KR20070059399A - 주파수 오차 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 직교 부반송파를 사용하여 2 이상의 안테나를 통해 신호를 전송하는 시스템에 적용되는 주파수 오차 측정 방법에 있어서, 수신 신호의 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio; 이하 'SNR')를 측정하는 단계와, 상기 수신 신호의 SNR 이 기준치 이하인 경우, 일정한 수 이상의 전치부호 심볼을 샘플링하는 단계 및 상기 샘플링된 전치부호 심볼 위상값들의 기대치(expectation)를 산출하는 단계를 포함하여 이루어지는 주파수 오차 측정 방법에 관한 것으로, SNR 에 따라, 주파수 오차 측정을 수행함으로써, 보다 우수한 성능으로 주파수 오차를 측정할 수 있는 효과가 있다.

주파수 오차(frequency offset), 전치부호, SNR, OFDM

Description

주파수 오차 측정 방법{Method for Estimating Frequency Offset}

도 1 은 전치부호의 트레이닝 심볼 할당 방법을 설명하기 위한 일실시예 설명도.

도 2 는 OFDM 에 사용되는 전치 부호를 나타낸 일실시예 설명도.

도 3 은 도 2 에 따라 인코딩된 신호를 전송하는 방법을 나타낸 일실시예 설명도.

도 4 는 상기 전치부호의 수신 상태를 나타낸 일실시예 설명도.

도 5 는 다중 송신 안테나 전치 부호를 나타낸 일실시예 설명도.

도 6 은 상기 주파수 추정 방법의 일실시예에 따른 주파수 오차 측정 결과를 나타낸 일실시예 설명도.

도 7 은 SNR 에 따라, 서로 다른 주파수 오차 추정 방법을 사용하는 과정을 나타낸 일실시예 흐름도.

도 8 은 SNR 에 따라, 두가지 방법을 사용하여 주파수 오차를 측정한 결과를 나타낸 일실시예 설명도.

본 발명은 주파수 오차 측정 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 직교 주파수 분할 다중화 방식이 적용되는 시스템에서, 보다 좋은 성능으로 주파수 오차를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.

먼저, 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; 이하 'OFDM')에 관해 설명하면 다음과 같다. OFDM 은 다수 반송파 전송(multicarrier transmission)의 특수한 형태로 볼 수 있으며, 하나의 데이터열이 보다 낮은 데이터 전송률을 갖는 부반송파를 통해 전송된다. 무선통신을 위한 채널환경은 건물과 같은 장애물로 인해 다중경로(multi-path)를 갖는다. 다중경로가 있는 무선채널에서는 다중경로에 의한 지연확산(delay-spread)이 발생하고, 다음 심볼이 전송되는 시간보다 지연확산시간이 클 경우 심볼 간 간섭(Inter-Symbol Interference; 이하 'ISI')이 발생하게 된다.

이 경우, 주파수 영역에서 보면 선택적으로 페이딩(Frequency Selective Fading)이 발생하는데, 하나의 반송주파수(single-carrier)를 사용하는 경우 심볼 간 간섭성분을 제거하기 위해 등화기(equalizer)를 사용한다. 그러나, 데이터의 속도가 증가함에 따라, 등화기의 복잡도도 함께 증가한다. OFDM 시스템에서는 고속의 데이터를 다수의 부반송파를 이용하여 병렬로 전송함으로써, 각 부반송파에서의 저속 전송효과를 얻을 수 있다.

한편, 다중입출력(Multi-Input Multi-Output; 이하 'MIMO')에 관해 설명하면, 다음과 같다. 기존의 무선 무선통신 시스템은 음성 서비스 위주였으며, 열악한 무선 채널 환경을 극복하기 위해 주로 채널 코딩(channel coding)을 이용하였다. 그러나 고품질의 멀티미디어 서비스가 요구됨에 따라, 기존의 음성 위주의 통신에서 데이터 중심의 통신으로 변화하게 되었다. 따라서, 이를 실현하기 위해서 많은 양의 데이터를 더욱 빨리 그리고 오류가 적게 보내는 기술이 요구되었다. 그러나 이동통신 환경은 다중경로, 음영효과, 전파감쇠, 간섭 등의 영향으로 인해 신호를 크게 왜곡시킨다. 특히, 다중경로에 의한 페이딩 현상은 서로 다른 경로를 거쳐 수신되는 서로 다른 크기와 위상을 갖는 신호의 합에 의해, 신호의 심각한 왜곡을 초래한다. 이같은 페이딩 현상을 극복하기 위해 MIMO 시스템이 제안되었다.

MIMO 시스템은 기존의 단일 입출력(Single Input Single Output; 이하 'SISO') 시스템과 달리, 송신 측과 수신 측의 안테나를 여러 개 사용한다. 여러 개의 안테나를 통해 여러 신호를 송수신하며, 이를 통해 대역폭(bandwidth)을 더 이상 확장하지 않고도 기존의 시스템보다 효율적으로 데이터를 전송할 수 있다.

한편, 시간 동기(Timing Synchronization)에 관해 설명하면 다음과 같다. 정확한 동기화 작업은 다양한 통신 환경하에서 신뢰성 있는 통신을 보장하고, 보다 빠르고 정확한 통신을 보장해준다. OFDM 시스템은 보호구간(Cyclic Prefix; 이하 'CP')을 통해서 보호구간 이내의 시간 지연현상에 대해서는 성능에 영향을 주지 않는다. 그러나, 시간 지연이 보호구간을 벗어나게 되면, 직교성을 상실하여 성능 열화가 나타나게 된다. 일반적으로, 수신기는 미리 정해진 전치부호 심볼과 수신된 신호와의 상관도(correlation)를 측정하여 전체 프레임 동기를 판별하게 된다.

MIMO 시스템에서 전송되는 전치부호는 수신기에서 수신될 때, 종래 기술을 사용한 수신기의 수신신호와 다른 특성을 가지고 있으므로, 주파수 오차 추정 방법 에 있어서 기존의 방식과 다른 방식을 효율적으로 적용할 수 있다. 즉, 종래의 단일입출력-직교주파수분할 전송방식의 무선통신 시스템에서는 전치 부호를 전송함으로써 주파수 오차 추정에 활용할 수 있지만, 이는 신호대 잡음비(Signal-to-Noise-Ratio; 즉, 'SNR')에 민감한 문제점이 있다. 따라서 SNR 이 낮은 셀 가장자리(edge)의 경우, 주파수 오차의 추정이 어렵게 되므로, 수신기에서 정확한 채널추정이 불가능하게 되고 신호의 검출에 있어서의 성능 열화를 가져오게 된다. 따라서, 상기와 같이 SNR 이 낮은 위치에서도 주파수 오차 측정을 효율적으로 수행할 수 있는 방법이 필요하다.

본 발명은, SNR 이 낮은 영역에서도 주파수 오차를 측정할 수 있도록 할 뿐 아니라, SNR 에 따라 주파수 오차 측정 방법을 달리하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 직교 부반송파를 사용하여 2 이상의 안테나를 통해 신호를 전송하는 시스템에 적용되는 주파수 오차 측정 방법에 있어서, 수신 신호의 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio; 이하 'SNR')를 측정하는 단계와, 상기 수신 신호의 SNR 이 기준치 이하인 경우, 일정한 수 이상의 전치부호 심볼을 샘플링하는 단계 및 상기 샘플링된 전치부호 심볼 위상값들의 기대치(expectation)를 산출하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

본 발명은 다중입출력-직교주파수분할 전송방식의 무선통신 시스템에서 전송되는 직교성을 가진 전치부호를 이용하여 효율적으로 시간 동기 및 주파수 오차 추정방법에 관한 것으로 직교주파수분할 다중(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)은 다중부반송파 변조방식을 사용한다. 직교주파수분할 전송방식은 신호가 전송될 때 다중경로(Multipath)에 대한 보상을 하기 위하여 OFDM심볼의 마지막 부분의 신호를 복제하여 OFDM심볼의 앞에 붙이는 전치부호(Cyclic prefix)를 사용하게 된다. 상기 전치부호를 사용하여 주파수 오차 측정 및 시간 동기를 획득한다.

먼저, SNR 이 높은 경우에 적용되는 제 1 주파수 오차 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.

주파수 오차(Frequency Offset)는 송신기와 수신기의 오실레이터의 주파수 차이에 의해서 발생한다. 오실레이터의 차이로 인하여 발생되는 주파수 오차는 위상이동을 일으켜 통신 성능의 열화를 발생시킨다. 일반적인 주파수 오차를 측정하기 위해, 시간상에서 D 간격으로 두번 반복되는 전치부호를 이용한다. 즉, 수학식 1 을 이용하여 주파수 오차를 측정할 수 있다.

수학식 1 에서,

은 수신된 전치부호 심볼을 의미하고,

은 전송된 전치부호 심볼을 의미한다. 한편, N 은 전치부호 심볼의 총 샘플의 수를 나타내며,

는 추정된 주파수 오차를 나타낸다.

도 1 은 전치부호의 트레이닝 심볼 할당 방법을 설명하기 위한 일실시예 설명도이다. 먼저, 사용하는 전체 부반송파의 개수를 128, 512, 1024, 2048 중의 어느 하나로 결정한다. 도 1 은 1024 개의 부반송파를 사용하는 경우의 일례를 나타낸 것이다. 그리고, 상기 부반송파 중에서 주파수 영역에서 양측 가장자리에 위치한 부반송파 일부를 보호 대역으로 할당하고, 도 1 에 도시된 바와 같이, 나머지 부반송파들에 대해서, 수학식 2 과 같이, 부반송파 3 개당 1 개를 트레이닝(훈련) 심볼로 사용한다.

수학식 2 에서, n 은 지수화된 전치부호 반송파 집합의 수로서 0, 1, 2 값중 어느 하나를 가지고, k 는 전치부호 부반송파의 연속지수로서 0~283 의 값을 가진 다.

따라서, 세그먼트 0 는 전치부호 반송파 집합 0 번을(PreambleCarrierSet0)사용 하고, 세그먼트 1 은 전치부호 반송파 집합 1 번을(PreambleCarrierSet1) 사용 하고, 세그먼트 2 는 전치부호 반송파 집합 2 번을(PreambleCarrierSet2) 사용한다.

표 1 은 전치부호로 전송되는 PN 수열들을 나타낸 것이다.

인덱스	IDcell	세그먼트	변조수열 (16진수형식)
0	0	0	A6F294537B285E1844677D133E4D53CCB1F182DE00489E53E6B6E77 065C7EE7D0ADBEAF
1	1	0	668321CBBE7F462E6C2A07E8BBDA2C7F7946D5F69E35AC8ACF7D6 4AB4A33C467001F3B2
2	2	0	1C75D30B2DF72CEC9117A0BD8EAF8E0502461FC07456AC906ADE0 3E9B5AB5E1D3F98C6E
： ：	： ：	： ：	： ：

사용되는 PN 수열은 세그먼트 번호와 IDcell 파라미터 값에 의해 결정된다. 정의된 각 PN 수열은 오름차순으로 전치부호 부반송파에 매핑된다. 표에서는 PN 수열을 16진수 형식으로 표현하였다. 해당되는 PN 코드값을 얻기 위해, 제시된 16진수 수열을 이진수 수열(

)로 변환시킨 다음, 최상위 비트(Most Significant Bit; 이하 'MSB')로부터 최하위 비트(Least Significant Bit; 이하 'LSB')로

를 매핑한다. 예를들어, 0 은 +1 로, 1 은 -1 로 매핑하면, 인덱스가 0 인 0 번 세그먼트에서

는 110000010010... 이므로, 변환된 PN 코드값은 -1 -1 +1 +1 +1 +1 +1 -1 +1 +1 -1 +1 ... 이다.

상기와 같이, 전치부호는 무선통신에서 두 개 이상의 시스템간의 전송타이밍을 동기화하고 송수신기 간의 오실레이터에 의한 주파수 오차를 보정하기 위하여 사용되는 신호이다. 이러한 역할을 하는 전치부호는 전송타이밍을 동기화하고 주파수 오차를 보정하기 위하여 시간상에서 대칭구조를 가지도록 트레이닝 심볼을 구성한다.

다중입출력-직교주파수분할(MIMO-OFDM) 전송방식으로 동작할 때, 직교성을 가진 전치부호는 다중입출력 신호의 검출을 위하여 사용되고, 수신 신호의 검출이 이루어진 후에는 다중입출력-직교주파수분할 전송방식으로 동작하게 된다. 따라서, 직교성을 가진 전치부호를 수신할 경우, 신호의 특성을 이용하여 SNR의 변화에 무관하게 동일한 성능으로 주파수 오차 추정을 수행할 수 있다.

다중입출력-직교주파수분할 전송방식에서, SNR 이 낮고, 직교성을 가진 전치부호를 사용하는 경우, 제 2 주파수 오차의 측정방법을 설명하면 다음과 같다.

도 2 는 OFDM 에 사용되는 전치 부호를 나타낸 일실시예 설명도이다. 단일 송신기에서 전송되던 기존의 전치부호에 직교부호를 곱하여 2 개의 안테나를 통하여 2 개의 심볼구간에 전송할 수 있도록 도 2 와 같이 인코딩을 수행한다.

도 3 은 도 2 에 따라 인코딩된 신호를 전송하는 방법을 나타낸 일실시예 설명도이다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 각 안테나와 OFDM 심볼단위로 직교부호를 이용한 인코딩을 수행하여, 각각의 신호를 각 안테나의 전치부호 시퀀스로 사용한다.

도 4 는 상기 전치부호의 수신 상태를 나타낸 일실시예 설명도이다. 상기 도 3 의 방법에 따라 인코딩된 전치 부호 신호는 페이딩 채널과 열잡음(AWGN)이 없는 이상적인 환경에서는 도 4 와 같이 수신된다. 도 4a 는 1 번 전치부호 심볼의 수신 전력(Power)를 나타낸 것이고, 도 4b 는 1 번 전치부호 심볼의 위상(Phase)을 나타낸 것이다.

도 4 에 도시된 바와 같이, 0 번 전치부호 심볼과 1 번 전치부호 심볼이 수신되는데 1 번 전치부호 심볼의 수신신호는 0+0j 값으로 수신된다. 즉, 각 안테나에서 전송되는 1 번 전치부호 심볼의 부호가 서로 반대이기 때문에 서로 상쇄되어0+0j 값으로 수신된다. 따라서, 상기와 같이 수신되는 신호의 0 번 전치부호 심볼을 이용하여, 시간 동기(Timing Synchronization)를 맞추고, 0 번 전치부호 심볼과 1 번 전치부호 심볼을 이용하여 주파수 오차를 측정한다. 즉, 0+0j 값으로 수신되는 1 번 전치부호 심볼을 이용하여 주파수 오차를 측정할 수 있다.

실제 통신 환경에서, 상기 수신 신호는 채널의 페이딩 페이딩, 열잡음 및 송수신기 간의 주파수 오차의 영향을 받게 되므로, 수신되는 1 번 전치부호 심볼의 n 번 특정 샘플은 수학식 3 과 같이 표현할 수 있다.

수학식 3 에서,

는 초기에 0 번 전치부호 심볼의 첫번 샘플이 수신될 경우의 위상을 나타내고,

및

은 0 번 및 1 번 안테나에서 전송되는 신호 (

,

)가 겪게 되는 다중경로 페이딩을 나타낸다. 한편, N 은 수신기의 열잡음을 나타내고

는 0 번 전치부호 심볼이 겪게 되는 주파수 오차를 의미한다. 수학식 3 에서는, 1024-point FFT를 사용하는 OFDM 심볼에서 1024 * 1/8 = 128 샘플의 CP 구간을 가지는 경우의 예이다.

이와 같이 수신된 1 번 전치부호 심볼의 위상을 구하여 수학식 4 에 따라 주파수 오차를 산출할 수 있다.

수학식 4 에 있어서, 초기에 0 번 전치부호 심볼의 첫 번 샘플에 상응하는 위상인

와, 0 번 및 1 번 안테나에서 전송되는 신호 (

,

)가 겪게 되는 다중경로 페이딩인 및

, 의 위상, 수신기의 열잡음 N 의 위상을 모두 반영하여

으로 나타내었다.

와

의 값은 주파수 오차인

와 더해져 수신신호의 위상으로 나타난다. 이때,

값은

에 비해 매우 작은 값이므로, 결국 주파수 오차

값을 알아낼 수 있다. 이 때, 매우 작은 값으로 수렴하게 되는

값은 주파수 오차 추정의 간섭 요인으로 작용할 수 있다.

도 5 는 다중 송신 안테나 전치 부호를 나타낸 일실시예 설명도이다. 상기와 같은 주파수 오차 추정방식은 도 5 에 도시된 바와 같은 전치부호 심볼에 모두 적용가능하며, 각 안테나에서 전송된 신호가 직교성을 갖고 있어서 수신될 때 신호가 서로 상쇄되는 모든 직교 특성의 전치부호 구조에 모두 적용이 가능하다.

도 6 은 상기 주파수 추정 방법의 일실시예에 따른 주파수 오차 측정 결과를 나타낸 일실시예 설명도이다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 상기 주파수 추정 방법은 SNR 이 낮은 셀 가장자리에서 더욱 우수한 성능을 나타낸다. 즉, 상기 방법을 사용하여 주파수 오차를 측정하게 되면, 열잡음 N 의 신호 세기에 관계 없이 신호의 위상을 추정하게 되므로, SNR 의 변화와 관계 없이 동일한 성능을 얻을 수 있고, 따라서, SNR 이 낮은 셀 가장자리에서 우수한 성능을 나타낼 수 있다.

도 7 은 SNR 에 따라, 서로 다른 주파수 오차 추정 방법을 사용하는 과정을 나타낸 일실시예 흐름도이다. 도 6 을 참조하면, 먼저 수신 신호의 SNR 을 측정한다(S61). SNR 을 미리 지정된 기준값과 비교하여(S72), 기준치보다 큰 경우에는, 상기와 같이, SNR 이 높은 경우에 보다 좋은 성능을 보이는 방법을 사용한다. 한편, 기준치보다 작은 경우에는, 상기와 같이 SNR 이 낮은 경우에 보다 좋은 성능을 보이는 방법을 사용한다. 상기 기준치는, 예를 들어, 15dB 로 할 수 있다.

도 8 은 SNR 에 따라, 두가지 방법을 사용하여 주파수 오차를 측정한 결과를 나타낸 일실시예 설명도이다. 도 8 에 도시된 바와 같이, SNR 이 15dB 인 경우를 기준으로 서로 다른 주파수 오차 측정 방법을 사용할때 더욱 좋은 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

본 발명은 SNR 에 따라, 주파수 오차 측정을 수행함으로써, 보다 우수한 성능으로 주파수 오차를 측정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 다수의 직교 부반송파를 사용하여 2 이상의 안테나를 통해 신호를 전송하는 시스템에 적용되는 주파수 오차 측정 방법에 있어서,

   수신 신호의 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio; 이하 'SNR')를 측정하는 단계;

   상기 수신 신호의 SNR 이 기준치 이하인 경우, 일정한 수 이상의 전치부호 심볼을 샘플링하는 단계; 및

   상기 샘플링된 전치부호 심볼 위상값들의 기대치(expectation)를 산출하는 단계

   를 포함하여 이루어지는 주파수 오차 측정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전치부호 심볼 위상값들의 기대치(expectation)는 상기 주파수 오차인 것을 특징으로 하는 주파수 오차 측정 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전치 부호 심볼을 샘플링하기 위한 시간 동기를 획득하는 단계를 더 포함하는 주파수 오차 측정 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 시간 동기는 0 번 전치부호 심볼을 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 주파수 오차 측정 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 주파수 오차 측정은, 0 번 및 1 번 심볼을 이용하여 주파수 오차를 측정하되, 상기 0 번 전치부호 심볼 및 상기 1 번 전치부호 심볼은 서로 다른 부호를 가지는 심볼인 것을 특징으로 하는 주파수 오차 측정 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 수신 신호의 SNR 이 기준치 이상인 경우, 일정한 시간 간격으로 같은 값을 가지는 두개의 전치부호를 이용하여 주파수 오차를 측정하는 것을 특징으로 하는 주파수 오차 측정 방법.

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