KR20120109534A - 채널 추정을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멀티캐리어 통신 시스템의 수신기에서 이용되는 채널 추정을 위한 방법을 제공하며; 멀티캐리어 통신 시스템의 송신기로부터 멀티캐리어 심벌들을 수신하는 단계; 및 멀티캐리어 심벌들의 복수의 스캐터 파일럿의 채널 정보에 대해 선택적으로 시간 방향 보간과 주파수 방향 보간을 이용하여, 멀티캐리어 심벌들의 데이터를 전달하는 서브캐리어들의 채널 정보를 획득하는 단계를 포함한다.

Description

채널 추정을 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CHANNEL ESTIMATION}
본 발명은 일반적으로 멀티캐리어 통신 시스템(multi-carrier communication system)에 관한 것이고, 더 특별하게는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 통신 시스템에 대한 채널 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.
OFDM은 전형적인 멀티캐리어 변조 기술이고 광대역 무선 통신 네트워크에 대한 매우 유망한 액세스 방식이다. OFDM은 DVB(Digital Video Broadcasting) 및 무선 LAN(Local Area Network)과 같은 많은 국제 표준에 의해 채택되어져 왔다. 이것은 또한 디지털 TV 브로드캐스팅 및 4세대 무선 네트워크와 같은 미래의 광대역 무선 통신 시스템에 대한 유망한 기술이다.
DVB-T는 유럽 지상파 디지털 TV 표준이다. 이것은 많은 국가들에서 크게 성공하였다. 전통적으로, DVB-T는 고정된 TV 서비스들을 위해 이용된다. 최근에는, 자동차 또는 기차에서의 모바일 TV와 같은 모바일 수신이 더욱 중요해지고 있다. 한편, 셀폰상의 TV는 디지털 TV의 중요한 애플리케이션이다. DVB-H는 핸드헬드 디지털 TV의 유럽 표준이고, 이것 또한 모바일 수신 문제에 대처할 필요가 있다. 그러나 고정 수신용으로 설계된 DVB-T 수신기들의 성능은 수신기들의 속도가 증가함에 따라 가파르게 저하된다. 따라서, DVB-T/H 수신기들이 고속 환경들에서 양호하게 작동하도록 하는 것이 도전 과제이다.
본 발명은, 멀티캐리어 통신 시스템의 송신기로부터 멀티캐리어 심벌들을 수신하는 단계; 및 멀티캐리어 심벌들의 복수의 스캐터 파일럿의 채널 정보에 대해 시간 방향 보간 및 주파수 방향 보간을 선택적으로 이용하여, 멀티캐리어 심벌들의 데이터를 전달하는 서브캐리어들의 채널 정보를 획득하는 단계를 포함하는, 멀티캐리어 통신 시스템의 수신기에서 이용되는 채널 추정에 대한 방법에 관련한다.
본 발명은 또한, 멀티캐리어 심벌들의 복수의 스캐터 파일럿의 채널 정보에 대해 시간 방향 보간 및 주파수 방향 보간을 선택적으로 이용하여, 멀티캐리어 통신 시스템의 송신기로부터 수신된 멀티캐리어 심벌들의 데이터를 전달하는 서브캐리어들의 채널 정보를 획득하기 위한 채널 추정기를 포함하는, 멀티캐리어 통신 시스템에서의 수신기에 관련한다.
본 발명의 이런 측면들 또는 다른 측면들, 특징들 및 이점들이 첨부된 도면들과 연관하여 이하 설명에서부터 더 명백해 질 것이다:
도 1은 본 발명의 실시예가 구현될 수 있는 OFDM 수신기의 블록도를 도시하는 도면;
도 2는 DVB-T 시스템들에서 스캐터 파일럿들을 갖는 OFDM 심벌들의 패턴을 도시하는 도면;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정기의 블록도를 도시하는 도면;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정기의 제1 보간 필터에서의 주파수 방향 보간의 실시예를 도시하는 도면;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정에 대한 방법을 도시하는 흐름도.
설명적인 실시예에 따라서, 본 발명의 많은 이점들/특징들을 설명하기 위해 첨부된 도면들을 참조하여 상세한 설명이 제시될 것이다.
이동 수신 시스템에서, 채널은 시변(time-variant)인데, 이는 고정 수신 시스템과의 주된 차이점이다. DVB-T용으로 설계된 전통적인 채널 추정 모듈들은 시불변 채널들에서 양호하게 동작할 수 있지만, 이들은 시변 채널들을 트래킹(track)하지 못하는데, 이는 고정된 DVB-T 수신기들이 모바일 환경들에서 양호하게 작동할 수 없는 주된 이유이다. DVB-T/H OFDM 시스템에서, 채널 추정은 채널이 시불변이라는 것을 가정하므로, 이 시스템은 시간 방향 변화를 트래킹하지 못한다. 따라서, 모바일 수신 시스템의 이동 속도가 빠른 경우에, 채널 추정의 성능이 심각하게 저하될 것이다. 따라서, 채널 추정의 효율적인 방법은 이동 DVB-T/H 수신기들에게 매우 중요하다.
본 발명의 실시예가 구현될 수 있는, 예시 OFDM 신호 수신기(100)의 블록도인 도 1을 참조한다. 수신기(100)는 FFT(Fast Fourier Transform) 모듈(110), 신호 조절기(120), 채널 추정기(CE: channel estimator)(150), 디매퍼(demapper; 130) 및 디코더(140)를 포함한다. FFT 모듈(110)은 주파수 영역에서 변환된 신호를 생성하기 위해, 수신되고 복조된 OFDM 신호를 변환한다. FFT 모듈(110)의 출력은 채널 추정기(150)로 공급되고 또한 신호 조절기(120)로 공급된다. 신호 조절기(120)는 채널 추정기(150)로부터의 추정 결과에 따라 OFDM 신호를 조절하기 위해 이용된다. 신호 조절기(120)의 출력은 디매퍼(130) 및 디코더(140)에게 공급되어 디패핑되고 디코딩된 출력 신호를 얻는다.
일반적으로, 몇몇 스캐터 파일럿은 OFDM 시스템의 송신기 측에서 OFDM 심벌들에 삽입되는데, 여기서 "파일럿"은 송신기와 수신기 모두에 의해 이용되는 기준 신호를 의미한다. 도 2는 DVB-T 시스템에서의 스캐터 파일럿들을 갖는 OFDM 심벌들의 패턴을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 검은색 점들은 스캐터 파일럿들이고, 다른 흰색 점들은 송신기 측으로부터 수신된 데이터이다. 수평 행들은 수직 시간 방향으로 배열된 복수의 서브캐리어를 포함하는 OFDM 심벌들이다. OFDM 심벌들 m-5, m-4, 내지 m+2가 도 2에 도시되어 있고, 각각의 OFDM 심벌은 상이한 주파수의 서브캐리어들을 포함한다. 주어진 심벌에서, 매 12개의 서브캐리어마다 스캐터 파일럿이 있다.
수신기 측에서, 스캐터 파일럿들에서의 CSI(Channel State Information)가 먼저 계산된다. 예를 들어, 송신기 측에서의 알려진 스캐터 파일럿 신호는 x(k)이고, 수신기에서 이 스캐터 파일럿 - y(k)가 수신된다. 따라서, 송신된 신호 x(k)는 채널의 영향 때문에 y(k)가 된다. CSI는 y(k)/x(k)로서 획득되는데, 여기서 k는 서브캐리어의 인덱스이다. 따라서, 매 12개의 서브캐리어마다의 스캐터 파일럿들상의 CSI는 단순한 나눗셈에 의해 획득될 수 있다. 그 후, 시간 영역 및 주파수 영역 모두에서 보간함으로써, OFDM 신호의 모든 필요한 서브캐리어들의 CSI를 얻기 위해 채널 추정이 이용된다. 본 발명의 실시예에 따른 보간 방법은 도 3에 기초하여 상세하게 기술될 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정기(150)의 블록도를 도시한다. 채널 추정기(150)는 CSI 메모리(310), 검출기(350), 제1 보간 필터(330) 및 주파수 보간 필터(370)를 포함한다. 채널 추정기(300)의 입력들은 OFDM 심벌들의 매 12개의 서브캐리어상의 스캐터 파일럿들의 CSI 값들이다. 이 CSI 값들은 CSI 메모리(310)에서 버퍼링된다. CSI 메모리(310)는 보간 계산을 위해 몇 개의 앞선 OFDM 심벌의 스캐터 파일럿 CSI 값들을 버퍼링할 수 있다. 새로운 OFDM 심벌의 CSI가 입력되면, 가장 오래된 CSI가 업데이트된다. 따라서 CSI 메모리(310)는 몇 개의 최종 OFDM 심벌의 CSI 값들을 항상 유지한다. 이 CSI 값들은 다른 서브캐리어들의 CSI를 얻기 위해 보간 계산을 행하는 데 이용된다.
검출기(350)는 도플러 주파수 및 다중경로 지연(multi-path delay)과 같은 채널 매개변수들을 검출하는 데 이용된다. 검출기(350)는 도플러 주파수 검출기 및 다중경로 지연 검출기 모두, 또는 별개의 장치들, 또는 도플러 주파수 모듈 및 다중경로 지연 모듈로서 구현될 수 있다. 이 실시예에 따른 OFDM 수신기에서, 도플러 주파수 검출기 또는 모듈은 일반적으로 수신된 파일럿 신호들 간에 상관(correlation)을 행함으로써 도플러 주파수를 검출하는데, 이 수신된 파일럿 신호들은 동일한 서브캐리어상에 있지만 상이한 OFDM 심벌들상에 있고, 즉, 상관을 위한 파일럿 신호들은 동일한 주파수 영역 포인트들상에 있지만 상이한 시간 도메인 포인트들상에 있다. 도플러 주파수는 상관 값들에 비례하기 때문에, 도플러 주파수는 이 상관 값들로부터 획득될 수 있다. 추가로, 다중경로 지연 검출기 또는 모듈은 일반적으로 CIR(Channel Impulse Response)을 얻기 위해 스캐터 파일럿들상의 CSI 값들의 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)를 행한다. 그 후, CIR상에서 제1 및 마지막 경로들이 발견될 수 있고, 제1 경로와 마지막 경로 간의 거리가 다중경로 지연이다. 보통 이런 방식으로, 다중경로 지연은 다중경로 지연 검출기 또는 모듈에 의해 검출될 수 있다.
검출기(350)로부터의 채널 매개변수들에 따라, 제1 보간 필터(330)는, 시간 방향 보간 및 주파수 방향 보간 방법을 선택적으로 이용하여 복수의 스캐터 파일럿의 CSI로부터 OFDM 심벌들의 3개의 서브캐리어마다의 CSI를 획득한다. 검출된 도플러 주파수가 크고 다중경로 지연이 작으면, 주파수 방향 보간 알고리즘은 매 3개의 서브캐리어상의 CSI를 얻기 위해 제1 보간 필터(330)에 의해 이용된다. 실시예에 따르면, 검출된 도플러 주파수에 대해 예를 들어 DVB-T 시스템에서 8K 모드에 대한 80Hz와 같이 사전 결정된 임계값이 설정된다. 또한, 멀티캐리어 시스템의 최대 수용가능 다중경로 지연에 기초하여 다중경로 지연 임계값이 설정된다. 검출된 도플러 주파수가 임계값 80Hz보다 더 크고 다중경로 지연은 다중경로 지연 임계값보다 더 작으면, 제1 보간 필터(330)는 주파수 방향 보간 알고리즘을 채택한다. 다른 경우에, 복수의 스캐터 파일럿의 CSI를 이용하여 OFDM 심벌들의 매 3개의 서브캐리어상의 CSI를 계산하기 위해 제1 보간 필터(330)에 의해 시간 방향 보간이 선택된다.
실시예에 따르면, 시간 방향 보간이 선택되는 경우에, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 OFDM 심벌 m을 취하면, 선형 시간 방향 보간이 종료되어 이하의 수학식들을 이용하여 서브캐리어 n+12+3 및 n+12+6의 CSI를 획득할 수 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
여기서, csi_t_int p(m,n)는 인덱스 m을 갖는 OFDM 심벌에서의 인덱스 n을 갖는 서브캐리어상의 보간된 CSI 값이다. SP_csi(m,n)은 인덱스 m을 갖는 OFDM 심벌에서의 인덱스 n을 갖는 서브캐리어상의 스캐터 파일럿으로부터의 알려진 CSI 값이다. 스캐터 파일럿들상의 알려진 CSI 값들이 CSI 메모리(310)에 저장되고, 이들은 보간 계산을 위해 메모리로부터 판독될 수 있다.
시간 방향 보간의 성능을 향상시키기 위해, 조정가능한 매개변수들 A 및 B가 이하와 같이 채널 도플러 주파수에 따라 수학식들에 설정된다:
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
예를 들어, 실시예에 따라, 우리는 몇 개의 도플러 주파수 간격들, 즉, 0~30Hz, 30~60hz, 60~80Hz 및 80Hz 초과를 설정할 수 있다. 우리는 이 간격들에 대해 각각 적절한 매개변수들 A 및 B를 찾을 수 있다. 예를 들어, 시뮬레이션 및 실제 하드웨어 실험에서, 도플러 주파수가 0~30Hz인 경우에, A=0.25, B=1로 설정함으로써 가장 낮은 BER(Bit Error Rate)을 얻을 수 있다. 도플러 주파수가 30~60Hz인 경우에, A=0.35, B=1로 설정함으로써 가장 낮은 BER을 얻을 수 있다. 도플러 주파수가 60~80Hz인 경우에, A=0.5, B=0.977로 설정함으로써 가장 낮은 BER을 얻을 수 있다. 도플러 주파수가 80Hz 초과인 경우에, A=0.7, B=0.966으로 설정함으로써 가장 낮은 BER을 얻을 수 있다. 그러면, 우리는 대응하는 도플러 주파수 간격들에 대한 매개변수들 A 및 B의 세트들을 미리 저장할 수 있고, 현재 검출된 도플러 주파수에 대해 A와 B 중 적절한 세트들을 선택할 수 있다. 예를 들어, 검출된 도플러 주파수는 45Hz이고, 우리는 A=0.35, B=1을 선택할 수 있다. 이런 방식으로, 시스템 BER 성능이 최적화될 수 있다.
도 4는 제1 보간 필터(330)에서의 주파수 방향 보간의 실시예를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 주파수 보간 알고리즘은 파일럿들상의 알려진 CSI에 의해 매 3개의 서브캐리어마다의 CSI 값들을 획득하기 위해 현재 OFDM 심볼에서의 스캐터 파일럿들의 알려진 CSI를 이용할 뿐이고, 이는 다른 OFDM 심벌들로부터의 알려진 CSI는 필요로 하지 않는다. 도 4에 도시된 바와 같이, 우리가 인덱스 m을 갖는 OFDM 심벌에서의 매 3개의 서브캐리어들마다의 CSI 값들을 획득하기를 원하는 경우에, 우리는 인덱스 m을 갖는 OFDM 심벌에서의 스캐터 파일럿의 알려진 CSI 값을 이용할 필요가 있을 뿐이다. 예를 들어, 우리는 인덱스 m을 갖는 OFDM 심볼에서의 인덱스 n+3, n+6, 및 n+9를 갖는 서브캐리어들상의 CSI 값들을 보간하기 위해 SP_csi(m,n-12), SP_csi(m,n), SP_csi(m,n+12) 및 SP_csi(m,n+24)를 이용할 수 있다. 예를 들어, 우리는 제4차 보간을 이용할 수 있다.
Figure pct00006
Figure pct00008
얼마나 많은 알려진 CSI 값들이 이용되는 지에 대해서, 이는 당업자에 의해 성능 요구사항에 따라 결정될 수 있다. 또한, 보간 필터 계수 W는 선형 보간 방법에서 1/2, 1/4, 및 3/4 초과일 수 있고, 또한 선형 보간보다 더 양호한 성능을 갖는 MMSE(Minimum Mean Square Error) 기준 또는 저역 통과 필터에 기초하여 설계될 수 있다. 계수들의 몇 개의 세트가 상이한 다중경로 지연에 대해 설계될 수 있고, 적절한 계수들이 검출된 다중경로 지연에 따라 선택될 수 있다.
보간 알고리즘들은 채널 환경들 및 채널 매개변수들에 따라 종종 스위칭될 수 있기 때문에, 스위치가 원활하게(smoothly) 구현되어야 한다. 시간 방향 예측 알고리즘은 2개의 OFDM 심벌 딜레이를 야기하고, 주파수 알고리즘은 입력된 알려진 CSI에 따라 현재 OFDM 심벌에서 CSI를 계산할 수 있으므로 주파수 알고리즘은 의도적으로(deliberately) 두 개의 심벌이 딜레이되어야만 한다. 예를 들어, 인덱스 m+2를 갖는 OFDM 심벌이 도착하는 경우에, 인덱스 m을 갖는 OFDM 심벌에서의 매 3개의 서브캐리어마다의 CSI는 시간 예측 알고리즘을 이용하여 계산될 수 있다. 이것이 주파수 알고리즘으로 스위칭되면, 이것은 인덱스 m+2를 갖는 OFDM 심벌에서의 최종 입력된 CSI를 CSI 메모리(310)에 저장해야만 하고, OFDM 심벌 m에서의 매 3개의 서브캐리어마다의 CSI를 계산하기 위해 CSI 메모리로부터 OFDM 심벌 m에서의 알려진 CSI를 판독해야만 한다. 이런 방식으로, 두 개의 알고리즘 간의 스위칭은 인터럽트를 야기하지 않을 것이다.
제1 보간 필터(330)의 출력은 매 서브캐리어들상의 또는 필요한 서브캐리어들상의 CSI를 획득하기 위해 주파수 보간 필터인 제2 보간 필터(370)에 입력된다. 주파수 보간 계산 방법은 제1 보간 필터(330)와 동일하다.
실시예에 따르면, 보간 방법은 두 개의 개별 필터(330 및 370) 및 2 단계 보간에 의해 구현된다. 그러나, 도플러 주파수가 크고 다중경로 지연이 작으면, 하나의 주파수 보간 필터는 매 12개의 서브캐리어들 상의 CSI로부터 매 서브캐리어들상의 또는 필요한 서브캐리어들상의 CSI로의 계산을 행하기 위해 이용될 수 있다. 그러나, 1 단계 주파수 보간이 시간 방향 예측 알고리즘을 행하기 위해서도 이용되고 또한 두 방법들 간에 스위칭을 할 수 있는 경우에, 1 단계 주파수 보간은 여러 상이한 하드웨어와 매개변수 메모리를 필요로 한다. 앞선 실시예에서, 주파수만의 알고리즘은 두 개의 단계로 분리되는데, 두 개의 알고리즘의 제2 단계 계산은 동일하다. 따라서, 제2 단계 계산 하드웨어가 재이용될 수 있고, 따라서 하드웨어 복잡도를 크게 절감한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정에 대한 방법으로 도시하는 흐름도이다. 단계 501에서, OFDM 수신기는 통신 네트워크로부터 OFDM 심벌들을 수신한다. 그 후, 단계 502에서, 스캐터 파일럿들의 CSI가 계산되고, 그 후 CSI 메모리(310)로 저장된다. 단계 503에서, 검출기(330)는, 예를 들어 도플러 주파수 및 다중경로 지연와 같은 채널 매개변수들을 검출한다. 채널 매개변수들에 따라, 적절한 보간 방법이 단계 504에서 선택된다. 보간 방법은 2 단계 주파수 방향 보간 방법 또는 시간 방향 보간 방법 및 주파수 방향 보간 방법일 수 있다. 선택된 보간 방법을 이용하여, 모든 또는 필요한 서브캐리어들의 CSI는 단계 505에서 획득될 수 있다.
비록 OFDM 시스템과 OFDM 심벌들이 실시예와 같이 이용되지만, 당업자는 이 실시예의 보간 방법의 방법이 임의의 멀티캐리어 시스템과 멀티캐리어 심벌에 대해 이용될 수 있다는 것을 알 것이다.
앞선 기재는 단지 본 발명의 실시예를 설명하는 것이고, 따라서, 비록 여기서 명백하게 기재되지 않았지만 본 발명의 원리들을 구현하고 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 여러 대안적 어레인지먼트(arrangement)를 당업자는 고안할 수 있다는 것을 알 것이다.

Claims (10)

  1. 멀티캐리어 통신 시스템의 수신기에서 이용되는 채널 추정을 위한 방법으로서,
    멀티캐리어 통신 시스템의 송신기로부터 멀티캐리어 심벌들을 수신하는 단계; 및
    상기 멀티캐리어 심벌들의 복수의 스캐터 파일럿의 채널 정보에 대해 시간 방향 보간(interpolation) 및 주파수 방향 보간을 선택적으로 이용하여, 상기 멀티캐리어 심벌들의 데이터를 전달하는 서브캐리어들의 채널 정보를 획득하는 단계
    를 포함하는 채널 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시간 방향 보간과 상기 주파수 방향 보간은 상기 멀티캐리어 통신 시스템의 채널 매개변수에 따라 선택되는 채널 추정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 채널 매개변수는 도플러 주파수 및 다중경로 지연(multi-path delay)를 포함하는 채널 추정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 스캐터 파일럿의 상기 채널 정보는 상기 수신된 멀티캐리어 심벌들 및 상기 송신기에서의 대응하는 멀티캐리어 심벌들로부터 계산되는 채널 추정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도플러 주파수가 제1 사전 결정된 임계값보다 더 크고 상기 다중경로 지연이 제2 사전 결정된 임계값보다 더 작으면, 데이터를 전달하는 상기 서브캐리어들의 상기 채널 정보를 획득하기 위해 상기 주파수 방향 보간이 선택되고; 그렇지 않으면 상기 시간 방향 보간 및 상기 주파수 방향 보간이 선택되는 채널 추정 방법.
  6. 멀티캐리어 통신 시스템에서의 수신기로서,
    상기 멀티캐리어 심벌들의 복수의 스캐터 파일럿의 채널 정보에 대해 시간 방향 보간과 주파수 방향 보간을 선택적으로 이용하여, 상기 멀티캐리어 통신 시스템의 송신기로부터 수신된 멀티캐리어 심벌들의 데이터를 전달하는 서브캐리어들의 채널 정보를 획득하기 위한 채널 추정기를 포함하는 수신기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 시간 방향 보간과 상기 주파수 방향 보간은 상기 멀티캐리어 통신 시스템의 채널 매개변수에 따라 선택되는 수신기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 채널 매개변수는 도플러 주파수 및 다중경로 지연을 포함하는 수신기.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 스캐터 파일럿의 상기 채널 정보는 상기 수신된 멀티캐리어 심벌들 및 상기 송신기에서의 대응하는 멀티캐리어 심벌들로부터 계산되는 수신기.
  10. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도플러 주파수가 제1 사전에 결정된 임계값보다 더 크고 상기 다중경로 지연이 제2 사전에 결정된 임계값보다 더 작으면, 데이터를 전달하는 상기 서브캐리어들의 상기 채널 정보를 획득하기 위해 상기 주파수 방향 보간이 선택되고; 그렇지 않으면 상기 시간 방향 보간과 상기 주파수 방향 보간이 선택되는 수신기.
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