KR20220123915A

KR20220123915A - 프리앰블의 수신 방법 및 이를 이용하는 장치

Info

Publication number: KR20220123915A
Application number: KR1020210027463A
Authority: KR
Inventors: 서석; 신재승; 조성철
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2022-09-13

Abstract

프리앰블을 수신하는 방법은 복수의 심볼들 또는 심볼 그룹들로 구성된 프리앰블의 적어도 일부를 수신하고, 상기 수신된 적어도 일부의 프리앰블에 DFT 또는 FFT를 수행하여 상기 심볼들 또는 심볼 그룹들 각각에 대응된 주파수 영역 신호들을 출력하는 단계; 서로 인접한 심볼들 또는 심볼 그룹들에 대한 주파수 영역 신호들 간의 1차 차분 위상을 획득하는 단계; 상기 획득된 1차 차분 위상으로부터, 캐리어 주파수 오프셋에 따른 위상 쉬프트가 제거된 2차 차분 위상을 획득하는 단계; 상기 획득된 2차 차분 위상에 IDFT 또는 IFFT 크기가 반영된 인덱스 매핑을 수행하고, IDFT 또는 IFFT를 수행하는 단계; 및 상기 IDFT 또는 IFFT의 출력 신호의 첨두 크기와 잡음 분산에 기반한 결정 메트릭을 검출 임계값 과 비교하여 상기 프리앰블의 검출 여부를 판정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

프리앰블의 수신 방법 및 이를 이용하는 장치{Method for receiving preamble and apparatus using the same}

본 발명은 무선 통신에서 이용될 수 있는 프리앰블 송수신 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 부반송파로 구성된 프리앰블을 검출하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.

종래 기술은, 단일 부반송파 프리앰블 송수신에 있어서 반송파 주파수 오차(캐리어 주파수 옵셋)와 라운드 트립 지연(RTD, round trip delay) 추정을 위해 2차원 계산을 수행하거나, 캐리어 주파수 옵셋(CFO, carrier frequency offset)를 직접 추정한 후에 그 결과를 이용하여 모든 프리앰블에 대해 반송파 주파수 오차를 보상해야 한다. 더욱이 ToA(Time-of-Arrival) 추정 시에, 모든 가능한 ToA에 대해서 maximum statistic 계산을 요하는 ML(Maximum Likelihood) 방식을 사용하거나, 2-step(coarse, fine) 추정 방식을 사용한다. 상기한 여러 요인들로 인해서, 종래 기술은 구현 복잡도가 매우 높은 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 반송파 주파수 오차의 영향을 제거하면서 단일 부반송파로 전송되는 랜덤 액세스 프리앰블을 수신하는 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 상기 프리앰블을 수신하는 방법을 수행하는 프리앰블 수신 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 프리앰블을 수신하는 방법으로서, P개(P는 자연수)의 심볼들 또는 심볼 그룹들로 구성된 프리앰블의 적어도 일부를 수신하고, 상기 수신된 적어도 일부의 프리앰블에 DFT(discrete Fourier transform) 또는 FFT(fast Fourier transform)를 수행하여 상기 심볼들 또는 심볼 그룹들 각각에 대응된 주파수 영역 신호들을 출력하는 단계; 서로 인접한 심볼들 또는 심볼 그룹들에 대한 주파수 영역 신호들 간의 1차 차분 위상(differential phase)을 획득하는 단계; 및 상기 획득된 1차 차분 위상으로부터, 캐리어 주파수 오프셋(CFO, carrier frequency offset)에 따른 위상 쉬프트(phase shift)가 제거된 2차 차분 위상을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 P개(P는 자연수)의 심볼들 또는 심볼 그룹들 각각은 단일 부반송파를 통해 주파수 호핑(frequency hopping) 방식으로 수신될 수 있다.

상기 프리앰블이 상기 P개의 심볼 그룹들로 구성되는 경우, 상기 각 심볼 그룹은 각 심볼 그룹을 구성하는 N(N은 자연수) 개의 심볼들이 상관 결합(coherent combining)되어 수신될 수 있다.

상기 심볼들 또는 심볼 그룹들 중

번?? 심볼 또는 심볼 그룹에 대한 주파수 영역 신호는

로 표현되고,

는 상기

번째 심볼 또는 심볼 그룹에 대응되는 부반송파 주파수 위치 인덱스를 의미하고,

는

(

는 캐리어 주파수 오프셋,

는 샘플링 주파수)로 정의되며,

은 RTD(round-trip delay)로 정의되며,

은 하나의 심볼(또는 심볼 그룹)의 길이를 나타내며,

(

는 상기

번째 심볼 또는 심볼 그룹에 대한 채널 상수)일 수 있다.

상기 1차 차분 위상은

로 표현되고,

는

의 conjugation이며,

일 수 있다.

상기 2차 차분 위상은

로 표현되고,

일 수 있다.

상기 프리앰블을 수신하는 방법은 상기 획득된 2차 차분 위상에 IDFT 또는 IFFT 크기가 반영된 인덱스 매핑을 수행하고, IDFT(inverse discrete Fourier transform) 또는 IFFT(inverse fast Fourier transform)를 수행하는 단계; 및 상기 IDFT 또는 IFFT의 출력 신호의 첨두 크기(peak magnitude)(

)와 잡음 분산(

)에 기반한 결정 메트릭(decision metric)을 검출 임계값

과 비교하여, 상기 프리앰블의 검출 여부를 판정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 결정 메트릭은

로 표현되며, 상기

가 상기 검출 임계값

보다 큰 경우 상기 프리앰블이 검출된 것으로 판정되며, 상기 검출된 프리앰블에 대한 RTD(round-trip delay)는 상기 첨두 크기에 대응되는 샘플 인덱스에 의해 결정될 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 프리앰블을 수신하는 장치로서, 프로세서; 상기 프로세서에 의해서 실행되는 명령들을 저장하는 메모리; 및 상기 프로세서에 의해서 제외되는 수신기(receiver)를 포함하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령들은 상기 프로세서가: 상기 수신기를 이용하여 P개(P는 자연수)의 심볼들 또는 심볼 그룹들로 구성된 프리앰블의 적어도 일부를 수신하고, 상기 수신된 적어도 일부의 프리앰블에 DFT(discrete Fourier transform) 또는 FFT(fast Fourier transform)를 수행하여 상기 심볼들 또는 심볼 그룹들 각각에 대응된 주파수 영역 신호들을 출력하는 단계; 서로 인접한 심볼들 또는 심볼 그룹들에 대한 주파수 영역 신호들 간의 1차 차분 위상(differential phase)을 획득하는 단계; 및 상기 획득된 1차 차분 위상으로부터, 캐리어 주파수 오프셋(CFO, carrier frequency offset)에 따른 위상 쉬프트(phase shift)가 제거된 2차 차분 위상을 획득하는 단계를 수행하도록 구성될 수 있다.

상기 명령들은 상기 프로세서가: 상기 획득된 2차 차분 위상에 IDFT 또는 IFFT 크기가 반영된 인덱스 매핑을 수행하고, IDFT(inverse discrete Fourier transform) 또는 IFFT(inverse fast Fourier transform)를 수행하는 단계; 및 상기 IDFT 또는 IFFT의 출력 신호의 첨두 크기(peak magnitude)(

)와 잡음 분산(

)에 기반한 결정 메트릭(decision metric)을 검출 임계값

과 비교하여, 상기 프리앰블의 검출 여부를 판정하는 단계를 추가로 수행하도록 구성될 수 있다.

상기 결정 메트릭은

로 표현되며, 상기

가 상기 검출 임계값

본 발명의 실시예들을 이용하면, 각기 다른 주파수 위치로 전송되는 단일 부반송파 프리앰블 신호에 대해서, 프리앰블의 인접 심볼(또는 심볼 그룹)들 간의 위상 관계를 이용하여 매우 간단하게 반송파 주파수 오차 및 무선 채널 영향이 제거될 수 있다. 또한, 1차원 상관 값 계산만으로 프리앰블을 검출하고 RTD가 추정될 수 있다. 따라서, 프리앰블 송수신 방법 및 장치의 구현 복잡도를 현저히 줄일 수 있는 이점이 있다.

도 1은 통신 시스템의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 제1 실시예를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 수신 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 3GPP NB-IoT의 랜덤 액세스 심볼 그룹을 도시한 개념도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템(communication system)이 설명될 것이다. 본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템은 아래 설명된 내용에 한정되지 않으며, 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 통신 시스템에 적용될 수 있다. 여기서, 통신 시스템은 통신 네트워크(network)와 동일한 의미로 사용될 수 있다.

도 1은 통신 시스템의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 통신 노드들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함할 수 있다. 복수의 통신 노드들은 3GPP(3rd generation partnership project) 표준에서 규정된 4G 통신(예를 들어, LTE(long term evolution), LTE-A(advanced)), 5G 통신(예를 들어, NR(new radio)) 등을 지원할 수 있다. 4G 통신은 6GHz 이하의 주파수 대역에서 수행될 수 있고, 5G 통신은 6GHz 이하의 주파수 대역뿐만 아니라 6GHz 이상의 주파수 대역에서 수행될 수 있다.

예를 들어, 4G 통신 및 5G 통신을 위해 복수의 통신 노드들은 CDMA(code division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, WCDMA(wideband CDMA) 기반의 통신 프로토콜, TDMA(time division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, FDMA(frequency division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 기반의 통신 프로토콜, Filtered OFDM 기반의 통신 프로토콜, CP(cyclic prefix)-OFDM 기반의 통신 프로토콜, DFT-s-OFDM(discrete Fourier transform-spread-OFDM) 기반의 통신 프로토콜, OFDMA(orthogonal frequency division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, SC(single carrier)-FDMA 기반의 통신 프로토콜, NOMA(Non-orthogonal Multiple Access), GFDM(generalized frequency division multiplexing) 기반의 통신 프로토콜, FBMC(filter bank multi-carrier) 기반의 통신 프로토콜, UFMC(universal filtered multi-carrier) 기반의 통신 프로토콜, SDMA(Space Division Multiple Access) 기반의 통신 프로토콜 등을 지원할 수 있다.

또한, 통신 시스템(100)은 코어 네트워크(core network)를 더 포함할 수 있다. 통신 시스템(100)이 4G 통신을 지원하는 경우, 코어 네트워크는 S-GW(serving-gateway), P-GW(PDN(packet data network)-gateway), MME(mobility management entity) 등을 포함할 수 있다. 통신 시스템(100)이 5G 통신을 지원하는 경우, 코어 네트워크는 UPF(user plane function), SMF(session management function), AMF(access and mobility management function) 등을 포함할 수 있다.

한편, 통신 시스템(100)을 구성하는 복수의 통신 노드들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 다음과 같은 구조를 가질 수 있다.

도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 제1 실시예를 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 통신 노드(200)는 적어도 하나의 프로세서(210), 메모리(220) 및 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 송수신 장치(230)를 포함할 수 있다. 또한, 통신 노드(200)는 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250), 저장 장치(260) 등을 더 포함할 수 있다. 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(270)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.

다만, 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성요소들은 공통 버스(270)가 아니라, 프로세서(210)를 중심으로 개별 인터페이스 또는 개별 버스를 통하여 연결될 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(210)는 메모리(220), 송수신 장치(230), 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250) 및 저장 장치(260) 중에서 적어도 하나와 전용 인터페이스를 통하여 연결될 수도 있다.

프로세서(210)는 메모리(220) 및 저장 장치(260) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(210)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(220) 및 저장 장치(260) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(220)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 기지국들(base stations)(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2), 복수의 단말들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함할 수 있다. 기지국(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 및 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함하는 통신 시스템(100)은 "액세스 네트워크"로 지칭될 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 매크로 셀(macro cell)을 형성할 수 있다. 제4 기지국(120-1) 및 제5 기지국(120-2) 각각은 스몰 셀(small cell)을 형성할 수 있다. 제1 기지국(110-1)의 셀 커버리지(cell coverage) 내에 제4 기지국(120-1), 제3 단말(130-3) 및 제4 단말(130-4)이 속할 수 있다. 제2 기지국(110-2)의 셀 커버리지 내에 제2 단말(130-2), 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5)이 속할 수 있다. 제3 기지국(110-3)의 셀 커버리지 내에 제5 기지국(120-2), 제4 단말(130-4), 제5 단말(130-5) 및 제6 단말(130-6)이 속할 수 있다. 제4 기지국(120-1)의 셀 커버리지 내에 제1 단말(130-1)이 속할 수 있다. 제5 기지국(120-2)의 셀 커버리지 내에 제6 단말(130-6)이 속할 수 있다.

여기서, 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 노드B(NodeB), 고도화 노드B(evolved NodeB), BTS(base transceiver station), 무선 기지국(radio base station), 무선 트랜시버(radio transceiver), 액세스 포인트(access point), 액세스 노드(node), RSU(road side unit), RRH(radio remote head), TP(transmission point), TRP(transmission and reception point), eNB, gNB 등으로 지칭될 수 있다.

복수의 단말들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 UE(user equipment), 터미널(terminal), 액세스 터미널(access terminal), 모바일 터미널(mobile terminal), 스테이션(station), 가입자 스테이션(subscriber station), 모바일 스테이션(mobile station), 휴대 가입자 스테이션(portable subscriber station), 노드(node), 다바이스(device), IoT(Internet of Thing) 장치, 탑재 장치(mounted module/device/terminal 또는 on board device/terminal 등) 등으로 지칭될 수 있다.

한편, 단말은 기지국에 대한 랜덤 액세스(random access)를 위하여 랜덤 액세스 프리앰블(이하, '프리앰블'이라 통칭)을 기지국으로 전송하게 되며, 기지국은 단말로부터 전송된 프리앰블을 검출하고 검출된 프리앰블로부터 단말과 기지국 간의 RTD를 추정하게 된다.

본 발명의 실시예들에서, 프리앰블은 단일 부반송파(subcarrier)를 이용하여 전송되며, P 개의 심볼들 또는 심볼 그룹들로 구성된다. 즉, 각 프리앰블은 P 개의 심볼들 또는 심볼 그룹들로 구성되며, P 개의 심볼들 또는 심볼 그룹들은 주파수 호핑(frequency hopping 방식)을 이용하여 각기 다른 주파수 위치의 단일 부반송파(single carrier)를 통해 전송된다. 하나의 심볼(또는 심볼 그룹)

에 대한 시간-연속적 랜덤 액세스 신호(time-continuous random-access signal)

는 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.

여기서,

는 신호의 진폭(amplitude),

는 부반송파들 간의 주파수 간격,

는 하나의 심볼(또는 심볼 그룹)의 길이를 나타낸다. 또한,

는 프리앰블의

번째 심볼(또는 심볼 그룹)에 대응되는 부반송파 주파수 위치 인덱스를 나타낸다. 이때,

는 주파수 호핑 방식에 따라 미리 정의된 주파수 위치에 대응될 수 있다.

수학식 1과 같은 송신 신호를 가정할 때, 수신단(예컨대, 기지국)에서의

번째 심볼(또는 심볼 그룹)에 대한 수신 신호는 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 편의상 잡음 및 간섭 성분은 생략된다.

여기서,

은 이산 시간 프리앰블(discrete time preamble) 신호,

는

번째 심볼(또는 심볼 그룹)에 대한 채널 상수(channel coefficient),

은 RTD(round-trip delay),

은 하나의 심볼(또는 심볼 그룹)의 길이를 나타낸다. 또한,

이며,

는 캐리어 주파수 오프셋(CFO, carrier frequency offset),

는 샘플링 주파수(sampling frequency)를 나타낸다.

수신단에서 수학식 2로 표현되는 수신 신호는 DFT(discrete Fourier transform) 또는 FFT(fast Fourier transform)를 이용해 주파수 영역(frequency domain) 신호로 변환될 수 있다. 예컨대,

번째 심볼(또는 심볼 그룹)에 대한 DFT는 하기 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

여기서,

은 하나의 심볼(또는 심볼 그룹) 길이를 의미한다. 수학식 3으로 주어진 주파수 영역 신호로부터

번째 심볼(또는 심볼 그룹)에 대한 주파수 영역 신호는

에 대응되며, 하기 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.

수학식 4에서

성분은 캐리어 주파수 옵셋의 영향으로 발생되는 위상 쉬프트(phase shift)를 나타내고,

이다. 이와 같이, 캐리어 주파수 옵셋은 심볼(또는 심볼 그룹)에 따라

에 해당하는 위상 쉬프트를 유발하기 때문에 이를 보상하지 않으면 RTD 추정 오차가 발생하게 된다.

프리앰블 수신 방법

따라서, 캐리어 주파수 옵셋에 의해 유발된 위상 쉬프트를 제거하기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따라, 프리앰블은 다음과 같은 과정을 통해 수신될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 수신 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 수신 방법은 프리앰블을 수신하여 주파수 영역 신호로 변환하는 단계(S310), 주파수 영역 신호1차 차분 위상을 획득하는 단계(S320); 및 상기 획득된 1차 차분 위상으로부터 2차 차분 위상을 획득하는 단계(S330)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 수신 방법은 인덱스 매핑 및 시간 영역 신호로 변환하는 단계(S340) 및 프리앰블 검출 및 RTD 추정 단계(S350)를 추가로 포함할 수 있다.

먼저, 단계(S310)에서 수신단(예컨대, 기지국)은 P개(P는 자연수)의 심볼들 또는 심볼 그룹들로 구성된 프리앰블의 적어도 일부를 수신하고, 상기 수신된 적어도 일부의 프리앰블에 DFT 또는 FFT를 수행하여 상기 심볼들 또는 심볼 그룹들 각각에 대응된 주파수 영역 신호들로 변환할 수 있다. 즉, 단계(S310)는 앞서 설명된 수학식 4의

(

)를 획득하는 단계에 대응된다.

다음으로, 단계(S320)에서 수신단은 서로 인접한 심볼(또는 심볼 그룹)

와 심볼(또는 심볼 그룹)

간의 차분 위상(differential phase)을 하기 수학식 5와 같이 획득할 수 있다.

여기서,

은

의 켤레(conjugation)를 의미하고,

이다.

상기 수학식 5를 통해 심볼(또는 심볼 그룹) 인덱스(

)에 따른 CFO의 영향이 제거되었음을 알 수 있다. 그러나,

에는 여전히 주파수 옵셋의 영향(

)이 존재한다는 것을 알 수 있다.

다음으로, 단계(S330)에서, 수신단은 상기

성분을 제거하기 위해서 다시 한번 차분 위상을 하기 수학식 6과 같이 획득할 수 있다.

여기서

이다.

수학식 6을 통해 산출된

에서는 CFO의 영향이 제거된 것을 알 수 있다. 수학식 6으로 주어지는

을 이용하여 프리앰블 검출 및 RTD(round trip delay) 추정이 수행될 수 있다.

수신단은 상기 획득된

에 IDFT(inverse discrete Fourier transform) 또는 IFFT(inverse fast Fourier transform) 크기(size)가 반영된 인덱스 매핑을 수행하고, IDFT 또는 IFFT을 수행할 수 있다(S340). 구체적으로, 수신단은

에 대하여 하기 수학식 7에서와 같이 인덱스 매핑을 수행할 수 있다.

여기서

,

는 IDFT 또는 IFFT 크기를 나타낸다. 그리고

는 모든

에 대해서

와

을 만족하도록 결정된다.

다음으로, 프리앰블 검출 및 RTD 추정을 위해, 수신단은 수학식 7로 주어지는

에 대해 IDFT(또는 IFFT) 연산을 하기 수학식 8과 같이 수행할 수 있다.

다음으로, 수신단은 프리앰블의 검출 여부를 판정할 수 있다(S350). 구체적으로, 수신단은 프리앰블 검출을 위해 IDFT(또는 IFFT) 출력 신호에서 첨두 크기(peak magnitude)을 가지는 샘플 인덱스

와 첨두 크기

를 수학식 9와 수학식 10과 같이 결정할 수 있다.

이때, 프리앰블 검출을 위한 결정 메트릭(decision metric)은 수학식 11과 같이 계산될 수 있다.

여기서,

은 잡음 분산(noise variance)을 의미한다.

수신단은 결정 메트릭

와 미리 주어진 검출 임계값

을 이용하여,

을 만족하면 해당 프리앰블은 검출된 것으로 판정하고, 그렇지 않은 경우 해당 프리앰블은 미 검출된 것으로 판정한다. 그리고 검출된 것으로 판정된 프리앰블에 대해서 RTD

는 하기 수학식 12와 같이 첨두 크기에 대응되는 샘플 인덱스에 기초하여 결정될 수 있다.

3GPP NB-IoT 랜덤 액세스 프리앰블 수신

이하에서는, 앞서 설명된 프리앰블 수신 방법을 3GPP NB-IoT 랜덤 액세스 프리앰블 수신에 적용하는 실시예가 설명된다. 예컨대, 3GPP NB-IoT 단말은 랜덤 액세스 프리앰블을 NPRACH(Narrowband Physical Random Access Channel)을 통해 송신한다. 랜덤 액세스 프리앰블(이하, '프리앰블'로 통칭)은

개의 심볼 그룹들로 구성되며

번 반복 전송될 수 있다.

도 4는 3GPP NB-IoT의 랜덤 액세스 심볼 그룹을 도시한 개념도이다.

도 4를 참조하면, 각 심볼 그룹은 주파수 호핑을 통해 각각 다른 단일 부반송파를 통해 전송되며, 순환 전치(CP, cyclic prefix)와

개의 심볼들로 구성된다. 3GPP 표준에서 규정한 프레임 구조(frame structure) 타입(type) 1의 프리앰블 포맷(preamble format) 0과 1에 대해서

,

로 정의된다.

랜덤 액세스 프리앰블의

번째 심볼 그룹에 대응되는 주파수 위치는

,

로 주어진다. 프레임 구조 타입 1의 프리앰블 포맷 0과 1에 대해서

로 정의된다.

는 주파수 호핑 규칙(frequency hopping rule)에 의해서 정의되며, 프레임 구조 타입 1의 프리앰블 포맷 0과 1에 대해서 하기 수학식 13과 같이 정의된다.

여기서,

. 또한,

은 MAC 계층에서 랜덤하게 선택한다. 수신측은 수신 NPRACH 신호에 대해서 CP 제거, FFT, 리소스 디매핑 처리를 통해

번째 반복 전송 및

번째 심볼 그룹내 내

번째 심볼

을 하기 수학식 14와 같이 얻을 수 있다.

여기서,

은 심볼 길이,

는 심볼 그룹 길이,

는 RTD를 나타낸다. 그리고

로 주어지며,

는 CFO,

는 샘플링 주파수를 나타낸다. 그리고

이며,

는

번째 반복전송(repetition) 및

번째 심볼그룹에 대한 채널 상수를 의미한다.

하나의 심볼 그룹 내에서 무선채널 특성이 coherent 하고 CFO의 영향을 무시할 수 있다고 가정하면, 하기 수학식 15에서 표현되는 것과 같이,

번째 심볼 그룹내의 N 개의 심볼을 상관 결합(coherent combining)함으로써 SNR(Signal-to-noise Ratio) 성능 향상을 얻을 수 있다.

여기에서,

성분은 CFO의 영향으로 나타나는 위상 쉬프트를 나타낸다. CFO는 심볼 그룹에 따라

에 해당하는 위상 쉬프트를 유발하기 때문에 이를 보상하지 않으면 심각한 RTD 추정 오차가 발생할 수 있다.

따라서, 도3의 단계(S320) 및 단계(S330)에서 설명된 바와 같이, 1차 차분 위상과 2차 차분 위상의 계산을 통해 CFO에 따른 위상 쉬프트 영향을 제거할 수 있다. 예컨대, 서로 인접한 심볼 그룹

와

간의 1차 차분 위상을 하기 수학식 16과 같이 획득할 수 있다.

여기서

은

의 conjugation을 의미하고,

이다.

수학식 16을 살펴보면, 심볼 그룹 인덱스

에 따른 CFO의 영향은 제거되었지만, 여전히 주파수 옵셋의 영향(

)이 존재한다는 것을 알 수 있다.

성분을 제거하기 위해서 2차 차분 위상이 하기 수학식 17과 같이 계산될 수 있다.

수학식 17의

,

에서 주파수 옵셋의 영향이 제거된 것을 알 수 있다. 또한, 무선 채널의 영향도 제거되었음을 알 수 있다. 따라서, 하기 수학식 18에서와 같이, 랜덤 액세스 프리앰블의 반복전송에 따른 심볼(

,

)을 상관 결합 함으로써 한층 더 향상된 SNR 성능을 제공할 수 있다.

여기서

,

는 IDFT 또는 IFFT 크기를 나타낸다. 또한,

는 모든

에 대해서

와

을 만족하도록 결정된다.

수신단은 프리앰블 검출 및 round trip delay 추정을 위해 수학식 18로 주어지는

에 대해 IDFT(또는 IFFT) 연산을 하기 수학식 19와 같이 수행할 수 있다.

수신단은 프리앰블 검출을 위해 IDFT(또는 IFFT) 출력 신호에서 첨두 크기를 가지는 샘플 인덱스

와 첨두 크기

를 수학식 20과 수학식 21과 같이 결정할 수 있다.

수신단은 프리앰블 검출을 위한 결정 메트릭을 하기 수학식 22와 같이 계산할 수 있다.

여기서

은 잡음 분산을 의미한다.

마지막으로, 결정 메트릭

미리 주어진 검출 임계값

을 이용하여,

는 하기 수학식 23과 같이 첨두 크기에 대응되는 샘플 인덱스에 기초하여 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬, 램, 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

프리앰블을 수신하는 방법에 있어서,
P개(P는 자연수)의 심볼들 또는 심볼 그룹들로 구성된 프리앰블의 적어도 일부를 수신하고, 상기 수신된 적어도 일부의 프리앰블에 DFT(discrete Fourier transform) 또는 FFT(fast Fourier transform)를 수행하여 상기 심볼들 또는 심볼 그룹들 각각에 대응된 주파수 영역 신호들을 출력하는 단계;
서로 인접한 심볼들 또는 심볼 그룹들에 대한 주파수 영역 신호들 간의 1차 차분 위상(differential phase)을 획득하는 단계; 및
상기 획득된 1차 차분 위상으로부터, 캐리어 주파수 오프셋(CFO, carrier frequency offset)에 따른 위상 쉬프트(phase shift)가 제거된 2차 차분 위상을 획득하는 단계를 포함하는,
프리앰블을 수신하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 P개(P는 자연수)의 심볼들 또는 심볼 그룹들 각각은 단일 부반송파를 통해 주파수 호핑(frequency hopping) 방식으로 수신되는,
프리앰블을 수신하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 프리앰블이 상기 P개의 심볼 그룹들로 구성되는 경우, 상기 각 심볼 그룹은 각 심볼 그룹을 구성하는 N(N은 자연수) 개의 심볼들이 상관 결합(coherent combining)되어 수신되는,
프리앰블을 수신하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 심볼들 또는 심볼 그룹들 중
번?? 심볼 또는 심볼 그룹에 대한 주파수 영역 신호는

로 표현되고,

는 상기
번째 심볼 또는 심볼 그룹에 대응되는 부반송파 주파수 위치 인덱스를 의미하고,
는
(
는 캐리어 주파수 오프셋,
는 샘플링 주파수)로 정의되며,
은 RTD(round-trip delay)로 정의되며,
은 하나의 심볼(또는 심볼 그룹)의 길이를 나타내며,
(
는 상기
번째 심볼 또는 심볼 그룹에 대한 채널 상수)인,
프리앰블을 수신하는 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 1차 차분 위상은

로 표현되고,

는
의 conjugation이며,
인,
프리앰블을 수신하는 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 2차 차분 위상은

로 표현되고,
인,
프리앰블을 수신하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 획득된 2차 차분 위상에 IDFT 또는 IFFT 크기가 반영된 인덱스 매핑을 수행하고, IDFT(inverse discrete Fourier transform) 또는 IFFT(inverse fast Fourier transform)를 수행하는 단계; 및
상기 IDFT 또는 IFFT의 출력 신호의 첨두 크기(peak magnitude)(
)와 잡음 분산(
)에 기반한 결정 메트릭(decision metric)을 검출 임계값
과 비교하여, 상기 프리앰블의 검출 여부를 판정하는 단계를 추가로 포함하는,
프리앰블을 수신하는 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 결정 메트릭은
로 표현되며, 상기
가 상기 검출 임계값
보다 큰 경우 상기 프리앰블이 검출된 것으로 판정되며, 상기 검출된 프리앰블에 대한 RTD(round-trip delay)는 상기 첨두 크기에 대응되는 샘플 인덱스에 의해 결정되는,
프리앰블을 수신하는 방법.
프리앰블을 수신하는 장치로서,
프로세서;
상기 프로세서에 의해서 실행되는 명령들을 저장하는 메모리; 및
상기 프로세서에 의해서 제외되는 수신기(receiver)를 포함하고,
상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령들은 상기 프로세서가:
상기 수신기를 이용하여 P개(P는 자연수)의 심볼들 또는 심볼 그룹들로 구성된 프리앰블의 적어도 일부를 수신하고, 상기 수신된 적어도 일부의 프리앰블에 DFT(discrete Fourier transform) 또는 FFT(fast Fourier transform)를 수행하여 상기 심볼들 또는 심볼 그룹들 각각에 대응된 주파수 영역 신호들을 출력하는 단계;
서로 인접한 심볼들 또는 심볼 그룹들에 대한 주파수 영역 신호들 간의 1차 차분 위상(differential phase)을 획득하는 단계; 및
상기 획득된 1차 차분 위상으로부터, 캐리어 주파수 오프셋(CFO, carrier frequency offset)에 따른 위상 쉬프트(phase shift)가 제거된 2차 차분 위상을 획득하는 단계를 수행하도록 구성되는,
프리앰블을 수신하는 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 P개(P는 자연수)의 심볼들 또는 심볼 그룹들 각각은 단일 부반송파를 통해 주파수 호핑(frequency hopping) 방식으로 수신되는,
프리앰블을 수신하는 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 프리앰블이 상기 P개의 심볼 그룹들로 구성되는 경우, 상기 각 심볼 그룹은 각 심볼 그룹을 구성하는 N(N은 자연수) 개의 심볼들이 상관 결합(coherent combining)되어 수신되는,
프리앰블을 수신하는 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 명령들은 상기 프로세서가:
상기 획득된 2차 차분 위상에 IDFT 또는 IFFT 크기가 반영된 인덱스 매핑을 수행하고, IDFT(inverse discrete Fourier transform) 또는 IFFT(inverse fast Fourier transform)를 수행하는 단계; 및
상기 IDFT 또는 IFFT의 출력 신호의 첨두 크기(peak magnitude)(
)와 잡음 분산(
)에 기반한 결정 메트릭(decision metric)을 검출 임계값
과 비교하여, 상기 프리앰블의 검출 여부를 판정하는 단계를 추가로 수행하도록 구성되는,
프리앰블을 수신하는 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 결정 메트릭은
로 표현되며, 상기
가 상기 검출 임계값
보다 큰 경우 상기 프리앰블이 검출된 것으로 판정되며, 상기 검출된 프리앰블에 대한 RTD(round-trip delay)는 상기 첨두 크기에 대응되는 샘플 인덱스에 의해 결정되는,
프리앰블을 수신하는 장치.