공된다.

상기 샘플 신호는 상기 트레이닝 심볼의 전체 신호 중 일부 선택된 신호인 것을 특징으로 한다.

상기 샘플 신호의 길이는 '트레이닝 심볼의 전체 신호 길이/수신 안테나 개수'로 정해지는 것을 특징으로 한다.

상기 자기 상관 유닛은 상기 시간 다중화부에서 출력된 샘플 지연 신호를 입 력신호로 인가 받아, 상기 입력신호의 복소 공액을 출력시키는 공액부; 상기 시간 다중화부에서 출력된 샘플 신호와 상기 공액부에서 출력된 출력 신호간의 자기 상관을 수행하는 복소수 곱셈부; 및 일정 주기 동안 상기 복소수 곱셈부에서 출력되는 자기 상관 출력신호를 합산하는 덧셈부를 포함한다.

상기 시간 다중화부는 상기 다수의 샘플 신호와 샘플 지연 신호를 입력 받아, 단일의 샘플 신호와 샘플 지연 신호를 출력하는 멀티플렉서; 및 상기 멀티플렉서의 동작 및 상기 신호 지연부의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 카운터를 포함한다.

본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따르면, 다수의 수신 안테나로부터 트레이닝 심볼을 수신하는 단계; 수신된 다수의 트레이닝 심볼을 소정 주기 만큼 지연시키는 단계; 상기 다수의 트레이닝 심볼을 입력받아, 각 트레이닝 심볼의 전체 신호 중 일부인 샘플 신호를 선택하여 서로 상이한 시간 구간으로 분할하여 출력하고, 상기 다수의 지연된 트레이닝 심볼을 입력받아, 각 지연된 트레이닝 심볼의 전체 신호 중 일부인 샘플 지연 신호를 선택하여 서로 상이한 시간 구간으로 분할하여 출력하는 단계; 및 수신 안테나별로 순차적으로 출력되는 상기 샘플 신호와 샘플 지연 신호간의 자기 상관을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산 방법이 제공된다.

본 발명에서와 같이, 수신된 트레이닝 심볼 중 일부만을 샘플 신호로 선택하여 사 용함으로써, 지연 레지스터의 개수를 감소시키고, 시간 다중화 방식을 활용하여 수신 안테나의 개수에 상관없이 단일의 자기 상관 유닛을 공유할 수 있게 되어, 하드웨어의 복잡성을 현저히 감소시키는 효과를 얻게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 방법의 개념도이다. 도 3에 도시된 자기 상관 방법은 SISO 성능과 같은 시스템 성능을 유지함으로써, 수신 안테나의 개수에 상관없이 고정된 지연 레지스터 개수를 사용하는 방식으로서, 이하의 [식 3]과 같이 표현된다.

[식 3]

이에 따르면, 각 수신 브랜치의 지연 레지스터의 수는 1/Nr로 감소된다. 즉, 롱 트레이닝 심볼의 전체 신호 길이가 64샘플이더라도 각 수신 안테나의 브랜치에서 단지 처음 16 샘플만 자기 상관 계산을 수행한다.

그 결과, 본 실시예에 따른 MIMO-OFDM WLAN 시스템의 자기 상관 계산기는 SISO 시스템의 자기 상관 계산기와 거의 동일한 하드웨어 복잡도를 갖게 된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에에 따른 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반 송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 방법의 개념도이다. 도 4에는 타임-멀티플렉싱 기법을 적용하여 다수의 수신 안테나에서 자기 상관을 수행할 때 단일의 자기 상관 유닛을 공유함으로써, 하드웨어의 복잡성을 감소시킬 수 있는 방안에 대한 개념도가 도시된다.

도 4를 참조하면, 쇼트 트레이닝 심볼(STS)을 사용하여 대략적 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산시, 각 수신 안테나는 상이한 시간 구간 동안에 자기 상관 계산을 수행한다. 즉, 제1 수신 안테나(RX1)는 T1 구간 동안에 자기 상관 계산을 수행하며, 제2 수신 안테나(RX2)는 T2 구간 동안에 자기 상관 계산을 수행하며, 제3 수신 안테나(RX3)는 T3 구간 동안에 자기 상관 계산을 수행하고, 제4 수신 안테나(RX4)는 T4 구간 동안에 자기 상관 계산을 수행한다.

이와 마찬가지로, 롱 트레이닝 심볼(LTS)을 사용하여 정밀 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산시에도, 각 수신 안테나는 상이한 시간 구간 동안에 자기 상관 계산을 수행한다. 즉, 제1 수신 안테나(RX1)는 T5 구간 동안에 자기 상관 계산을 수행하며, 제2 수신 안테나(RX2)는 T6 구간 동안에 자기 상관 계산을 수행하며, 제3 수신 안테나(RX3)는 T7 구간 동안에 자기 상관 계산을 수행하고, 제4 수신 안테나(RX4)는 T8 구간 동안에 자기 상관 계산을 수행한다.

본 발명에 따른 타임-멀티플렉싱 기법을 적용한 자기 상관 계산 방법은 이하의 식4로 표현된다.

[식 4]

이때, Nr은 수신 안테나 개수, Lx는 쇼트 트레이닝 심볼의 전체 신호 길이 또는 롱 트레이닝 심볼의 전체 신호 길이를 의미한다. 자기 상관 타이밍은 수신 안테나 인덱스 j에 좌우되며, 자기 상관을 수행하기 위한 샘플의 수는 모든 수신 안테나에서 동일하게 세팅된다.

위에서 살펴본 바와 같이, 각 수신 안테나는 서로 상이한 시간 구간 동안에 순차적으로 자기 상관 계산을 수행함으로써, 다수의 자기 상관 유닛을 필요로 하지 않으며, 단일의 자기 상관 유닛을 공유할 수 있게 되며, 그 결과 자기 상관 유닛의 하드웨어 복잡성을 감소시킬 수 있게 된다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기의 기능 블록도 및 개략적인 회로도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 자기 상관 계산기는 신호 지연부(100), 시간 다중화부(200) 및 자기 상관 유닛(300)을 포함한다.

신호 지연부(100)는 다수의 수신 안테나로부터 수신된 트레이닝 심볼의 샘플 신호를 소정 주기만큼 지연시켜서, 샘플 지연 신호를 출력 시킨다. 본 실 시예의 경우, 4개의 수신 안테나(RX1, RX2, RX3, RX4)를 사용하며, 신호 지연부(100)도 수신 안테나의 수에 대응되게 제1 신호 지연부 내지 제4 신호 지연부로 구성되며, 각 신호 지연부는 샘플 신호에 상응하는 개수의 지연 레지스터로 구성된다. 이는 설명의 편의를 위하여 예로서 설명하는 것으로서, 수신 안테나의 개수나 신호 지연부의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다.

시간 다중화부(200)는 다수의 샘플 신호와 샘플 지연 신호를 입력 신호로 인가 받아, 다수의 샘플 신호 및 샘플 지연 신호를 각 수신 안테나별로 서로 상이한 시간 구간으로 분할하여 출력시킨다. 자기 상관 유닛(300)은 시간 다중화부(200)에서 출력된 각 수신 안테나별 샘플 신호 및 샘플 지연 신호간의 자기 상관을 수행한다.

한편, 본 실시예에서 샘플 신호는 트레이닝 심볼의 전체 신호 중 일부 선택된 신호를 의미하며, 샘플 신호의 길이는 '트레이닝 심볼의 전체 신호 길이/수신 안테나 개수'로 정해진다. 즉, 본 실시예에서 쇼트 트레이닝 심볼의 전체 신호 길이는 16 샘플이며, 수신 안테나 개수는 4개이므로, 대략적 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산시 사용되는 샘플 신호의 길이는 16/4 = 4가 된다. 롱 트레이닝 심볼의 전체 신호 길이는 64 샘플이므로, 정밀 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산시 사용되는 샘플 신호의 길이는 64/4 = 16이 된다.

시간 다중화(200)와 자기 상관 유닛(300)의 구성을 상세히 살펴보면, 시간 다중화부(200)는 멀티플렉서(210) 및 카운터(230)를 포함한다. 멀티플렉서(210)는 다수의 샘플 신호와 샘플 지연 신호를 입력 받아, 단일의 샘플 신호와 샘플 지연 신호를 출력시킨다. 그리고, 카운터(230)는 멀티플렉서(210)의 동작과, 신호 지연부(100)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력한다.

자기 상관 유닛(300)은 복소수 곱셈부(310), 공액부(330) 및 덧셈부(350)를 포함하며, 공액부(330)는 시간 다중화부(300)에서 출력된 샘플 지연 신호를 입력신호로 인가 받아, 입력신호의 복소 공액을 출력시킨다. 복소수 곱셈부(310)는 시간 다중화부(300)에서 출력된 샘플 신호와 공액부(330)에서 출력된 출력 신호간의 자기 상관을 수행한다. 그리고, 덧셈부(350)는 일정 주기 동안 복소수 곱셈부에서 출력되는 자기 상관 출력신호를 합산하는 기능을 수행한다.

도 7은 본 발명에 따른 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산 방법의 흐름도이다.

도 7을 참조하면, 우선 다수의 수신 안테나로부터 트레이닝 심볼을 수신하는 과정을 수행한다(S710). 그 다음에, 수신된 다수의 트레이닝 심볼을 소정 주기만큼 지연시키는 과정을 수행한다(S720).

그리고 나서, 다수의 트레이닝 심볼을 입력받아, 각 트레이닝 심볼의 전체 신호 중 일부인 샘플 신호를 선택하여 서로 상이한 시간 구간으로 분할하여 출력하고, 다수의 지연된 트레이닝 심볼을 입력받아, 각 지연된 트레이닝 심볼의 전체 신호 중 일부인 샘플 지연 신호를 선택하여 서로 상이한 시간 구간으로 분할하여 출력하는 과정을 수행한다(S730).

수신 안테나별로 순차적으로 출력되는 상기 샘플 신호와 샘플 지연 신호간의 자기 상관을 수행하는 과정을 수행한다(S740).

도 8 및 도 9는 종래 기술과 본 발명에 따른 성능 평가를 비교한 그래프이다. 도 8 및 도 9에서는 수신 안테나 개수가 4개일 때, 정밀 반송파 주파수 오프셋 추정에 대한 성능을 평가한 것이다. 본 발명은 64 샘플 기반(각 수신 안테나에서 사용되는 샘플 신호의 길이는 16임)이며, 종래 기술은 256 샘플 기반(각 수신 안테나에서 사용되는 샘플 신호의 길이는 전체 신호 길이와 동일한 64임)에 따른 정밀 반송파 주파수 오프셋 추정의 성능 평가이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 종래 기술은 노이즈에 강인하므로, MSE(Mean Square Error) 성능에서 본 발명보다 성능이 낫다. 이는 자기 상관에 더 많은 샘플이 사용되기 때문이며, 이것은 MIMO 안테나에 의해 수신 다이버시티의 개선을 의미한다. 그러나, 도 9에 도시된 바와 같이, BER(Bit Error Rate)의 경우 본 발명에 따른 성능은 종래 기술과 거의 비슷하게 나오며, 모든 모듈레이션 모드에서 1dB 이하이다. 이는 본 발명에 따른 64 샘플 기반 기술의 MSE 성능은 256 샘플 기반의 성능 보다 나쁘지만, BER 면에서는 적절한 성능을 획득하는데 충분하다는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기 및 자기 상관 계산 방법의 예시적인 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 IEEE802.11a 표준에서 제시된 프리엠블 구조이다.

도 3은 종래 기술의 다른 예에본 발명의 일 실시예에 따른 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 방법의 개념도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 방법의 개념도이다.

도 8 및 도 9는 종래 기술과 본 발명에 따른 성능 평가를 비교한 그래프이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 신호 지연부

200 : 시간 다중화부

300 : 자기 상관 유닛

Claims

MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기에 있어서,

다수의 수신 안테나로부터 수신된 트레이닝 심볼의 샘플 신호를 소정 주기만큼 지연시켜서, 샘플 지연 신호를 출력 시키는 다수의 신호 지연부;

상기 다수의 샘플 신호와 샘플 지연 신호를 입력 신호로 인가 받아, 상기 다수의 샘플 신호 및 샘플 지연 신호를 각 수신 안테나별로 서로 상이한 시간 구간으로 분할하여 출력시키는 시간 다중화부; 및

상기 시간 다중화부에서 출력된 각 수신 안테나별 샘플 신호 및 샘플 지연 신호간의 자기 상관을 수행하는 자기 상관 유닛을 포함하며,

상기 샘플 신호는 상기 트레이닝 심볼의 전체 신호 중 일부 선택된 신호인 것을 특징으로 하는 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기.
삭제
제1항에 있어서,

상기 샘플 신호의 길이는 '트레이닝 심볼 전체 신호 길이/수신 안테나 개수'로 정해지는 것을 특징으로 하는 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기.
제1항에 있어서, 상기 자기 상관 유닛은,

상기 시간 다중화부에서 출력된 샘플 지연 신호을 입력신호로 인가 받아, 상기 입력신호의 복소 공액을 출력시키는 공액부;

상기 시간 다중화부에서 출력된 샘플 신호와 상기 공액부에서 출력된 출력 신호간의 자기 상관을 수행하는 복소수 곱셈부; 및

일정 주기 동안 상기 복소수 곱셈부에서 출력되는 자기 상관 출력신호를 합산하는 덧셈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기.
제1항에 있어서, 상기 시간 다중화부는,

상기 다수의 샘플 신호와 샘플 지연 신호를 입력 받아, 단일의 샘플 신호와 샘플 지연 신호를 출력하는 멀티플렉서; 및

상기 멀티플렉서의 동작 및 상기 신호 지연부의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산기.
MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산 방법에 있어서,

다수의 수신 안테나로부터 트레이닝 심볼을 수신하는 단계;

수신된 다수의 트레이닝 심볼을 소정 주기만큼 지연시키는 단계;

상기 다수의 트레이닝 심볼을 입력받아, 각 트레이닝 심볼의 전체 신호 중 일부인 샘플 신호를 선택하여 서로 상이한 시간 구간으로 분할하여 출력하고, 상기 다수의 지연된 트레이닝 심볼을 입력받아, 각 지연된 트레이닝 심볼의 전체 신호 중 일부인 샘플 지연 신호를 선택하여 서로 상이한 시간 구간으로 분할하여 출력하는 단계; 및

수신 안테나별로 순차적으로 출력되는 상기 샘플 신호와 샘플 지연 신호간의 자기 상관을 수행하는 단계를 포함하며,

상기 샘플 신호는 상기 트레이닝 심볼의 전체 신호 중 일부 선택된 신호인 것을 특징으로 하는 MIMO-OFDM 기반 무선랜 시스템의 반송파 주파수 오프셋 추정을 위한 자기 상관 계산 방법.