KR20080052144A - 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템에서의 다중 안테나동기화 획득 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차세대 이동통신에 이용되는 다중 반송파를 이용한 기저 대역 물리 채널 형성 장치 및 그 방법과 그를 이용한 무선 통신 변조 시스템 및 복조 시스템 중 단말기에서 적용 가능한 동기부 구조 및 동작 구현에 관한 것으로서, 특히 다중 안테나에서의 동기부 동작 기술에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에서는, 단말기에서 다중 안테나로 입력되는 각 안테나에 대한 A/D 신호를 받아서 각각의 신호를 결합하는 단계와, 결합된 신호를 이용하여 먼저 초기 심벌 타이밍 및 소수배 주파수 옵셋(off-set)을 추정하는 단계와, 상기 상위 단계에서 추정된 값을 바탕으로 프레임 시작점을 알아내는 단계와, 상기 상위 단계에서 알아낸 프레임 시작점을 바탕으로 주파수 옵셋을 추정하는 단계와, 상기 상위 단계에서 추정된 주파수 옵셋을 보상하여 심벌 타이밍을 찾아내는 단계를 포함한다.

MIMO, OFDMA, 단말기, 동기

Description

직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR USER EQUIPMENT SYNCHRONIZATION OF MULTIPLE ANTENNA IN ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS SYSTEM}

도 1은 직교 주파수 분할 다중 액세스(Orthogonal Frequency Division Multiple Access : OFDMA) 시스템에서의 다중 안테나 구조의 신호 입력을 예시한 도면,

도 2는 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템의 프레임 및 심벌 구조를 예시한 도면,

도 3은 도 2의 프레임 구조 중에서 CCP-P(Cell Common Packet Preamble)의 상세 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템의 초기 심벌 타이밍 추정기의 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템의 프레임 검출기의 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템의 주파수 옵셋(off-set) 추정기의 구성도,

도 7은 본 발명에 따른 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템의 타이밍 동기화기의 구성도.

본 발명은 직교 주파수 분할 다중 액세스(Orthogonal Frequency Division Multiple Access : 이하, OFDMA이라 함) 시스템에 관한 것으로, 특히 다중 반송파를 사용하는 차세대 무선 통신 변복조 시스템에서 다중 안테나를 이용하는 단말기 동기부의 동작 및 구현 방법에 관한 것이다.

다중 반송파를 사용하는 변복조 방식에서의 동기부 구현은 기존에는 주로 짧은 프리앰블(preamble)을 이용하여 개략적으로 동기를 잡고, 긴 프리앰블을 이용하여 미세하게 동기를 잡는 방식으로 이루어졌다. 이는 프레임 포맷의 특성에 따라 상이하기 때문에 다중 반송파를 사용하는 변복조 방식에서 다중 안테나에 대한 동기화를 구현하기가 용이하지 않다는 문제가 있다.

본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 다중 반송파를 사용하는 차세대 무선 통신 변복조 시스템에서 단말기 동기부의 동작 방법 및 구현 방법을 제공하여 다중 안테나로 구성된 단말기에서 초기 동기화를 획득할 수 있는 QFDMA 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 다중 안테나로 입력되는 신호를 결합하는 신호 결합기, 초기 심벌 타이밍 추정기, 프레임 검출기, 주파수 옵셋 추정기, 타이밍 동기화부로 구성되는 QFDMA 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치를 제공한다.

계산 블록은 크게 자기 상관 계산과 상호 상관 계산으로 나누어진다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따르면, 단말기에서 다중 안테나로 입력되는 각 안테나에 대한 A/D 신호를 받아서 각각의 신호를 결합하는 단계와, 결합된 신호를 이용하여 먼저 초기 심벌 타이밍 및 소수배 주파수 옵셋을 추정하는 단계와, 상기 상위 단계에서 추정된 값을 바탕으로 프레임 시작점을 알아내는 단계와, 상기 상위 단계에서 알아낸 프레임 시작점을 바탕으로 주파수 옵셋을 추정하는 단계와, 상기 상위 단계에서 추정된 주파수 옵셋을 보상하여 심벌 타이밍을 찾아내는 단계를 포함하는 QFDMA 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명은 본 발명의 기술적 사상의 한도 내에서 여러 형태로 구현될 수 있으며 여기에 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 다중 안테나로 입력되는 신호의 구성을 나타낸 것이다. 이들 신호를 결합하여 다음 단계로 진행된다.

도 2는 OFDMA 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치의 프레임 구조를 나타낸 것이다.

도 2에서 [1은 CCP-P(Cell Common Packet Preamble)를 나타내며, [2는 DTP를 나타낸다. DTP부분은 n개의 DTP로 구성되며 각각 β ms 길이이다. 각 DTP는 10개의 OFDM 심벌로 구성되며 하나의 OFDM 심벌은 γ ms이다. [3은 하나의 OFDM 심벌 구조를 나타내며, 여기서 똑같은 CP를 앞뒤로 반복함으로써 보호(guard) 역할 및 자기 상관 연산을 가능하게 하여 초기 심벌 타이밍 추정을 할 수 있다. [4는 CP(Cyclic Prefix)를 나타낸다.

도 3은 도 2의 프레임 구조 중에서 특히 CCP-P의 구조를 자세하게 나타낸 것이다.

도 3에 도시한 바와 같이, CCP-P는 세 개의 OFDM 심벌 길이로서, S필드, C필드, IRS(Indicator Resource Space) 세 부분으로 나뉘며 각각 γ ms 길이이다.

[1은 S필드를 나타내는데, S가 네 번 반복되고 또 이를 180도 위상 천이한 IS를 반복한다. 이를 이용하여 프레임 검출 및 주파수 옵셋 추정을 할 수 있다. [2는 C필드를 보이며 이는 미세 주파수 옵셋 추정에 이용된다. 여기서, γ ms는 하나의 OFDM 심벌 길이이다.

이들 중 S 필드는 세부적으로 보면 S S S S IS 다섯 부분으로 나뉜다. 여기서 IS는 S를 180도 위상차로 갖는 부분이다. 이는 시간 동기 및 주파수 동기를 효 율적으로 하기 위한 구조이다.

또한, 하나의 프레임은 α ms 로 구성되며 CCP-P를 제외한 부분은 데이터 파트이다. 하나의 DTP는 β ms로 총 n개의 DTP로 구성된다. 각 DTP 는 γ ms 심벌 10개씩으로 구성되며 하나의 심벌 내에는 반복되는 CP가 있다. CP는 452칩으로 이동 평균(Moving Average)을 이용한 자기 상관 계산으로 피크 값을 얻을 수 있다.

먼저 다중 안테나로 입력되는 신호는 안테나 개수만큼 입력된다. 신호 결합기는 이들 신호를 하나의 신호로 결합하고 이 신호를 이용하여 다음 단계의 동작들을 수행한다. 안테나 별 신호 결합방법은 N개의 안테나에 대한 신호를 동일한 전력으로 결합하는 방법이 있고 또한 안테나 별 가중치를 두어 결합하는 방법이 있다. 이때 신호의 세기로 가중치를 구성할 수 있다. 본 발명에서는 다양한 신호의 결합 방법을 모두 포함한다.

도 4는 본 발명에 따른 QFDMA 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치의 초기 심벌 타이밍 추정기를 도시한 것이다.

도 4의 초기 심벌 타이밍 추정기는 자기 상관 연산을 수행하여 초기 심벌 타이밍 및 초기 주파수 옵셋값을 추정하는 블록이다. 지연기(Delay N_FFT), 곱셈기, 파워 검출기(Power Detector), 이동 평균기(Moving Average), 위상 검출기(Phase Detector), 피크 검출기(Peak Detector) 등으로 구성된다.

초기 심벌 타이밍 추정기는 심벌의 CP(Cyclic Prefix)를 이용하여 초기 심벌 타이밍을 찾고 소수배 주파수 옵셋을 찾는다.

먼저, CCP-P S필드에서는 IS때문에 한번의 마이너스 피크가 발생한다. 그리고 C필드에서 피크가 한번 발생하고 IRS에서는 피크가 발생하지 않으며, DTP 영역에서는 γ ms 마다 계속적으로 피크가 발생한다. 이를 바탕으로 프레임 검출기의 정보로 이용할 수 있으며, 또한 주파수 옵셋 값을 매 OFDM 심벌마다 추정하여 트래킹하는 용도로 이용된다. 이는 단말기가 전원을 켜게 되면 계속적으로 수행하게 된다. 여기서의 자기 상관 연산은 이동 평균을 이용하여 수행하게 되므로 계산 복잡도는 크게 부담이 되지 않는다.

도 5는 본 발명에 따른 QFDMA 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치의 프레임 검출기를 도시한 것이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 프레임 검출기는 자기 상관 연산을 수행하여 프레임 시작점을 일단 검출한다. 이는 최대 4개의 지연기(Delay N_FFT/4), 4개의 곱셈기, 이동 평균기(Moving Average), 최대값 검출기(Max. Decision), 동기 검출기(Sync. Decision) 등으로 구성된다.

프레임 검출기는 상기 도 4의 초기 심벌 타이밍 추정기로부터 받은 정보를 이용한다. 프레임 검출기는 CCP-P의 S필드에 있는 S S S S IS 다섯 부분을 이용하여 자기 상관 연산을 수행한다. S에 해당하는 512 칩만큼씩 한 번 지연, 두 번 지연, 세 번 지연, 네 번 지연시킨 네 부분에 대하여 동시에 자기 상관 연산을 수행하며, 네 부분에서 동시에 피크가 발생하는 지점에서 프레임 검출이 이루어진다. 이는 단말기 전원이 켜졌을 때부터 이 과정을 시작하여 프레임 검출이 이루어지면 디스에이블(disable) 상태로 바꾸어 동작을 멈춘다. 자기 상관 연산으로는 잡음에 민감하여 아주 정확한 값을 찾을 수는 없기 때문에 다음의 타이밍 동기화기에서의 참조값으로 이용된다.

도 6은 본 발명에 따른 QFDMA 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치의 주파수 옵셋 추정기를 도시한 것이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 주파수 옵셋 추정기는, 자기 상관 연산을 수행하여 주파수 옵셋값을 개략적으로 계산한 후 미세하게 단계적으로 계산하는 부분이다. 이는 지연기(Delay D) 및 이동 평균기(Moving Average), 위상 검출기(Phase Detector) 등으로 구성된다.

도 6에서의 주파수 옵셋 추정기는 CCP-P의 S필드 및 C필드를 이용한다.

통상, 주파수 옵셋 추정에는 코스(Coarse) 주파수 옵셋 추정과 미세(Fine) 주파수 옵셋 추정이라는 두 가지 기법이 사용된다.

먼저, 코스 주파수 옵셋 추정은 S필드를 이용한다. 연속적으로 반복되는 두 개의 S(512칩) 를 이용하여 자기 상관 연산을 한다. 이렇게 함으로써 대략적인 주파수 옵셋 추정이 가능하다.

그리고 C 필드의 CP를 이용하여 좀더 미세한 주파수 옵셋 추정을 한다. 이 또한 자기 상관 연산으로 이루어진다. 이는 단말기 전원이 켜졌을 때부터 이 과정을 시작하여 프레임 검출기로부터 프레임 시작점 정보를 받은 후 동작을 시작하여 C필드까지 자기 상관 연산을 수행하고 나면 디스에이블 상태로 바꾸어 동작을 멈췄다가 다시 프레임 시작 시점에 근접하였을 때 인에이블(enable) 상태로 바뀌어 프 레임 시작 정보를 받고 자기 상관 연산을 수행한다. 이러한 과정을 계속 반복한다.

도 7은 QFDMA 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치의 타이밍 동기화기를 도시한 것이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 타이밍 동기화기는 상호 상관 연산을 수행하여 정확하게 심벌 타이밍 값을 검출한다.

상호 상관 연산을 수행하기 위하여 프리앰블 레지스터(Preamble Register)에 프리앰블 값을 저장하고 있어야 하며 그만큼의 곱셈기가 필요하며 또한 피크 검출기(Peak Detector) 등으로 구성된다.

지금까지는 모두 자기 상관 연산을 행하였지만 이 부분은 상호 상관 연산을 수행함으로써 좀 더 정확한 타이밍을 잡는데 이용된다. 매 프레임마다 CCP-P S필드의 값은 변하지 않기 때문에 S필드의 S와 IS가 연속되는 부분의 256칩을 프리엠블 코드로 저장하고 상호 상관 연산을 수행하여 피크가 발생하는 부분을 결정한 후 프레임 시작점을 찾을 수 있다.

이는 단말기 전원이 켜졌을 때부터 이 과정을 시작하여 프레임 검출기로부터 프레임 시작점 정보를 받은 후 S필드 부분의 입력 신호를 일단 메모리에 저장한다. 이는 매 칩에 대하여 상호 상관 연산을 실시간으로 수행하지 못하기 때문이며, 메모리에 저장된 신호를 연산 가능한 길이만큼씩 가져와 연산을 수행한다. 상호 상관 연산을 다 수행하고 정확한 타이밍을 얻고 나면 디스에이블 상태로 바꾸어 동작을 멈췄다가 다시 프레임 시작 시점에 근접하였을 때 인에이블 상태로 바꾸어 프레 임 시작 정보를 받고 상호 상관 연산을 수행한다. 이러한 과정을 계속 반복한다.

다음으로, 트래커 블록이 있는데, 트래커 블록은 OFDMA 시스템에서 지연기, 곱셈기, 파워 검출기, 이동 평균기, 위상 검출기, 피크 검출기 등으로 구성된다.

트래커 블록은 주파수 옵셋 트래커와 타이밍 트래커 두 종류가 있다. OFDM에서는 주파수 옵셋에 상당히 민감하기 때문에 주파수 옵셋 트래커는 γ ms 즉, 매 OFDM 심벌마다 수행되는 자기 상관 연산을 이용하여 트래킹을 한다. 그리고 타이밍 트래커는 프리앰블 레지스터, 곱셈기, 피크 검출기 등으로 구성되며, 매 프레임마다 동작하는데, 상기의 타이밍 동기화기를 계속 반복해서 수행하는 것이다.

이하, 상술한 구성과 함께, 본 발명에 따른 QFDMA 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 과정에 대해 간략히 기술하면 다음과 같다.

먼저, 단말기에서 다중 안테나로 입력되는 각 안테나에 대한 A/D 신호를 받아서 각각의 신호를 결합한다.

이후, 상기 결합된 신호를 이용하여 초기 심벌 타이밍 추정기를 통해 초기 심벌 타이밍 및 소수배 주파수 옵셋을 추정한다.

그리고 프레임 검출기를 통해 상기 상위 단계에서 추정된 값을 바탕으로 프레임 시작점을 검출해 낸다.

그 다음, 주파수 옵셋 추정기를 통해 상기 상위 단계에서 알아낸 프레임 시작점을 바탕으로 주파수 옵셋을 추정한다.

끝으로, 타이밍 동기화기를 통해 상기 상위 단계에서 추정된 주파수 옵셋을 보상하여 심벌 타이밍을 찾아냄으로써, QFDMA 시스템에서의 다중 안테나 동기화를 획득한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 다중 반송파를 사용하는 차세대 무선 통신 변복조 시스템에서 단말기 동기부의 동작 방법 및 구현 방법을 제공하여 다중 안테나로 구성된 단말기에서 초기 동기화를 획득할 수 있게 구현한 것이다.

본 발명에 의하면, 다중 반송파를 사용하는 변복조 방식에서 다중 안테나에 대한 동기화를 용이하게 구현할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 기술하였으나 본 발명은 이러한 실시예에 국한되는 것은 아니며, 후술하는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주 내에서 당업자로부터 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (9)

1. 다중 안테나로 입력되는 각각의 신호들을 결합하는 신호 결합기와,

   상기 신호 결합기를 통해 결합된 신호를 이용하여 초기 심벌 타이밍 및 소수배 주파수 옵셋을 추정하는 초기 심벌 타이밍 추정기와,

   상기 초기 심벌 타이밍 추정기를 통해 추정된 값을 바탕으로 프레임 시작점을 검출하는 프레임 검출기와,

   상기 프레임 검출기를 통해 검출되는 프레임 시작점을 바탕으로 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정기와,

   상기 주파수 옵셋 추정기를 통해 추정되는 주파수 옵셋을 보상하여 심벌 타이밍을 찾아내는 타이밍 동기화부

   를 포함하는 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 초기 심벌 타이밍 추정기는, 지연기, 곱셈기, 파워 검출기, 이동 평균기, 위상 검출기, 피크 검출기로 구성되는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 프레임 검출기는, 4개의 지연기, 4개의 곱셈기, 이동 평균기, 최대값 검출기, 동기 검출기로 구성되는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 주파수 옵셋 추정기는, 지연기, 이동 평균기, 위상 검출기로 구성되는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 타이밍 동기화기는, 프리앰블 레지스터, 곱셈기, 피크 검출기로 구성되는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치는, 지연기, 곱셈기, 파워 검출기, 이동 평균기, 위상 검출기, 피크 검출기로 구성되는 주파수 옵셋 트래커를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 주파수 옵셋 트래커는, 매 프레임마다 동작하며 상기 타이밍 동기화기를 반복해서 수행시키는 타이밍 트래커인 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 타이밍 트래커는, 프리앰블 레지스터, 곱셈기, 피크 검출기로 구성되는 것을 특징으로 하는 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 장치.
9. 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 방법으로서,

   단말기에서 다중 안테나로 입력되는 각 안테나에 대한 A/D 신호를 받아서 각각의 신호를 결합하는 단계와,

   상기 결합된 신호를 이용하여 초기 심벌 타이밍 추정기를 통해 초기 심벌 타이밍 및 소수배 주파수 옵셋을 추정하는 단계와,

   프레임 검출기를 통해 상기 상위 단계에서 추정된 값을 바탕으로 프레임 시작점을 검출하는 단계와,

   주파수 옵셋 추정기를 통해 상기 상위 단계에서 알아낸 프레임 시작점을 바탕으로 주파수 옵셋을 추정하는 단계

   를 포함하는 직교 주파수 분할 다중 액세스 시스템에서의 다중 안테나 동기화 획득 방법.

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