KR100391565B1

KR100391565B1 - 수정된 싱크보간법을 이용한 레일리페이딩 보상방법

Info

Publication number: KR100391565B1
Application number: KR10-2000-0060415A
Authority: KR
Inventors: 이창재; 최형진; 황성현
Original assignee: 이창재; 최형진; 황성현
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2003-07-16
Anticipated expiration: 2020-10-13
Also published as: KR20010000700A

Abstract

본 발명은 수정된 싱크보간법을 이용한 레일리페이딩 보상방법에 관한 것으로, 수정된 싱크보간 알고리즘에 의해 구해지는 웨이팅요소를 시간의 구간에 따라 기존의 싱크보간법의 단일충격파 응답함수에 적용하여 데이터심볼에 대한 페이딩성분의 추정정확도를 향상시켜 보다 빠른 하드웨어 동작속도로 수신기의 수신성능이 향상되면서 수신비트당 에러확률(BER)을 낮출 수 있도록 하고자 하는바, 이는 송신기(10)로부터의 음성신호가 신호변환되어 채널(20)로 전파송출되는 송신단계와 송출신호가 레일리 왜곡(페이딩)되는 왜곡단계 및 수신기(30)의 수정된 싱크보간 알고리즘에 의해 왜곡성분이 제거되어 음성신호로 신호복원되는 수신단계로 이루어지며, 특히 수신단계에서의 수정된 싱크보간 알고리즘에서는 우수한 왜곡성분 추정성능을 위해 웨이팅요소를 사용해서 주기적으로 수신되는 파이럿심볼의 페이딩성분(레일리 왜곡량)을 검출하고, 해당 파일럿심볼들 사이에 수신된 데이터심볼의 페이딩성분을 추정하여 추정해낸 데이터심볼의 페이딩성분을 제거할 수 있도록 한다.

Description

수정된 싱크보간법을 이용한 레일리페이딩 보상방법{An Rayleigh Fading Compensation Method with Modified Sinc Interpolation}

본 발명은 차세대 이동통신에서 채택된 이동속도에 따른 무선전파왜곡(페이딩) 보상기술의 하나인 레일리페이딩 추정알고리즘인 수정된 싱크보간법을 이용한 레일리페이딩 보상방법으로, 보다 상세하게는 웨이팅요소를 시간의 구간에 따라 기존의 싱크보간법의 단일충격파 응답함수에 적용하여 데이터심볼에 대한 페이딩성분의 추정정확도를 향상시켜 보다 빠른 하드웨어 동작속도로 수신기의 수신성능이 향상되면서 수신비트당 에러확률을 낮출 수 있는 수정된 싱크보간법을 이용한 레일리페이딩 보상방법에 관한 것이다.

정보통신의 발달에 따른 이동전화서비스에서 음성 및 고속의 데이터신호를 주고받기 위해 보다 신뢰성 있는 신호 송수신기술이 요구되고 있으며, 특히 점차 고속화되고 있는 대중교통수단의 발달로 인해 빠른 이동속도에서의 정확한 수신신호 검출기술은 더욱 중요시되고 있다.

이러한 이동전화서비스에 사용되는 무선전파는 송/수신기 각각이 이동하면서 발생되는 레일리페이딩(Rayleigh Fading)에 의해 변형되는데, 이때 레일리페이딩은 이동속도에 비례하여 무선전파의 수신진폭과 위상정보를 변형시키게 되므로, 신뢰성 있는 통신을 위해서는 시스템의 수신부에서 레일리페이딩의 크기를 검출하고 검출된 값을 이용하여 레일리페이딩의 영향을 줄이기 위한 기술이 요구되고 있다.

현재까지 레일리페이딩의 영향을 줄이기 위해 개발된 보상방법들이나 세부적인 알고리즘들의 종류는 다양한데, 그중 대표적인 보상방법으로 송/수신기간에 사전 약속된 입력신호의 변동이나 각 채널의 이득차 등에 대하여 전송신호를 안정화하고자 자동레벨제어나 자동슬로프제어에 사용하는 기준 반송파신호인 파일롯심볼(Pilot Symbol)이 주로 이용되고 있다.

이러한 레일리페이딩 보상방법에서 송신기는 파일럿심볼을 데이터심볼들 사이에 주기적으로 삽입하여 전송하게 되며, 이때의 파일럿심볼은 무선전파가 통과하는 채널의 특성을 포함하면서도 수신기에서 검출이 용이한 것으로, 그것은 잡음의 영향을 가장 적게 받을 있도록 전송심볼 중에서 가장 높은 전력을 갖는 값을 사용하게 된다.

그리고, 수신기는 송신신호와 완벽한 동기를 이룬 후에 파일롯심볼이 들어오는 주기를 파악하여 파일럿심볼에 섞인 페이딩성분을 추출하며, 이 정보를 이용하여 파일럿심볼 사이에 수신된 데이터심볼의 페이딩성분을 추정하게 되고, 이렇게 추정한 값을 이용하여 페이딩성분을 감소시키게 되는데, 이러한 페이딩보상 알고리즘들을 총칭하여 파일럿심볼을 이용한 변조기술 PSAM(Pilot Symbol Aided Modulation)이라 하며, 이는 현재의 국내 CDMA 통신 및 차세대 이동통신인 IMT-2000를 비롯한 여러 무선 이동통신 시스템에서 채택된 이동속도에 따른 무선전파왜곡 보상기술의 하나이다.

한편, 현재까지 이 분야에서 구현이 가능하면서 가장 성능이 우수한 것으로 알려진 페이딩추정 알고리즘은 싱크보간 알고리즘(Sinc Interpolation Algorithm)으로 이 알고리즘은 이상적인 나이퀴스트보간 알고리즘(Nyquist Interpolation Algorithm)과 거의 동일한데, 차이점은 페이딩(채널) 추정의 보간을 위해 나이퀴스트에서는 도 8 및 도 9에서 보는 바와같이 무한개의 파일럿심볼을 사용하는 반면에, 싱크보간법은 실질적인 구현이 가능하도록 유한개의 파일럿심볼을 사용한다는 것이다.

이는, 파일럿심볼에 섞인 페이딩성분을 검출한 후의 데이터심볼에 섞인 페이딩성분을 추정하는 방법중, 특히 나이퀴스트보간법의 경우에는 이상적인 나이퀴스트보간법이 갖는 단일충격파 응답함수의 그래프를 도시한 도 8 및 응답함수를 수신되는 모든 파일럿심볼에 적용하고, 임의시간(t)에 해당되는 응답함수의 값들을 모두 더하여 파일럿심볼 사이에 수신된 데이터심볼의 페이딩성분을 추정하는 과정을그래프로 도시한 도 9에서 보는 바와같이, 이론적으로 완벽하게 페이딩성분을 추정하지만 현실적으로 구현이 불가능하였다.

아울러, 지금까지의 싱크보간법은 페이딩채널에서 수신 데이터심볼의 페이딩성분을 비교적 정확하게 추정하는데 반해, 오히려 페이딩성분이 존재하지 않는 가산성백색잡음(AWGN) 환경에서는 수신 데이터성분을 왜곡시키게 되므로, 이는 주파수 비선택성 레일리페이딩에 우수한 페이딩 추정성능이 있음에도 불구하고 오히려 AWGN에서는 채널 추정이 정확하지 못해, 현실적으로 구현은 가능하지만 유한개의 파일럿심볼을 사용함에 따라 그 추정결과가 이론상 정확할 수 없다는 문제점이 있었다.

본 발명은 기존의 파일럿심볼을 이용한 변조기술(PSAM)의 페이딩추정 알고리즘 중에서 구현이 가능하면서 성능이 가장 우수한 것으로 알려진 싱크보간 알고리즘의 한계점을 개선하여, 페이딩이 존재하지 않는 가산성백색잡음 환경에서 데이터성분이 왜곡되는 것을 막고 페이딩 환경에서도 보다 정확하게 페이딩성분을 추정하여 수신기의 수신성능을 향상시킬 수 있도록 개발된 것으로, 특히 수정된 싱크보간 알고리즘에 의해 구해지는 웨이팅요소를 시간의 구간에 따라 기존의 싱크보간법의 단일충격파 응답함수에 적용하여 데이터심볼에 대한 페이딩성분의 추정정확도를 향상시켜 수신비트당 에러확률(BER)을 낮출 수 있도록 함으로서 보다 빠른 하드웨어 동작속도로 수신기의 수신성능을 향상시킬 수 있는 수정된 싱크보간법을 이용한레일리페이딩 보상방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 레일리페이딩 보상방법을 구현하기 위한 송수신시스템 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 다중반송파 직교진폭변조(QAM)의 프레임구조도.

도 3은 본 발명의 수정된 싱크보간법이 갖는 단일충격파 응답함수 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 16QAM방식에서 사용되는 데이터심볼 위치도.

도 5는 본 발명의 수정된 싱크보간 알고리즘에 의한 주파수 응답특성 그래프.

도 6a와 도 6b는 본 발명에 따라 윈도우함수를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 비트당오율(BER) 성능평가 그래프.

도 7a와 도 7b는 본 발명의 싱크보간 알고리즘에서 도플러주파수에 대한 BER 성능평가와 비트당평균에너지대 잡음전력비에 대한 BER 성능평가 그래프.

도 8은 기존의 나이퀴스트보간법이 갖는 단일충격파 응답함수 그래프.

도 9는 기존의 나이퀴스트보간법을 사용한 데이터심볼 페이디성분의 추정과정 그래프.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

10 : 송신기 11 : 마이크

12 : 아날로그/디지털변환기 13 : 직렬/병렬변환기

14 : 16QAM심볼변환기 15 : 펄스성형필터

16 : 부채널변조기 17 : 반송파변조기

20 : 채널 30 : 수신기

31 : 반송파복조기 32 : 부채널복조기

33 : 정합필터 34 : 싱크보간 알고리즘

35 : 병렬/직렬변환기 36 : 디지털/아날로그변환기

37 : 스피커

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수정된 싱크보간법을 이용한 레일리페이딩 보상방법은, 송신기의 마이크로부터 음성신호가 전기적인 아날로그신호로 변환되는 단계와, 아날로그신호가 아날로그/디지털변환기에 의해 이진신호(bit)로 변환되는 단계와, 이진신호가 직렬/병렬변환기를 통과하면서 설정된 사용반송파수 M개만큼의 병렬신호로 변환되는 단계와, M개의 병렬신호가 16QAM심볼변환기에 의해 임의 비트(bit)단위당 하나의 데이터심볼로 변환되어 배치되면서 일정한 심볼주기(프레임길이)마다 파일럿심볼이 삽입되는 단계와, 파일럿심볼이 삽입된 M개의 병렬 데이터심볼이 펄스성형필터를 통과하면서 펄스신호로 변환되는 단계와, 펄스성형된 병렬 데이터심볼이 M개의 부채널변조기에 의해 전송주파수를 구분하여 할당되면서 부반송파신호로 변환되는 단계와, M개의 부반송파신호가 반송파변조기를 통과하면서 고주파신호로 변환되어 채널로 전파 송출되는 단계로 이루어지는 송신단계와; 아울러 송신단계로부터의 송출신호가 채널(공간)을 통과하면서 레일리 왜곡되는 왜곡단계 및; 채널로부터의 수신신호가 수신기의 반송파복조기에 의해 저주파신호로 변환되면서 M개의 펄스신호로 변환되는 단계와, 펄스성형된 M개의 부반송파신호가 M개의 부채널복조기를 통과하면서 개념상 사용반송파수 M개의 병렬 펄스신호로 변환되는 단계와, M개의 병렬 펄스신호가 정합필터를 통해 신호동기를 맞추면서 M개의 병렬 데이터심볼로 변환되는 단계와, 주기적으로 수신되는 파이럿심볼의 페이딩성분(레일리 왜곡량)을 검출하고 수정된 싱크보간알고리즘에 따라 해당 파일럿심볼들 사이에 수신된 데이터심볼의 페이딩성분을 추정하여 추정해낸 데이터심볼의 페이딩성분을 제거하는 단계와, 페이딩성분이 제거된 병렬 데이터심볼이 병렬/직렬변환기를 통과하면서 송/수신기에 약속된 이진신호로 복원되어 직렬신호로 변환되는 단계와, 직렬 이진신호가 디지털/아날로그변환기에 의해 아날로그신호로 복원되어 스피커를 통해 음성신호로 변환되는 단계로 이루어지는 수신단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 수정된 싱크보간법을 이용한 레일리페이딩 보상방법의 구현원리를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 레일리페이딩 보상방법을 구현하기 위한 송수신시스템을 블록화 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 다중반송파 직교진폭변조(QAM)의 프레임구조를 도시한 것이며, 도 3은 본 발명의 수정된 싱크보간법이 갖는 단일충격파 응답함수를 그래프화 도시한 것이고, 도 4는 본 발명에 따른 16QAM 방식에서 사용되는 데이터심볼의 위치관계를 도시한 것이다.

아울러, 도 5는 본 발명의 데이터심볼 보상알고리즘에 의한 주파수 응답특성을 그래프화 도시한 것이고, 도 6a와 도 6b는 본 발명에 따라 윈도우함수를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 비트당오율(BER) 성능평가를 각각 그래프화 도시한 것이며, 도 7a와 도 7b는 본 발명의 데이터심볼 보상알고리즘에서 도플러주파수에 대한 BER 성능평가와 비트당평균에너지대 잡음전력비에 대한 BER 성능평가를 각각그래프화 도시한 것이다.

도 1에서 보는 바와같이, 본 발명의 수정된 싱크보간법을 이용한 레일리페이딩 보상방법은, 우선 송신기(10)로부터의 음성신호가 신호변환되어 채널(20)로 전파송출되는 송신단계와 송출신호가 레일리 왜곡되는 왜곡단계 및 수정된 싱크보간 알고리즘에 의해 페이딩성분이 제거되어 음성신호로 신호복원되는 수신단계로 이루어지며, 특히 수신단계에서의 수정된 싱크보간 알고리즘에서는 우수한 페이딩 추정성능을 위해 웨이팅요소를 사용해서 보간알고리즘의 주파수특성과 시스템의 비트당에러지수가 획기적으로 개선될 수 있도록 하고 있다.

우선, 송신단계에서는 송신기(10)의 마이크(11)로부터 음성신호가 전기적인 아날로그신호로 변환되는 단계와, 아날로그신호가 아날로그/디지털변환기(12)에 의해 이진신호(bit)로 변환되는 단계와, 이진신호가 직렬/병렬변환기(13)를 통과하면서 설정된 사용반송파수 M개만큼의 병렬신호로 변환되는 단계와, M개의 병렬신호가 16QAM심볼변환기(14)에 의해 임의 비트(bit)단위당 하나의 데이터심볼로 변환되어 배치되면서 일정한 심볼주기(프레임길이: N)마다 파일럿심볼이 삽입되는 단계를 거치게 된다.

그리고, 파일럿심볼이 삽입된 M(본 발명의 바람직한 실시예에서는 4개로 함)개의 병렬 데이터심볼이 펄스성형필터(15)를 통과하면서 펄스신호로 변환되는 단계와, 펄스성형된 병렬 데이터심볼이 M개의 부채널변조기(16)에 의해 전송주파수를 구분하여 할당되면서 부반송파신호로 변환되는 단계와, M개의 부반송파신호가 반송파변조기(17)를 통과하면서 고주파신호로 변환되어 채널(20)로 전파 송출되는 단계로 거치게 된다.

즉, 송신기(10)의 마이크(11)를 통해 사람의 음성신호가 전기적인 아날로그신호로 변환되며, 아날로그신호는 아날로그/디지털변환기(12)에 의해 디지털 이진신호(Bit)로 변환되고, 아울러 직렬로 되어있는 디지털신호는 직렬/병렬변환기(13)를 통과하면서 M의 값이 4인 평행한 병렬신호로 변환되며, 여기서 일반적인 직렬신호의 경우는 M의 값이 1인 직렬/병렬변환기(13)를 통과한 것이다.

그리고, M개의 병렬신호로 되어있는 디지털신호(Bit)는 16QAM심볼변환기(14)를 통과하면서 임의 비트(Bit) 단위당 하나의 데이터심볼로 변환되어 도 2 및 도 4에서 보는 바와같이 M개만큼 병렬로 배치되며, 송/수신기(10)(20)간에 미리 약속한 값으로 일정한 심볼주기(프레임길이 : N)마다 이들 데이터심볼 사이에 파일럿심볼이 삽입입력되고, 수신기(30)에서는 이 값을 이용하여 수신 데이터심볼에 섞인 레일리성분을 제거하게 된다.

또한, 파일럿심볼이 삽입된 M개의 병렬 데이터심볼의 프레임은 펄스성형필터(15)를 통과하면서 송신기(10)가 만들어내기 쉬운 펄스형태로 변환되며, M개의 부채널변조기(16)에서는 지금까지 개념상으로만 구분되었던 M개의 병렬 데이터심볼에 각각 전송주파수를 구분하여 할당하게 되고, 따라서 M개의 병렬 데이터심볼은 이 단계를 통과하면서 펄스성형된 M개의 부반송파(채널=주파수)신호로 변환된다.

아울러, M개의 부반송파신호는 반송파변조기(17)를 통과하면서 정부에서 허가받은 혹은 송신하기에 가장 적합한 높은 주파수로 이동(Up- Conversion)하게 되며. 이렇게 변환된 송신기(10)로부터의 변조 고주파신호는 전파송출되어 채널(공간)(20)을 통과하면서 레일리 왜곡되는 왜곡단계를 거치게 된다.

그리고, 송신기(10)로부터의 전파 송출되는 고주파신호는 채널(20)을 통과하면서 왜곡되는데, 이동통신시스템에서 가장 대표적인 왜곡은 단말기 또는 단말기를 갖고 있는 사람의 이동속도에 비례하여 신호의 진폭(전력)과 위상을 동시에 열화시키게 되는 레일리페이딩로, 현재의 모든 통신방식에서 사용되는 신호심볼은 거의 진폭과 위상을 이용하여 정의된다.

따라서, 레일리페이딩의 영향을 받게되면 진폭과 위상이 모두 왜곡되어 수신기(30)는 신호를 잘못 판별하여 에러를 유발하게 되므로, 모든 무선통신시스템에서는 이런 왜곡의 영향을 감쇄시키는 기능이 반드시 필요하게 된다.

한편, 송신기(10)로부터의 신호송출된 고주파신호를 수정된 싱크보간 알고리즘(34)을 통해 데이터심볼에 대한 페이딩성분의 추정정확도를 향상시켜 보다 빠른 하드웨어 동작속도로 수신기(30)의 수신성능이 향상시키게 되는 수신단계는, 채널(20)로부터의 수신신호가 수신기(30)의 반송파복조기(31)에 의해 저주파신호로 변환되면서 M개의 펄스신호로 변환되는 단계를 거치게 된다.

그리고, 펄스성형된 M개의 부반송파신호가 M개의 부채널복조기(32)를 통과하면서 개념상 사용반송파수 M개의 병렬 펄스신호로 변환되는 단계와, M개의 병렬 펄스신호가 정합필터(33)를 통해 신호동기를 맞추면서 M개의 병렬 데이터심볼로 변환되는 단계와, 주기적으로 수신되는 파이럿심볼의 페이딩성분(레일리 왜곡량)을 검출하고 수정된 싱크보간알고리즘(34)에 따라 해당 파일럿심볼들 사이에 수신된 데이터심볼의 페이딩성분을 추정하여 추정해낸 데이터심볼의 페이딩성분을 제거하는 단계를 거치게 된다.

또한, 페이딩성분이 제거된 병렬 데이터심볼이 병렬/직렬변환기(35)를 통과하면서 송/수신기(10)(30)에 약속된 이진신호로 복원되어 직렬신호로 변환되는 단계와, 직렬 이진신호가 디지털/아날로그변환기(36)에 의해 아날로그신호로 복원되어 스피커(37)를 통해 음성신호로 변환되는 단계를 거치는 방법으로, 레일리페이딩 추정알고리즘인 수정된 싱크보간법을 이용한 레일리페이딩 보상방법이 구현될 수 있게 된다.

즉, 수신기(30) 내의 반송파복조기(31)는 수신된 신호를 송신기(10)와 반대로 송수신용의 높은 주파수에서 낮은 주파수신호로 변환하게 되는데, 이는 낮은 주파수의 신호를 처리하는 것이 높은 주파수의 신호를 처리하는 것보다 간단하기 때문이며, 아울러 기지국에서 송출되어 이동국으로 수신된 신호는 채널(20)을 통과하면서 레일리페이딩에 의해 왜곡된다.

그리고, 반송파복조기(31)를 통과한 M개의 병렬 펄스성형된 신호는 M개의 부채널복조기(32)를 통과하면서 다시 개념상의 M개의 병렬 펄스성형된 신호로 바뀌게 되고, M개의 병렬신호 각각은 정합필터(33)와 동기과정을 거치면서 신호가 채널(20)을 통과하면서 갖게되는 시간상의 불일치 문제를 해결하게 되며, 정확한 시점에서 펄스성형신호를 시간상으로 동기가 맞고 파일럿심볼이 포함되어 있는 M개의 병렬 데이터심볼로 변환시키게 된다.

특히, 이 단계는 주기적으로 수신되는 파일럿심볼의 페이딩성분을 추출해내고, 이 값과 본 발명의 싱크보상 알고리즘(페이딩성분 추정 및 데이터심볼 보상과정)을 이용하여 파일럿심볼 사이에 수신된 데이터심볼의 페이딩성분을 추정하며, 이렇게 얻어진 값을 이용하여 데이터심볼의 페이딩성분을 제거하게 된다.

즉, 수신 파일럿심볼과 수신기(30)가 이미 알고 있는 파일럿심볼의 값을 비교(실제로는 나눔)하여 파일럿심볼에 섞인 레일리 왜곡량을 검출하게 되는데 이는 시간상의 여러 파일럿심볼의 왜곡량을 검출하게 되며, 검출한 임의 파일럿심볼과 그 다음 파일럿심볼의 왜곡량을 이용하여 그 파일럿심볼들 사이에 수신된 데이터심볼(도 2의 프레임구조를 보면 데이터심볼이 파일럿심볼 사이에 전송됨을 알 수 있음)의 레일리 왜곡량이 싱크보상 알고리즘(34)에 의해 추정될 수 있다.

그리고, 추정해낸 데이터심볼의 레일리 왜곡량은 원래의 데이터심볼에 적용하는 싱크보간 알고리즘(34)의 데이터심볼 보상과정을 통해 채널(20)의 영향을 줄이게 되며, 이 단계를 통과하면서 수신된 신호는 채널(20)의 영향이 제거된 송신기(기지국)(10)에서 보낸 원래의 신호에 가장 가깝게 변화된다.

또한, 레일리왜곡의 영향이 제거된 M개의 병렬 데이터심볼들은 데이터심볼 보상과정을 통과하면서 심볼마다 규칙으로 송/수신기(10)(30)가 약속한 디지털 이진신호(Bit)로 변환되는 한편, 이진신호로 변환된 M개의 병렬 데이터신호는 병렬/직렬변환기(35)를 통해 하나의 직렬 이진신호로 변환되고, 디지털/아날로그변환기(DAC)(36)를 통과하면서 원래의 아날로그신호로 복원되며, 최종적으로 복원된 아날로그신호는 스피커(37) 등을 통해 음성신호로 변환되어 사람에게 전달된다.

한편, 본 발명의 수정된 싱크보간 알고리즘(34)의 웨이딩요소(Waiting Factor)를 구하는 산출과정을 보면, 우선 정합필터링 후의 수신 데이터심볼을 r_k = c_k z_k + n_k ... (1)식을 통해 추출해낼 수 있으며, 이때 z_k는 전송된 기저대역 16QAM심볼이며, c_k는 신호에 섞인 페이딩성분이고, n_k는 가산성백색가우시안잡음(AWGN)이다.

그리고, i번째 프레임에 포함된 파일럿심볼의 페이딩성분은 수신 데이터심볼을 송신기(10)와 약속한 파일럿심볼의 크기 A(도 4 참조)로 나누면 얻을 수 있으며, 이때의 산출과정은... (2)식과 같다.

또한, (2)식의 산출과정을 통해 추출한 파일럿심볼의 페이딩성분과 본 발명의 수정된 싱크보간 알고리즘을 이용하여 데이터심볼의 페이딩성분을 구할 수 있으며, 이때 L개의 파일럿심볼을 사용하여 n번째 프레임의 l번째 데이터심볼의 페이딩성분을 아래의 3(식)을 통해 추출해낼 수 있다.

...3(식), 이때 위의 (3)식에서 l`=1, ..., N-1은 보간되는 심볼시점을 나타내며,은 n번째 프레임에 속한 파일럿심볼의 보간계수이고, 이 함수는 시간축에 대해 좌우 대칭이기 때문에 만약 수신기(30)에서 L개의 파일럿심볼을 사용한다면 실제 사용하는 웨이팅요소(Weighting factor)는 L/2개가 된다.

그러나, 본 발명의 실시예에는 2개의 웨이팅요소(W_1, W_2~)만을 가정하였는데, 그것은 이 값들이 보간되는 심볼시간의 면적을 이용하여 간단히 계산되기 위한것으로,~W_1~은 구간= k =에 사용되고,~W_2~은 구간와에 사용되며, 웨이팅요소를 구하기 위해 사용되는 한 프레임의 면적은 추정된 페이딩왜곡과 프레임길이 N을 이용하여 아래의 (4)식과 같이,

로 나타낼 수 있으며, 이는 기존의 싱크함수와 본 발명의 수정된 싱크함수에 사용된 웨이팅요소를 이용하여 구한 구간의 면적과 같다.

그리고, 실제 (4)식의 면적S는과 같으므로 아래의 (5)식과 같이,로 나타낼 수 있다.

또한, 파일럿심볼의 페이딩성분을 정확하게 반영하기 위해 이 구간을 포함하고 있는 W_1~은 1과 같아야 하며, 이때 W_2~는 아래의 (6)식을 통해 구할 수 있다.

...6(식), 즉 W_1은 항상 1과 같기 때문에 실제로 W_2만 구하면 되며, 아울러 위와같은 산출과정을 통해 얻은 웨이팅요소를 적용한 수정된 싱크보간 알고리즘의 단일충격파 응답함수는 도 3과 같음을 알 수 있다.

한편, 도 5는 나이퀴스트보간 알고리즘, 기존의 싱크보간 알고리즘, 본 발명의 수정된 싱크보간 알고리즘의 각 충격파 응답함수를 주파수상에 나타낸 것으로, 본 발명의 수정된 싱크보간법의 주파수특성이 기존의 싱크보간법보다 이론적으로 이상적인 나이퀴스트보간법의 주파수특성에 가까운 것을 확인할 수 있다.

또한, 각 보간알고리즘의 보간특성을 향상시켜주는 윈도우함수(Window Function)를 사용한 경우의 성능평가를 보여주는 도 6a 및 도 6b에서 보는 바와같이, M개(4개)의 부반송파를 사용한 16QAM 시스템방식에 대한 성능평가를 통해 본 발명의 수정된 싱크보간법이 기존의 싱크보간법보다 레일리페이딩 추정성능이 우수한 것을 확인할 수 있었으며, 도면에서는 정규화된 도플러주파수(f_d T_S~)의 값이 0.03이고 1개 프레임의 길이 N~=9일 때의 도플러주파수에 대한 BER 성능평가와 비트당평균에너지대 잡음전력비에 대한 BER 성능평가를 나타낸 것이다.

아울러, 도플러주파수 f_d~는 이동속도에 비례하여 값이 커지며, T_s~는 1개 심볼의 길이를 나타낸 것이고, 특히 본 발명의 싱크보간 알고리즘에서는 하닝윈도우(Hanning Window)를 윈도우함수로 사용하였으며, 이러한 윈도우함수는 임의 신호의 주파수 응답특성을 이상적인 페이딩성분 추정알고리즘인 나이퀴스트보간법에 가깝게 만들어 줌으로서 신호 왜곡성분을 보다 정확하게 찾아낼 수 있도록 도와주게 된다.

그리고, 페이딩성분의 추정에 사용하는 파일럿심볼의 갯수 L~=10, 비트당평균에너지대 잡음전력비 E_b / N_0 = 30dB의 조건에서, 윈도우함수를 사용하지 않은경우 및 사용한 기존의 싱크보간법(CSI : Conventional Sinc Interpolation)은 각각 1.07×10^-3의 BER성능과 6.34×10^-4의 BER성능을 갖으며, 아울러 윈도우함수를 사용하지 않는 경우 및 사용한 경우의 본 발명에 의한 수정된 싱크보간법(MSI : Modified Sinc Interpolation)은 각각 6.28×10^-4의 BER성능과 5.64×10^-4의 BER성능을 갖는 것을 알 수 있었는데, 이는 E_b / N_0=30dB의 조건에서 전체적으로 윈도우함수를 사용하지 않은 MSI와 윈도우함수를 사용한 CSI가 거의 동일한 BER성능을 갖고 있음을 확인할 수 있다.

그리고, 또다른 예로서 파일럿심볼의 개수 L=7의 조건에서 윈도우함수를 사용한 MSI의 성능은 L=10의 조건에서 윈도우함수를 사용하지 않은 MSI 및 L=12의 조건에서 윈도우함수를 사용한 CSI의 BER성능과 거의 동일한 것을 확인할 수 있으며, 이는 결과적으로 사용하는 파일럿심볼의 갯수 L을 적게 사용할수록 하드웨어의 설계나 처리속도가 향상될 수 있으므로 수정된 MSI는 CSI 보다 우수하다고 할 수 있다.

또한, 본 발명의 싱크보간 알고리즘에서 도플러주파수(f_d T_S~)에 대한 BER 성능평가와 비트당평균에너지대 잡음전력비(E_b / N_0)에 대한 BER 성능평가를 나타낸 도 8a 및 도 8b에서 보는 바와같이, 윈도우함수를 사용한 MSI의 BER성능은 이론적인 16QAM의 BER성능과 약 2.5dB의 차이를 보였으며, 특히 파일럿심볼을 이용한 변조기술 PSAM을 사용한 16QAM의 이론적인 BER성능이 16QAM의 이론적인 성능과 약 2.5dB 차이가 있음을 고려하여 볼 때, 본 발명의 수정된 싱크보간법에 따라 윈도우함수를 사용한 MSI의 성능이 가장 우수하여 이론적인 PSAM의 성능에 가까운 것을 알 수 있다.

즉, 본 발명의 수정된 싱크보간 알고리즘은 우수한 레일리페이딩 추정성능을 위하여 웨이팅요소를 사용해서 주파수특성과 비트당에러지수를 월등히 개선할 수 있으며, 특히 주파수비선택성 레일리페이딩 채널에서 윈도우함수와 같이 사용한 결과 수정된 싱크보간 알고리즘은 PSAM을 사용한 16QAM의 이론적인 비트당에러지수 성능에 근접하였고, 이는 PSAM 채널추정 알고리즘으로서 가장 효과적은 것을 확인할 수 있다.

더욱이, 상술한 BER 성능비교를 통해 수정된 본 발명의 싱크보간 알고리즘은 기존의 싱크보간 알고리즘에 비해 적은 수의 파일럿심볼을 사용하면서도 향상된 페이딩 추정성능을 갖고 있음을 보였는데, 이것은 수정된 싱크보간 알고리즘이 기존의 싱크보간 알고리즘보다 적은 수의 메모리를 사용하면서도 더 빠른 속도로 동작함을 의미하는 것으로 PSAM의 사용으로 인한 하드웨어의 부담을 감소시킴을 알 수 있으며, 이러한 모든 사항들을 고려하였을 때 본 발명의 수정된 싱크보간법을 이용한 레일리페이딩 보상방법은 현재의 이동통신시스템은 물론 차세대 IMT-2000시스템에서도 효과적으로 사용할 수 있는 페이딩보상 알고리즘이라고 할 수 있다.

이상 설명한 바와같이 본 발명의 수정된 싱크보간법을 이용한 향상된 레일리페이딩 보상방법에 의하면, 기존의 파일럿심볼을 이용한 변조기술(PSAM)의 페이딩추정 알고리즘 중에서 구현이 가능하면서 성능이 가장 우수한 것으로 알려진 싱크보간 알고리즘의 한계점을 개선하여, 페이딩이 존재하지 않는 가산성백색잡음(AWGN) 환경에서 데이터성분이 왜곡되는 것을 막고 페이딩환경에서도 보다 정확하게 페이딩성분을 추정하여 수신기의 수신성능을 향상시킬 수 있다.

특히, 수정된 싱크보간 알고리즘에 의해 구해지는 웨이팅요소를 시간의 구간에 따라 기존의 싱크보간법의 단일충격파 응답함수에 적용하여 데이터심볼에 대한 페이딩성분의 추정정확도를 향상시켜 수신비트당(BER) 획기적으로 에러확률을 낮출 수 있도록 함으로서 보다 빠른 하드웨어 동작속도로 수신기의 수신성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Claims

송신기(10)의 마이크(11)로부터 음성신호가 전기적인 아날로그신호로 변환되는 단계,

아날로그신호가 아날로그/디지털변환기(12)에 의해 이진신호(bit)로 변환되는 단계,

이진신호가 직렬/병렬변환기(13)를 통과하면서 설정된 사용반송파수 M개만큼의 병렬신호로 변환되는 단계,

M개의 병렬신호가 16QAM심볼변환기(14)에 의해 임의 비트(bit)단위당 하나의 데이터심볼로 변환되어 배치되면서 일정한 심볼주기(프레임길이: N)마다 파일럿심볼이 삽입되는 단계,

파일럿심볼이 삽입된 M개의 병렬 데이터심볼이 펄스성형필터(15)를 통과하면서 펄스신호로 변환되는 단계,

펄스성형된 병렬 데이터심볼이 M개의 부채널변조기(16)에 의해 전송주파수를 구분하여 할당되면서 부반송파신호로 변환되는 단계,

M개의 부반송파신호가 반송파변조기(17)를 통과하면서 고주파신호로 변환되어 채널(20)로 전파 송출되는 단계로 이루어지는 송신단계와;

아울러 송신단계로부터의 송출신호가 채널(공간)(20)을 통과하면서 레일리 왜곡되는 왜곡단계 및;

채널(20)로부터의 수신신호가 수신기(30)의 반송파복조기(31)에 의해 저주파신호로 변환되면서 M개의 펄스신호로 변환되는 단계,

펄스성형된 M개의 부반송파신호가 M개의 부채널복조기(32)를 통과하면서 개념상 사용반송파수 M개의 병렬 펄스신호로 변환되는 단계,

M개의 병렬 펄스신호가 정합필터(33)를 통해 신호동기를 맞추면서 M개의 병렬 데이터심볼로 변환되는 단계,

주기적으로 수신되는 파이럿심볼의 페이딩성분(레일리 왜곡량)을 검출하고 수정된 싱크보간알고리즘(34)에 따라 해당 파일럿심볼들 사이에 수신된 데이터심볼의 페이딩성분을 추정하여 추정해낸 데이터심볼의 페이딩성분을 제거하는 단계,

페이딩성분이 제거된 병렬 데이터심볼이 병렬/직렬변환기(35)를 통과하면서 송/수신기(10)(30)에 약속된 이진신호로 복원되어 직렬신호로 변환되는 단계,

직렬 이진신호가 디지털/아날로그변환기(36)에 의해 아날로그신호로 복원되어 스피커(37)를 통해 음성신호로 변환되는 단계로 이루어지는 수신단계를 포함한 것을 특징으로 하는 수정된 싱크보간법을 이용한 레일리페이딩 보상방법.
제 1항에 있어서,

상기 수정된 싱크보간 알고리즘(34)은 정합필터링 후의 수신 데이터심볼을 추출해 내는 즉,

(k번째 프레임의 수신 데이터심볼＝신호에 섞인 페이딩성분·전송된 기저대역 16QAM 파이럿심볼＋가산성백색가우시안잡음) →

r_k = c_k z_k + n_k ... 산출과정;

수신 데이터심볼을 송신기와 약속한 파일럿심볼의 크기 A로 나누어 i번째 프레임에 포함된 파이럿심볼의 페이딩성분을 얻는 즉,

... 산출과정;

L개의 파일럿심볼을 사용하여 n번째 프레임의 l번째 데이터심볼의 페이딩성분을 추출해내는 즉,

(l=1,..., N-1은 보간되는 심볼시점, sinc(l/N－k)는 n번째 프레임에 속한 파일럿심볼의 보간계수) →

... 산출과정;

추정된 페이딩왜곡과 프레임길이 N을 이용하여 산출되는 1개 프레임의 면적을 통해 웨이팅요소를 구하게 되는 즉,

... 산출과정;

아울러 실제 면적S는(프레임길이)과 같으므로 아래의 식과 같이 변환되는 즉,

... 산출과정;

웨이팅요소의 진폭이 항상 1과 같이 때문에 실제로 웨이팅요소만 구해 수정된 싱크함수의 충격파 응답함수로 나타내는 즉,

... 산출과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수정된 싱크보간법을 이용한 레일리페이딩 보상방법.