KR101711999B1 - Fh-fdma 위성통신 시스템에 적합한 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법 및 구조 - Google Patents

Fh-fdma 위성통신 시스템에 적합한 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법 및 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법에 있어서, 상기 위성 통신 단말기의 위치에서 위성 중계기까지의 전파 지연 시간 및 상기 위치의 오차에 따른 최소 전파 지연 시간 및 최대 전파 지연 시간을 연산하는 전파 지연 시간 연산 과정; 및 상기 레인징 신호가 다른 신호들과의 충돌을 회피하기 위해, 상기 레인징 신호를 그룹별로 일정 시간 후에 주파수 호핑하여 송신하는 지연 송신 과정을 포함하고, 위성 통신 단말기가 레인징 신호를 송신하는 타이밍을 제어할 수 있다.

Description

FH-FDMA 위성통신 시스템에 적합한 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법 및 구조{The Frequency Hop Timing Acquisition Method and Structure for a FH-FDMA Satellite Communication System}
본 발명은 레인징 신호의 송신 타이밍을 제어하는 위성 통신 단말기 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, FH-FDMA 위성통신 시스템에 적합한 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법 및 구조에 관한 것이다.
주파수 도약 통신 시스템은 송수신기간에 주기적으로 주파수를 변경하면서 통신을 수행하는 시스템을 말한다. 이를 위해선 송수신기간에 주파수 도약의 시작 시점과 끝 시점을 동기화시켜야 하는데, 이를 주파수 도약 타이밍 동기화라고 한다. 주파수 도약 타이밍 동기화는 크게 Coarse 타이밍 동기화와 Fine 타이밍 동기화로 구성된다. Coarse 타이밍 동기화는 송수신기간에 홉 타이밍 오차의 수준을 ±0.5홉 수준으로 일치시키는 것을 말한다. Fine 타이밍 동기화는 송수신기간 홉 타이밍 오차의 수준을 통신이 가능한 수준으로 경감시키는 것을 말하는데, 일반적으로 홉 지속시간의 5% 미만의 동기오차 수준으로 타이밍 오차를 줄인다. 본 특허는 전파지연 특성이 매우 큰 위성통신 시스템에 적합한 주파수 홉 타이밍 동기획득 기법과 구조에 대한 것으로 Coarse 타이밍 동기화와 Fine 타이밍 동기획득을 모두 포함한다.
도 1은 위성통신 시스템에서 지상 단말의 주파수 홉 타이밍 동기획득 절차를 나타낸 것이다. 지상 단말은 주파수 도약 파일럿 신호를 이용하여 수신에 대한 주파수 도약 타이밍 동기를 우선 획득한다. 수신동기 획득 후에 송신에 대한 주파수 도약 타이밍 동기획득을 수행한다. 지상 위성단말에 수신되는 주파수 도약 파일럿 신호는 우주 중계기 또는 지상의 망 중심국에서 지속적으로 송신한다고 가정한다.
송신 동기는 위성 중계기와 지상 단말간의 전파거리에 따라 결정되는데, 위성통신시스템은 지상 위성단말의 위치에 따라 전파거리가 매우 크게 달라질 수 있다. 따라서 위성통신 시스템에서 지상 위성단말이 위성 중계기와의 전파거리를 모르는 상황에서 지상 위성단말이 최초에 송신하는 주파수 도약 신호가 동기가 맞지 않는 신호이기 때문에 다른 위성 단말의 송신 신호와 충돌이 발생될 가능성이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 위성 통신 단말기가 레인징 신호를 송신하는 타이밍을 제어하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 위성 통신 단말기가 레인징 신호를 다른 신호들과의 충돌 없이 송신하는 데 다른 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법에 있어서, 상기 위성 통신 단말기의 위치에서 위성 중계기까지의 전파 지연 시간 및 상기 위치의 오차에 따른 최소 전파 지연 시간 및 최대 전파 지연 시간을 연산하는 전파 지연 시간 연산 과정; 및 상기 레인징 신호가 다른 신호들과의 충돌을 회피하기 위해, 상기 레인징 신호를 그룹별로 일정 시간 후에 주파수 호핑하여 송신하는 지연 송신 과정을 포함하고, 위성 통신 단말기가 레인징 신호를 송신하는 타이밍을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 일정 시간은 상기 최대 전파 지연 시간에서 상기 최소 전파 지연 시간과의 차이에서 레인징 수행 시간을 더한 값일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 지연 송신 과정 이후에, 상기 위성 중계기 또는 위성에서 송신하는 동기 신호를 주파수 역도약(inverse hopping)을 수행하는 주파수 역도약 과정; 및 상기 주파수 역도약된 동기 신호에 해당하는 제1신호에 전처리 필터 및 후처리 필터를 수행하여 제2신호 및 제3신호를 획득하는 필터링 과정을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 필터링 과정 이후에, 상기 제1 내지 제3신호에 대해 포락선 검파 및 호핑 평균값을 연산하는 호핑 평균값 연산 과정; 및 상기 호핑 평균값에 기반하여 상기 일정 시간에 해당하는 동기 오차를 측정하는 동기 오차 측정 과정을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 최소 전파 지연 시간 및 상기 최대 전파 지연 시간은 상기 위성 통신 단말이 위치하고, 상기 위성 중계기의 빔이 커버하는 영역 내에서 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 주파수 도약 타이밍 동기획득 하는 위성 통신 단말기는, 상기 위성 통신 단말기의 위치에서 위성 중계기까지의 전파 지연 시간 및 상기 위치의 오차에 따른 최소 전파 지연 시간 및 최대 전파 지연 시간을 연산하는 제어부; 및 상기 레인징 신호가 다른 신호들과의 충돌을 회피하기 위해, 상기 레인징 신호를 그룹별로 일정 시간 후에 주파수 호핑하여 송신하는 무선 통신부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 무선통신부는, 상기 위성 중계기 또는 위성에서 송신하는 동기 신호를 주파수 역도약(inverse hopping)을 수행하는 주파수 역도약부; 상기 주파수 역도약된 동기 신호에 해당하는 제1신호에 전처리 필터 및 후처리 필터를 수행하여 제2신호 및 제3신호를 획득하는 필터링부; 및 상기 제1 내지 제3신호에 대해 포락선 검파를 수행하는 포락선 검파부를 포함하고, 상기 제어부는, 정규화된 제1 내지 제3신호중 제1신호의 호핑 평균값에 기반하여 동기 오차를 측정하는 제1동기 측정부; 및 정규화된 제1 내지 제3신호의 호핑 평균값에 기반하여 동기 오차를 측정하는 제2동기 측정부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 다중 도약그룹을 운용하는 FH-FDMA 위성 통신시스템에서 위성 통신 단말기가 레인징 신호와 다른 송신 신호들과의 충돌을 회피할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 복수의 위성 통신 단말기의 레인징 신호들 간의 충돌을 회피하여, 다중 도약그룹을 운용하는 FH-FDMA 위성통신 시스템에서 지상 위성단말의 송수신 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법 및 구조로 활용될 수 있다.
도 1은 위성통신 시스템에서 지상 단말의 주파수 홉 타이밍 동기획득 절차를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 레인징 신호의 송신 타이밍을 제어하는 위성 통신 단말기의 상세한 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 위성 통신 단말기에서 레인징 신호의 송신 타이밍을 제어하기 위한 무선통신부 및 제1 및 제2동기 측정부의 상세 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전처리 구간 및 후처리 구간을 포함하는 시간 구간을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 위성 중계기 안테나의 지향에 따른 빔 커버리지 및 전파 지연이 발생하는 원리를 나타내는 개념도이다.
도 6은 전파 지연 시간에 따른 송신 동기 타이밍 오차 범위를 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명에 따른 레인징 전용 도약그룹과 일반 도약그룹의 주파수 도약을 비교한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른, 위성 통신 단말기에서 레인징 신호의 송신 타이밍을 제어하는 방법을 도시한다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
본 발명은 레인징 신호의 송신 타이밍을 제어하는 위성 통신 단말기 및 그 제어 방법을 제안한다. 구체적으로, 본 발명은 많은 수의 도약그룹이 운용되는 FH-FDMA 위성 통신시스템에서 지상 위성 통신 단말기의 신뢰성 동기획득 기법 및 구조에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 레인징 신호의 송신 타이밍을 제어하는 위성 통신 단말기 및 그 제어 방법을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
이와 관련하여, 도 2는 본 발명에 따른 레인징 신호의 송신 타이밍을 제어하는 위성 통신 단말기의 상세한 구성을 도시하는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 위성 통신 단말기(100)는 무선통신부(110), 제어부(150) 및 메모리부(180)를 포함한다. 한편, 도 3은 본 발명에 따른 위성 통신 단말기에서 레인징 신호의 송신 타이밍을 제어하기 위한 무선통신부 및 제1 및 제2동기 측정부의 상세 구성도이다.
한편, 상기 무선통신부(110)는 무선통신 송신부(120) 및 무선통신수신부(130)를 포함할 수 있다.
상기 무선통신 송신부(120)는 상기 레인징 신호가 다른 신호들과의 충돌을 회피하기 위해, 상기 레인징 신호를 그룹별로 일정 시간 후에 주파수 호핑하여 송신한다. 여기서, 상기 일정 시간은 상기 최대 전파 지연 시간에서 상기 최소 전파 지연 시간과의 차이에서 레인징 수행 시간을 더한 값일 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 상기 무선통신수신부(130)는 주파수 도약 신호를 수신하고, 상기 수신된 주파수 도약 신호에 관한 신호 처리를 수행한다.
상기 무선통신수신부(130)는 주파수 역도약부(131), 필터링부(132), 포락선 검파부(133)를 포함한다.
상기 주파수 역도약부(131)는 상기 위성 중계기 또는 위성에서 송신하는 동기 신호를 주파수 역도약(inverse hopping)을 수행한다. 따라서, 상기 주파수 역도약된 동기 신호는 주파수 도약을 수행하기 이전의 고정된 주파수를 갖는 동기 신호이다.
상기 필터링부(132)는 주파수 역도약된 동기 신호에 해당하는 제1신호에 전처리 필터 및 후처리 필터를 수행하여 제2신호 및 제3신호를 획득한다. 즉, 입력된 주파수 도약 신호를 역도약시켜 고정 주파수 신호로 만든 후에 3개의 상기 포락선 검파부(133)에 의해 수신 신호 에너지
Figure 112015110448389-pat00001
을 계산한다.
상기 포락선 검파부(133)는 상기 제1 내지 제3신호에 대해 포락선 검파를 수행한다.
이와 관련하여, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전처리 구간 및 후처리 구간을 포함하는 시간 구간을 도시한다.
상기 제어부(150)는 상기 위성 통신 단말기(100)의 위치에서 위성 중계기까지의 전파 지연 시간 및 상기 위치의 오차에 따른 최소 전파 지연 시간 및 최대 전파 지연 시간을 연산한다. 한편, 상기 제어부(150)는 제1동기 측정부(160) 및 제2동기 측정부(170)를 포함한다. 상기 제1동기 측정부(160)는 Coarse 동기 오차를 측정하고, 상기 제2동기 측정부(170)는 Fine 동기 오차를 측정한다. 즉, 상기 제1동기 측정부(160) 및 상기 제2동기 측정부(170)는 각각 Coarse 동기 측정부 및 Fine 동기 측정부로 지칭될 수 있다.
이와 관련하여, 도 3을 참조하면, 상기 제1동기 측정부(160)는 정규화된 제1 내지 제3신호중 제1신호의 호핑 평균값에 기반하여 동기 오차를 측정한다. 반면에, 상기 제2동기 측정부(170)는 정규화된 제1 내지 제3신호의 호핑 평균값에 기반하여 동기 오차를 측정한다.
상기 메모리부(180)는 상기 연산된 전파 지연 시간, 최소 전파 지연 시간, 최대 전파 지연 시간 및 이와 연관된 값들을 저장한다.
먼저, 수신 주파수 도약 타이밍 Coarse 동기에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
주파수 도약 패턴 생성과 관련하여, 상기 제어부(150)는 상기 메모리부(180)로부터 읽어온 주파수 도약 패턴 생성을 위한 각종 파라미터를 상기 무선통신수신부(120)로 제공한다.
이와 관련하여, 상기 무선통신수신부(130)는 주파수 도약 패턴 생성 파라미터를 적용한 후에 자체클럭 기준의 수신 타이밍에 맞춰서 주파수 도약 파일럿 신호를 수신하여 포락선 검파기 출력값을 생성한다. 생성된 포락선 검파기 출력값이 상기 제1동기 측정부(160)로 전달되어 Coarse 동기오차가 측정된다. Coarse 동기측정부는 L홉 동안 누적한 값인 L홉 평균값(
Figure 112015110448389-pat00002
)을 상기 제어부(150)로 전달한다.
상기 제어부(150)는 상기 L홉 평균값(
Figure 112015110448389-pat00003
)을 수신 Coarse 동기획득 판정기준값(Rcoarse)과 아래와 같이 비교하여 Coarse 동기획득 여부를 판단한다. 만약 제어부가 Coarse 동기획득 실패로 판단할 경우, 제어부는 무선통신수신부의 수신 타이밍을 ±1홉씩 조정하여 주파수 도약 파일럿 신호 수신을 재시도한다. 만약 제어부가 Coarse 동기획득 성공으로 판단할 경우, 상기 제어부(150)는 수신 주파수 도약 타이밍 Fine 동기획득 단계로 진행한다.
Figure 112015110448389-pat00004
이면 수신 Coarse 동기획득 성공
Figure 112015110448389-pat00005
이면, 수신 Coarse 동기획득 실패
다음으로, 수신 주파수 도약 타이밍 Fine 동기에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
상기 무선통신수신부(130)는 수신된 주파수 도약 파일럿 신호에 대해서 3개의 포락선 검파기 출력값(z1 2 ~ z3 2)을 상기 제2동기 측정부(170)로 제공한다. 상기 제2동기 측정부(170)는 3개의 정규화 출력값(
Figure 112015110448389-pat00006
)을 아래의 수학식1에 적용하여
Figure 112015110448389-pat00007
를 계산한다.
Figure 112015110448389-pat00008
이와 관련하여, 상기 제2동기 측정부(170)는 호핑 평균값에 기반하여 일정 시간에 해당하는 동기 오차를 측정한다. 즉,
Figure 112015110448389-pat00009
를 아래의 수학식 2와 같은 기준에 따라 주파수 홉 동기오차를 측정한다. 측정된 동기오차를 Ranging 송신 타이밍에 적용하여 송신 동기를 보정한다.
상기 제2동기 측정부(170)는
Figure 112015110448389-pat00010
를 아래의 수학식 2에 적용하여 동기오차(ε)를 측정하고, 이를 상기 제어부(150)에 전달한다.
Figure 112015110448389-pat00011
상기 제어부(150)는 측정된 동기오차(ε)을 수신 Fine 동기획득 판정기준값(Rfine)과 아래와 같이 비교하여 Fine 동기획득 여부를 판단한다. 여기에서 수신 Fine 동기획득 판정기준값(Rfine)은 통신시스템에서 허용할 수 있는 수신 동기오차를 의미한다. 상기 제어부(150)가 Fine 동기획득 실패로 판단할 경우, 상기 제어부(150)는 상기 무선통신수신부(120)의 수신 타이밍을 홉만큼 조정하여 주파수 도약 파일럿 신호 수신을 재시도한다. 상기 제어부(150)가 Fine 동기획득 성공으로 판단할 경우, 상기 제어부(150)는 송신동기 획득 단계로 진행한다.
ε < Rfine이면, 수신 Fine 동기획득 성공
ε ≥ Rfine이면, 수신 Fine 동기획득 실패
추가사항으로, 보다 확실한 수신동기 획득을 위해 신호 송신자는 자신의 송신자 ID를 주파수 도약 파일럿 신호에 반영하고, 지상 위성단말은 주파수 도약 파일럿 신호의 송신자 ID를 사전에 파악하고 있는 상태에서 수신동기 획득을 완료한 후 주파수 도약 파일럿 신호에 포함된 송신자 ID와 사전에 알고 있는 송신자 ID가 일치하는지 확인한다. 만약 불일치할 경우, 수신 주파수 도약 타이밍 Coarse 동기부터 다시 시도한다.
다음으로, 송신 주파수 도약 타이밍 동기에 대하여 살펴보기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 위성 중계기 안테나의 지향에 따른 빔 커버리지 및 전파 지연이 발생하는 원리를 나타내는 개념도이다.
이와 관련하여, 위성 통신시스템은 위성 중계기 안테나의 빔 영역 이내의 지역에 위성 통신서비스가 제공한다. 이는 위성 통신서비스는 위성 중계기 안테나 빔 영역 이내의 지상 위성 단말을 대상으로 제공됨을 의미한다. 안테나 빔 영역의 크기와 위치는 위성 통신시스템의 요구사항에 따라 매우 다양하다. 도 5에 도시된 바와 같이, 적도 상공에 위성 중계기의 안테나가 지구의 특정 지역을 지향할 수 있다.
도 5를 참조하면, 위성 중계기 안테나 빔의 중심(B)을 기준으로 안테나 빔 컨투어(contour)의 가장 외곽의 부분이 지상으로부터 위성 중계기까지의 전파 지연시간이 가장 길거나 가장 짧은 지점이 된다. 즉, 위성 중계기 안테나가 특정 지역을 지향하고 있을 경우, 해당 안테나 빔 영역에서의 전파 지연시간 편차는 안테나 빔의 크기 및 위치에 따라 달라질 수는 있으나 안테나 빔 중심을 기준으로 일정한 범위 이내로 한정된다. 예를 들어, B지점에 위성 단말이 위치하는 경우, B지점이 전파 지연 시간의 기준점이고, A지점과 C지점이 각각 최대 전파 지연 시간 및 최소 전파 지연 시간에 해당할 수 있다.
한편, 위성 중계기의 위치도 지속적으로 변동되는데, 위성 중계기의 위치에 따라 지상 위성단말과 위성 중계기간 전파 지연시간이 달라질 수 있다. 그런데, 위성 중계기도 지상의 위성 관제시스템에 의해 사전에 정해진 범위 내에서 위성 중계기의 위치가 제어가 된다. 이는 위성 중계기의 위치 변동이 전파 지연시간에 미치는 영향성이 일정한 범위 이내로 한정됨을 의미한다.
한편, 이하에서는 전파 지연 시간에 따른 송신 동기 타이밍 오차 범위에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다. 이와 관련하여, 도 6은 전파 지연 시간에 따른 송신 동기 타이밍 오차 범위를 나타내는 개념도이다.
이와 관련하여, 위성 중계기 관점에서 FH-FDMA 신호는 마치 여러 신호가 FDMA형태로 그룹을 형성하고 그 그룹 단위로 주파수 도약을 하는 것처럼 보인다. 여러 개의 FH-FDMA 그룹이 운용되는 위성통신시스템의 경우, 각 FH-FDMA 그룹은 서로 중첩되지 않게 운용되어야 하므로 지상 위성단말의 네트워크 동기가 매우 중요하다. 네트워크 동기와 어긋나게 송신한 신호는 자신이 원하는 FH-FDMA 그룹에 들어가지 못하게 되며, 경우에 따라선 다른 FH-FDMA 그룹에 들어가서 간섭 신호가 된다.
전술한 바와 같이, 지상 위성단말이 네트워크 송신동기 획득을 위해 최초에 송신하는 신호는 네트워크 동기에 어긋난 신호일 가능성이 매우 크며, 그 신호가 위성통신시스템 전반에 부정적인 영향을 줄 것이다. 이러한 문제를 극복하기 위해 지상 위성단말의 초기 송신 타이밍 오차를 고려한 시스템 설계가 필요하다.
지상 위성단말의 초기 송신 타이밍 오차를 줄이기 위해 지상 위성단말 운용자는 현재의 위치정보를 입력할 수 있다. 이와 관련하여, 운용자가 입력한 위치정보는 실제 위치정보와 오차가 발생할 수 있는데, 그 오차가 일정한 범위 이내에 있다고 가정한다. 이때, 지상 위성단말은 운용자가 입력한 위치정보를 이용하여 3개의 전파지연 시간을 계산한다.
첫 번째는 운용자가 입력한 위치에서 위성 중계기까지의 전파지연 시간(tS)이다. 두 번째는 사용자가 입력한 위치정보에 최대값의 오차를 적용한 위치에서 위성 중계기까지의 전파지연 시간(tL)이다. 세 번째는 사용자가 입력한 위치정보에 최소값의 오차를 적용한 위치에서 위성 중계기까지의 전파지연 시간(tC)이다. 이러한 상황에서 지상 위성단말의 초기 송신 타이밍 오차 범위는 -(tC-tS) ~ (tL-tC)이다. 즉, 지상 위성단말이 초기 송신동기 획득을 위해 송신하는 레인징 신호의 초기 송신 타이밍 오차로 인해 정확한 송신동기에 따라 운용 중인 기존 송신 신호와 충돌이 발생될 수 있다.
다음으로, 이러한 레인징 신호와 기존 송신 신호와의 충돌을 방지하기 위한 레인징 전용 도약 그룹에 살펴보기로 한다.
제안하는 기법은 다중 도약그룹을 운용하는 FH-FDMA 위성통신 시스템에서 발생될 수 있는 간섭을 극복하는 기법과 구조에 대한 것이다. 우선 주파수 도약 Ranging 신호와 기존 주파수 도약 신호간 충돌을 방지하기 위해 주파수 도약 속도가 다른 도약그룹과는 상이한 Ranging 전용 도약그룹을 지정하는 것을 제안한다.
사용자가 현재의 위성단말 위치에 대한 정보를 입력하고, 해당 입력정보가 일정한 범위 이내의 오차를 가진다면, 주파수 도약 Ranging 신호의 송신 타이밍 오차는 -(tC-tS) ~ (tL-tC)이다. 타 도약그룹에 간섭을 줄 가능성을 방지하기 위해 지상 위성단말은 자신이 계산한 송신 타이밍에서 (tC-tS)만큼 지연 후에 주파수 도약 Ranging 신호를 송신한다. 이렇게 되면 주파수 도약 Ranging 신호의 송신 타이밍 오차는 0 ~ (tL-tS)가 된다. 즉, 초기 지연으로 인해 주파수 도약 Ranging 신호에 최대 타이밍 오차는 (tL-tS)가 된다.
Ranging 전용 도약그룹의 주파수 도약 지속시간은 주파수 도약 Ranging 신호의 최대 타이밍 오차 (tL-tS)에 동기획득 수행에 필요한 시간 tR을 더한 (tL-tS+tR)으로 설정한다.
이와 관련하여, 도 7은 본 발명에 따른 레인징 전용 도약그룹과 일반 도약그룹의 주파수 도약을 비교한 것이다. 그룹 #1을 Ranging 전용 도약그룹이라고 가정하면 일반 도약그룹은 짧은 주기로 주파수를 변경하는 반면, Ranging 전용 도약그룹은 (tL-tS+tR) 만큼 주파수 대역을 유지한 후에 주파수를 변경하여 다른 일반 도약그룹과는 상이함을 알 수 있다. 이와 같이 Ranging 전용 도약그룹의 주파수 변경 시점을 타이밍 오차를 고려하여 설계하고, Ranging 전용 도약그룹과 타 도약그룹간에 주파수 중첩이 발생되지 않도록 도약그룹간 주파수 직교성이 유지한다면, 초기동기 오차를 가지는 주파수 도약 Ranging 신호와 타 주파수 도약 신호를 물리적으로 분리할 수 있기 때문에 신호간 충돌을 방지할 수 있다.
추가 사항으로, 지상 위성단말 운용자가 위치정보를 입력하지 않고 지상 위성단말 스스로가 자신이 위성 중계기 안테나 빔의 중심에 존재한다고 가정하여 동작할 수 있다. 이 경우, 위성 중계기 안테나 빔의 중심에서 위성 중계기까지의 전파지연이 tC가 되고, 위성 중계기 안테나 빔의 영역 내에서 위성 중계기와의 가장 긴 전파지연이 tL가 되고, 위성 중계기 안테나 빔의 영역 내에서 위성 중계기와의 가장 짧은 전파지연이 ts가 된다.
추가 사항으로, 위성 중계기가 이상적인 위치에 있지 않고 일정한 공간 범위 내에 존재하므로 위성 중계기 위치 오차에 의해 위에 계산된 송신동기 타이밍 오차의 범위가 달라질 수 있다. 따라서, 실제 시스템 구현 시에는 위성 중계기 위치 오차를 고려하여 초기 송신동기 타이밍 오차 범위를 더 크게 설정해야 한다. 만약 위성 중계기 위치 오차에 따른 타이밍 오차가 tE이라면 Ranging 전용 도약그룹의 주파수 도약 지속시간은 (tL-tS+tR+tE)이 된다.
다음으로, 송신 주파수 도약 타이밍 Coarse 동기획득에 대하여 살펴보기로 한다.
도 2를 참조하면, 제어부(150)는 무선통신송신부(120)로 Ranging 신호 송신을 명령하고, 무선통신수신부(130)로 수신 주파수 도약 타이밍 동기를 유지하도록 명령한다.
상기 무선통신수신부(130)는 포락선 검파기 출력값을 생성한다. 생성된 포락선 검파기 출력값이 제1동기 측정부(160)로 전달되어 Coarse 동기오차가 측정된다. 상기 제1동기 측정부(160)는 L홉 동안 누적한 값인 L홉 평균값(
Figure 112015110448389-pat00012
)을 상기 제어부(150)로 전달한다.
상기 제어부(150)는 상기 L홉 평균값(
Figure 112015110448389-pat00013
)을 송신 Coarse 동기획득 판정기준값(Tcoarse)과 아래와 같이 비교하여 Coarse 동기획득 여부를 판단한다. 만약 상기 제어부(150)가 Coarse 동기획득 실패로 판단할 경우, 상기 제어부(150)는 상기 무선통신송신부(120)의 송신 타이밍을 ±1홉씩 조정하여 Coarse 동기화를 재시도한다. 만약 상기 제어부(150)가 Coarse 동기획득 성공으로 판단할 경우, 상기 제어부(150)는 송신 주파수 도약 타이밍 Fine 동기획득 단계로 진행한다.
Figure 112015110448389-pat00014
이면 수신 Coarse 동기획득 성공
Figure 112015110448389-pat00015
이면, 수신 Coarse 동기획득 실패
다음으로, 송신 주파수 도약 타이밍 Fine 동기에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
상기 무선통신수신부(130)는 수신된 주파수 도약 파일럿 신호에 대해서 3개의 포락선 검파기 출력값(z1 2 ~ z3 2)을 제2동기 측정부(170)로 제공한다. 상기 제2동기 측정부(170)는 3개의 정규화 출력값(
Figure 112015110448389-pat00016
)을 아래의 수학식 3에 적용하여
Figure 112015110448389-pat00017
를 계산한다.
Figure 112015110448389-pat00018
상기 제2동기 측정부(170)는
Figure 112015110448389-pat00019
를 아래의 수학식 4에 적용하여 동기오차(ε)를 측정하고, 이를 상기 제어부(150)에 전달한다.
Figure 112015110448389-pat00020
제어부(150)는 측정된 동기오차(ε)을 송신 Fine 동기획득 판정기준값(Tfine)과 아래와 같이 비교하여 Fine 동기획득 여부를 판단한다. 여기에서 송신 Fine 동기획득 판정기준값(Tfine)은 통신시스템에서 허용할 수 있는 송신 동기오차를 의미한다. 만약 상기 제어부(150)가 Fine 동기획득 실패로 판단할 경우, 상기 제어부(150)는 무선통신송신부(120)의 송신 타이밍을 홉만큼 조정하여 주파수 도약 파일럿 신호 수신을 재시도한다. 만약 상기 제어부(150)가 Fine 동기획득 성공으로 판단할 경우, 상기 제어부(150)는 동기획득 완료를 선언한다.
ε < Tfine이면 수신 Coarse 동기획득 성공
ε ≥ Tfine이면, 수신 Coarse 동기획득 실패
추가사항으로, 보다 확실한 송신동기 획득을 위해 지상 위성단말은 자신의 송신자 ID를 주파수 도약 Ranging 신호에 반영하고, 송신동기 획득을 완료한 후 주파수 도약 파일럿 신호에 포함된 송신자 ID와 자신의 ID가 일치하는지 확인한다. 만약 불일치할 경우, 송신 주파수 도약 타이밍 Coarse 동기부터 다시 시도한다.
한편, 전술한 바와 같이, 무선통신송신부(120), 무선통신수신부(130), 제어부(150), 제1동기 측정부(160) 및 제2동기 측정부(170)의 상세 구성부에서 수행되는 기능 및 절차는 아래에서 기술된 위성 통신 단말기에서 레인징 신호의 송신 타이밍을 제어하는 방법에 활용될 수 있다.
이와 관련하여, 도 8은 본 발명에 따른, 위성 통신 단말기에서 레인징 신호의 송신 타이밍을 제어하는 방법을 도시한다.
상기 레인징 신호의 송신 타이밍을 제어하는 방법은 전파 지연 시간 연산 과정(S810), 지연 송신 과정(S820), 주파수 역도약 과정(S830), 필터링 과정(S840), 호핑 평균값 연산 과정(S850) 및 동기 오차 측정 과정(S860)을 포함한다.
상기 전파 지연 시간 연산 과정(S810)은 위성 통신 단말기의 위치에서 위성 중계기까지의 전파 지연 시간 및 상기 위치의 오차에 따른 최소 전파 지연 시간 및 최대 전파 지연 시간을 연산한다.
상기 지연 송신 과정(S820)은 레인징 신호가 다른 신호들과의 충돌을 회피하기 위해, 상기 레인징 신호를 그룹별로 일정 시간 후에 주파수 호핑하여 송신한다. 여기서, 상기 일정 시간은 상기 최대 전파 지연 시간에서 상기 최소 전파 지연 시간과의 차이에서 레인징 수행 시간을 더한 값이다.
한편, 상기 주파수 역도약 과정(S830) 내지 상기 동기 오차 측정 과정(S860)은 레인징 신호들 간의 충돌을 회피하기 위한 과정이다.
상기 주파수 역도약 과정(S830)은 상기 위성 중계기 또는 위성에서 송신하는 동기 신호를 주파수 역도약(inverse hopping)을 수행한다.
상기 필터링 과정(S840)은 상기 주파수 역도약된 동기 신호에 해당하는 제1신호에 전처리 필터 및 후처리 필터를 수행하여 제2신호 및 제3신호를 획득한다.
상기 호핑 평균값 연산 과정(S850)은 상기 제1 내지 제3신호에 대해 포락선 검파 및 호핑 평균값을 연산한다.
상기 동기 오차 측정 과정(S860)은 상기 호핑 평균값에 기반하여 상기 일정 시간에 해당하는 동기 오차를 측정한다.
한편, 이상에서 전술한 주파수 홉 동기획득 시스템은 초기 송신 동기획득 뿐만 아니라 초기 수신 동기획득 및 송수신 동기보정에서 적용될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 기법 및 구조를 통해, 다중 도약그룹을 운용하는 FH-FDMA 위성 통신시스템에서 위성 통신 단말기가 초기 송신 동기 타이밍을 획득할 수 있다.
전술된 본 발명의 실시예들에 따르면, 다중 도약그룹을 운용하는 FH-FDMA 위성 통신시스템에서 위성 통신 단말기가 레인징 신호와 다른 송신 신호들과의 충돌을 회피할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 복수의 위성 통신 단말기의 레인징 신호들 간의 충돌을 회피할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 적어도 일실시예에 따르면, 다중 도약그룹을 운용하는 FH-FDMA 위성 통신시스템에서 위성 통신 단말기가 레인징 신호와 다른 송신 신호들과의 충돌을 회피할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일실시예에 따르면, 복수의 위성 통신 단말기의 레인징 신호들 간의 충돌을 회피하여, 다중 도약그룹을 운용하는 FH-FDMA 위성통신 시스템에서 지상 위성단말의 송수신 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법 및 구조로 활용될 수 있다.
한편, 본 발명에서 제시된 무선통신송신부(120), 무선통신수신부(130), 제어부(150), 제1동기 측정부(160) 및 제2동기 측정부(170)는 하드웨어, 소프트웨어 및 이들의 조합에 의해 구현될 수 있다. 또한, 상기 무선통신송신부(120), 무선통신수신부(130), 제어부(150), 제1동기 측정부(160) 및 제2동기 측정부(170)의 세부 구성 모듈 또한 하드웨어, 소프트웨어 및 이들의 조합에 의해 구현될 수 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능 뿐만 아니라 각각의 구성 요소들은 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.
110: 무선통신부 120: 무선통신송신부
130: 무선통신수신부 150: 제어부
160:제1동기 측정부 170: 제2동기 측정부

Claims (7)

  1. 위성 통신 단말기에 의해 수행되는 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법에 있어서,
    상기 위성 통신 단말기의 위치에서 위성 중계기까지의 전파 지연 시간 및 상기 위치의 오차에 따른 최소 전파 지연 시간 및 최대 전파 지연 시간을 연산하는 전파 지연 시간 연산 과정; 및
    레인징 신호와 다른 신호들과의 충돌을 회피하기 위해, 상기 레인징 신호의 동기 획득이 실패로 판단될 경우 상기 레인징 신호를 그룹별로 일정 시간 후에 주파수 호핑하여 일정 시간 후에 송신하는 주파수 호핑/지연 송신 과정을 포함하는, 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일정 시간은 상기 최대 전파 지연 시간에서 상기 최소 전파 지연 시간과의 차이에서 레인징 수행 시간을 더한 값인, 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지연 송신 과정은,
    상기 위성 중계기 또는 위성에서 송신하는 동기 신호를 주파수 역도약(inverse hopping)을 수행하는 주파수 역도약 과정; 및
    상기 주파수 역도약된 동기 신호에 해당하는 제1신호에 전처리 필터 및 후처리 필터를 수행하여 제2신호 및 제3신호를 획득하는 필터링 과정을 포함하는, 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 지연 송신 과정은,
    상기 제1 내지 제3신호에 대해 포락선 검파 및 호핑 평균값을 연산하는 호핑 평균값 연산 과정; 및
    상기 호핑 평균값에 기반하여 상기 일정 시간에 해당하는 동기 오차를 측정하는 동기 오차 측정 과정을 더 포함하고,
    상기 동기 오차 측정 과정은,
    정규화된 제1 내지 제3신호 중 상기 제1신호의 호핑 평균값이 coarse 동기 획득 판정 기준 값보다 작으면 coarse 동기 획득된 것으로 판단하는 제1동기 측정 과정; 및
    상기 coarse 동기 획득된 경우, 정규화된 제1 내지 제3신호의 호핑 평균값에 기반하여 동기 오차를 측정하고, 상기 동기 오차가 fine 동기획득 판단 기준보다 작으면 fine 동기 획득된 것으로 판단하는 제2동기 측정 과정을 포함하는, 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 최소 전파 지연 시간 및 상기 최대 전파 지연 시간은 상기 통신 단말이 위치하고, 상기 위성 중계기의 빔이 커버하는 영역 내에서 결정되는, 주파수 도약 타이밍 동기획득 기법.
  6. 위성 통신 단말기에 있어서,
    상기 위성 통신 단말기의 위치에서 위성 중계기까지의 전파 지연 시간 및 상기 위치의 오차에 따른 최소 전파 지연 시간 및 최대 전파 지연 시간을 연산하는 제어부; 및
    레인징 신호와 다른 신호들과의 충돌을 회피하기 위해, 상기 레인징 신호의 동기 획득이 실패로 판단될 경우 상기 레인징 신호를 그룹별로 일정 시간 후에 주파수 호핑하여 일정 시간 후에 송신하는 무선통신부를 포함하는, 위성 통신 단말기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 무선통신부는,
    상기 위성 중계기 또는 위성에서 송신하는 동기 신호를 주파수 역도약(inverse hopping)을 수행하는 주파수 역도약부;
    상기 주파수 역도약된 동기 신호에 해당하는 제1신호에 전처리 필터 및 후처리 필터를 수행하여 제2신호 및 제3신호를 획득하는 필터링부; 및
    상기 제1 내지 제3신호에 대해 포락선 검파를 수행하는 포락선 검파부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    정규화된 제1 내지 제3신호 중 상기 제1신호의 호핑 평균값이 coarse 동기 획득 판정 기준 값보다 작으면 coarse 동기 획득된 것으로 판단하는 제1동기 측정부; 및
    상기 coarse 동기 획득된 경우, 정규화된 제1 내지 제3신호의 호핑 평균값에 기반하여 동기 오차를 측정하고, 상기 동기 오차가 fine 동기획득 판단 기준보다 작으면 fine 동기 획득된 것으로 판단하는 제2동기 측정부를 포함하는, 위성 통신 단말기.
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