KR20160113825A - Ｆｂｍｃ 시스템에서 ｔｏａ 추정 방법 - Google Patents

Abstract

FBMC 시스템에서 TOA 추정 방법이 제공된다. 이 방법은 First path detect 알고리즘 및 High Resolution 알고리즘을 이용하여 TOA를 추정한다.

Description

ＦＢＭＣ 시스템에서 ＴＯＡ 추정 방법{METHOD FOR ESTIMATING IMPROVED TOA IN FBMC SYSTEM}

본 발명은 FBMC 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, FBMC 시스템 TOA를 추정하는 방법에 관한 것이다.

FBMC는 Filter Bank MultiCarrier 의 약자로, Multicarrier System의 한 종류이다. 이 방식은 각 캐리어별로 적절한 필터를 탑재하여 정보를 송수신하는 방식으로, 가장 간단한 예로는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템을 생각할 수 있다

순환 전치(Cyclic Prefix, CP)가 없는 OFDM 시스템은 한 심볼간 간격 T와 각 캐리어주파수의 간격의 곱이 1이 되며, 필터의 값이 시간 축에서 1인 직사각형 필터를 사용한다.

이런 OFDM 시스템은 Multipath가 없는 환경에서는 Orthogonality을 유지하기 때문에 적절한 송수신이 가능하지만 Multipath가 존재할 경우 ISI(Inter Symbol Interference) 발생으로 인해 성능의 심각한 열화가 발생한다.

이를 방지하고자 기존 OFDM 시스템에서는 각 심볼 별로 Guard Time을 삽입하여 ISI를 방지한다. 또한 Multipath는 주파수축에서도 인접 밴드간 간섭을 일으키기 때문에 사용주파수대역 양 끝 단에 Guard Interval을 삽입한다.

이러한 Guard Time과 Guard Interval은 시간, 주파수축에서 자원의 손해이며 이를 없애고도 동일한 BER(Bit Error Rate) 성능을 나타내는 것이 가능하다면 전송속도 향상을 꾀할 수 있다.

이를 위해 시간, 주파수축에서 Doubly Dispersive된 채널상에서 ISI와 ICI(Inter Carrier Interference)를 제거할 수 있도록 적절히 설계된 필터를 사용할 필요가 있다.

하지만 이런 적절한 필터는 심볼간 간격 T와 각 캐리어주파수간 간격의 곱이 1 일때는 구성하기 어렵다는 것이 알려져 있다.

때문에 이를 해결하기 위해 T와 각 캐리어주파수간 간격을 조절하지 않고도 적절한 필터를 구성할 수 있는 FBMC-OQAM(Offset QAM) 시스템이 대안으로 제시되고 있다. 이러한 FBMC-OQAM 시스템은 5G 이동통신의 후보기술 중 하나로 제시되고 있다.

한편, TOA(Time Of Arrival) 성능 향상을 위해, 기존의 FBMC-OQAM 시스템은 Synchronization 알고리즘을 기반으로 TOA를 추정하는데, 이 Synchronization 알고리즘을 사용할 경우, 가장 세기가 센 경로에 동기를 맞추기 때문에, Direct Path(또는 First Path)의 크기가 작은 상황에 대해서는 TOA 추정에 적합하지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 First Path의 세기가 작더라도 이를 판별하고, 거리오차(Distance error)를 줄일 수 있는 FBMC 시스템에서 TOA 추정 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 ＦＢＭＣ 시스템에서 ＴＯＡ 추정 방법은, Correlation 값이 작게 나타나는 다수의 경로 중에서, 기 설정된 문턱값(Threshold)을 처음으로 초과하는 Correlation 값이 나타나는 경로를 제1 경로(First path)로 검출(Detect) 하고, 검출된 제1 경로(First path)를 기반으로 TOA를 추정하는 단계 및 상기 추정된 TOA의 정확도를 향상시키기 위해, 주파수축에서 추정된 채널을 아래의 수학식 1 및 2를 이용하여 고속역 푸리에 변환하여 시간축에서 채널을 추정하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 단순히 Cross correlation만을 통한 TOA를 한 경우보다 알고리즘들을 적용한 경우가 거리 오차(Distance Error) 면에서 월등히 향상되어있음을 확인할 수 있고, High Resolution 알고리즘을 적용할 경우 향상된 성능을 보여주는 것을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 FBMC 시스템의 구성도이다.
도 2는 Rayleigh 분포를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 FBMC 시스템에 따라 시뮬레이션 한 TOA 성능을 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 3에서 알고리즘 적용 상황 별 TOA 성능을 자세히 확인하기 위해 Cross correlation을 제외한 TOA 성능을 보여주는 그래프이다.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 TOA를 추정하는 FBMC 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 송신기와 수신기를 포함하며, 송신기는 다수의 송신 필터를 수신기는 다수의 수신 필터를 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, TOA를 추정하는 FBMC 시스템에서는 QAM의 실수 성분과 허수 성분을 심볼 길이의 반만큼 차이를 발생하여 전송시키고 이들의 위상차를 발생시켜서 전송 효율을 얻는다. 그리고 송수신 필터를 이용하여 CP 없이 ISI 및 ICI를 극복하고 전송 효율을 CP가 없는 OFDM과 같이 1로 맞출 수 있다. 도 1에서, P(t)는 송신기와 수신기 각각에 구비된 필터이며, T는 전송 시간을 나타낸다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 TOA를 추정하는 FBMC 시스템을 시뮬레이션 하는 경우, 아래의 표 1과 같은 시뮬레이션 환경으로 구현될 수 있다.

Sampling Frequency	4MHz
FFTLength	512
PSK System	QPSK
FBMC-Filter	Phydas Filter
Overlap Factor	4
Pdb	-7dB, -7dB, 0dB
Delay	0.275㎲, 1.25㎲, 2㎲

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 FBMC 시스템에서는, TOA를 정확하게 추정하기 위해서는 Synchronization 알고리즘, First path detect 알고리즘, High R esolution 알고리즘을 적용할 필요가 있다.

Synchronization 알고리즘으로는 기존에 Fusco가 제시한 방법(Fusco, T.; Petrella, A.; Tanda, M., "Data-aided symbol timing and CFO synchronization for filter bank multicarrier systems," Wireless Communications, IEEE Transactions on , vol.8, no.5, pp.2705,2715, May 2009)과과 Hao가 제시한 방법(Hao Chen; Su Hu; Gang Wu; Shaoqian Li, "A data-aided OFDM/OQAM synchronization algorithm)을 참고하여, Time domain상에서 Autocorrelation과 Cross correlation을 이용하여 Sync를 계산하였다.

이에 반해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 FBMC 시스템에서는, TOA의 정확한 추정을 위해, First path detect 알고리즘과 High Resolution 알고리즘이 이용된다.

First path detect 알고리즘(첫 번째 알고리즘)

First path detect 알고리즘은 Correlation 값이 작게 나타나는 구간에서 Threshold를 정한 뒤 처음으로 이 Threshold를 넘는 지점을 First path로 Detect 하는 방법이다.

신호가 아직 도달하지 않은 부분에서는 Cross correlation이 단순히 Noise와 Preamble 사이의 correlation이며, 따라서 Gaussian Noise를 가정할 경우 이 correlation의 절대값은 Rayleigh 분포를 따르게 된다.

이 Rayleigh 분포가 특정 값을 넘을 확률(Probability of False Detection) 을 정의하고 이 특정 값을 Threshold로 하여, 이 Threshold를 처음으로 넘는 지점을 신호가 처음으로 도달한 곳으로 설정하는 알고리즘이다.

High Resolution 알고리즘(두 번째 알고리즘)

High Resolution 알고리즘은 TOA 추정의 정확도를 향상시키기 위하여 샘플과 샘플 사이에서의 채널을 추정하는 방법이다.

ICI 등을 방지하기 위해 보조파일럿을 삽입하는 기존 Poly phase에서의 채널추정과는 달리 본 발명의 일 실시 예에 따른 FBMC 시스템에 적용되는 High Resolution 알고리즘은 Preamble을 이용하여 간단한 구조로 Channel estimation을 수행할 수 있다.

주파수축에서 추정된 채널을 H_k(k=0, ... Filter Length-1)라 하고, 이 추정된 채널을 역고속푸리에 변환(IFFT, Inverse Fast Fourier Transform)을 하여, 시간축 상에서 채널을 추정할 수 있다. 이러한 IFFT를 수식으로 표현하면, 아래의 수학식 1과 같다.

이를 이용하여 discrete time 사이의 시간

에서의 채널을 추정할 수 있으며, 이는 아래의 수학식 2와 같다.

이러한 First path detect 알고리즘과 High Resolution 알고리즘을 결합한 FBMC 시스템에서, 수신 신호 성상도가 정상적인 송신신호 성상도로부터 얼마나 분산되어 있는 지를 측정하는 metric을 계산한 경우 정확한 TOA를 추정할 수 있음을 알 수 있다.

이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 FMBC 시스템에서의 TOA 시뮬레이션 결과는 도 3과 같다.

도 3 및 도 4에서는 (1) Fusco, Hao 등이 제시한 Sync 방법을 이용한 TOA 시뮬레이션 결과와 (2) 첫 번째 알고리즘을 적용한 TOA 시뮬레이션 결과, (3) 첫 번째 알고리즘을 통하여 Sample 단위 Synchronization이 정확히 이루어졌을 시 두 번째 알고리즘을 적용한 TOA 시뮬레이션 결과, (4) 첫 번째 알고리즘과 두 번째 알고리즘을 직렬로 연결하여 시뮬레이션한 TOA 시뮬레이션 결과를 함께 나타낸 그래프이다.

도 3에서 알 수 있듯이, 단순히 Cross correlation만을 이용하여 TOA를 추정한 경우보다 알고리즘들을 적용한 경우가 거리 오차(Distance Error) 면에서 월등히 향상되어있음을 확인할 수 있다.

알고리즘 적용 상황 별 성능을 자세히 확인하기 위해 Cross correlation을 제외한 성능을 그려보면 도4과 같다. 도 4로부터 High Resolution 알고리즘을 적용할 경우 향상된 성능을 보여주는 것을 알 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 상기한 바와 같이 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (2)

1. Correlation 값이 작게 나타나는 다수의 경로 중에서, 기 설정된 문턱값(Threshold)을 처음으로 초과하는 Correlation 값이 나타나는 경로를 제1 경로(First path)로 검출(Detect) 하고, 검출된 제1 경로(First path)를 기반으로 TOA를 추정하는 단계; 및
   상기 추정된 TOA의 정확도를 향상시키기 위해, 주파수축에서 추정된 채널을 아래의 수학식 1 및 2를 이용하여 고속역 푸리에 변환하여 시간축에서 채널을 추정하는 단계를 포함하며,
   상기 시간축에서 채널을 추정하는 단계는,
   상기 주파수축에서 추정된 채널이 H_k(k=0, ... Filter Length-1)인 경우,
   [수학식 1]
   

   

   
   [수학식 2]
   
   에 의해 discrete time 사이의 시간

   

   에서의 채널(h[n+ε])을 추정하는 단계임을 특징으로 하는 ＦＢＭＣ 시스템에서 ＴＯＡ 추정 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 TOA를 추정하는 단계에서의 상기 문턱값은,
   Rayleigh 분포가 특정 값을 넘을 확률(Probability of False Detection)을 정의한 경우, 상기 특정값임을 특징으로 하는 ＦＢＭＣ 시스템에서 ＴＯＡ 추정 방법.

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