KR101063072B1 - 와이브로 시스템에서 정수배 주파수 오차 추정 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 낮은 복잡도와 주파수 선택적 채널에 강인한 성능을 갖는 정수배 주파수의 오차 추정 장치 및 그 방법을 개시한다.

본 발명에 의하면, QPSK 변조기법을 사용하는 OFDM 기반 와이브로(Wibro) 시스템에서, 수신된 신호를 시간축에서 주파수축으로 변환하여 신호를 처리하고, 수신된 신호의 전체 파일럿 심볼을 채널의 Coherence Bandwidth를 고려하여 부블록으로 나누어준 후, 부블록내의 파일럿들을 동위상으로 변경 후, 부블록 내의 모든 파일럿들을 더하여 부블록 개수만큼의 파일럿 정보로 나누어준 후, 수신 신호와 동일하게 부블록으로 나누어진 파일럿 심볼들과 수신신호와의 상관값을 계산하며, 부블록 별로 계산된 상관값을 더한 후 최대 우도 방법을 적용하여 최종적으로 주파수 오차 값을 선택하게 됨으로, 주파수 선택적 채널에서 보다 좋은 성능을 보이면서도 계산 복잡도를 줄일 수 있다.

직교 주파수 분할 다중 변조(OFDM), 와이브로, 정수배 주파수 오차 추정, 저복잡도

Description

와이브로 시스템에서 정수배 주파수 오차 추정 장치 및 그 방법 {Apparatus for integer frequency offset estimation and method for Wibro systems}

본 발명은 직교 주파수 분할 다중 변조(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM) 방식을 사용하는 와이브로 시스템의 성능을 좌우하는 요소중에 하나인 정수배 주파수 오차를 추정하는 방법에 관한 것이다.

주파수 오차는 도플러 효과나 송수신단 발진기의 불안정성으로 인하여 발생하게 되고, 발생되는 주파수 오차는 정수배 주파수 오차와 소수배 주파수 오차로 나눠진다. 수신단에서 주파수 오차로 발생하는 영향들을 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)과정 이후에서 살펴보면, 정수배 주파수 오차만큼 부 반송파들의 위치가 이동되고 소수배 주파수 오차의 영향으로 인접 부 반송파간 간섭(Inter-Carrier Interference : ICI)이 발생하여 각 부 반송파들 간의 직교성을 잃는다.

주파수 오차를 추정하기 위한 방법들 중 하나의 프리앰블만을 사용하는 와이브로 시스템에 적용 가능한 정수배 주파수 오차 추정 방법이 제시 되었는데, Nogami 방법의 경우 높은 계산 복잡도가 요구되어 실제 구현 시 많은 비용 및 하드 웨어의 높은 복잡성을 가지며 채널이 주파수 선택적일 경우 실질적으로 충분하지 못한 추정 성능을 보이는 단점을 갖는다 [1].

[문헌1] H. Nogami and T. Nagashima, “A frequency and timing period acquisition technique for OFDM systems,” in Proc. PIRMC'95, pp. 1010-1015, September 1995.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 와이브로 시스템에서 파일럿 심볼을 사용하는 정수배 주파수 오차 추정 시 요구되는 높은 복잡도를 감소시킴과 동시에 주파수 선택적 채널에서 정수배 주파수 오차 추정기의 추정 성능을 향상시키는데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 주파수의 오차 추정 장치는, 수신된 신호를 시간축에서 주파수축으로 FFT 변환하여 신호를 처리하는 고속푸리에변환부; 전체 파일럿 심볼로 구성되어지는 파일럿 정보부; 상기 수신된 신호와 파일럿 심볼을 채널의 Coherence Bandwidth에 따라

개의 부블록으로 나누어주는 부블록 생성기; 각 부블록 내의 위상을 동일하게 회전시켜주는 위상변환기; 부블록별로 파일럿을 더하게 되는 합산기, 부블록 생성기, 위상변환기, 합산기를 거친 수신 정보와 파일럿 정보부간의 상관값을 계산하는 상관기; 상관기를 통해서 계산되어진 값들 중 가장 큰 상관값을 선택하여 최종적인 주파수 오차 값을 선택하는 최대우도 선택기;를 포함한다.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 주파수의 오차 추정 방법은, (a) 수신된 신호를 시간축에서 주파수축으로 변환하여 신호를 처리하는 단계; (b) 상기 수신된 신호와 파일럿 정보부의 심볼을 채널의 Coherence Bandwidth에 의 해 결정되어진 K개의 부블록으로 나누어준 후, 각 부블록 내의 위상을 동일하게 변환시키고 부블록 내의 파일럿들을 전부 더해주는 단계; (c) 상기(b)단계를 통하여 계산되어진 파일럿과 수신심볼의 상관값을 계산하는 단계; (d) 계산된 상관값을 이용한 최대 우도 방법을 적용하여 최종적인 정확한 주파수 오차 값을 선택하는 단계; 를 포함한다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 정수배 주파수 오차 추정 방법을 적용하는 OFDM 시스템을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 OFDM 기반 와이브로 시스템에서의 정수배 주파수 오차 추정 방법의 개념을 도시한 것이다.

도 1에서 보는 바와 같이 본 발명에서는 종래의 단일 심볼 파일럿을 사용하는 Nogami 방법에서 모든 파일럿 심볼들을 기존에 알고 있는 파일럿 심볼과 상관값을 계산하는 대신에, 채널의 Coherence Bandwidth에 따라 전체 파일럿을 K개의 부블록으로 나누어 준 후 각 부블록내의 파일럿들을 동일한 위상으로 변환시킨다. 그 이후 각 부블록 내의 파일럿을 더한 후 최종적으로 주파수 오차 추정을 위해 동일하게 변환된 파일럿 심볼들과 상관값을 취하게 된다.

도 1의 추정장치는, 수신된 신호를 시간축에서 주파수축으로 FFT 변환하여 신호를 처리하는 고속푸리에변환부(110), 전체 파일럿 정보로 구성되어지는 파일럿 정보부(120), 미리 알고있는 채널의 Coherence Bandwidth에 따라 전체 심볼을 K개의 부블록으로 나누는대 사용되는 부블록 생성기(130), 수신된 심볼과 파일럿 정보부의 심볼을 기준 파일럿에 맞추어 동일하게 위상을 변환 시켜주는대 사용되어지는 위상 변환기(140), 위상 변환시켜준 부블록내의 모든 파일럿을 더하는 합산기(150), 변환된 파일럿 심볼들과 변환된 수신심볼들의 상관값을 계산하는 상관기(160), 상관기(170)로부터 받은 상관값을 이용한 최대 우도 방법을 적용하여 최종적인 정확한 주파수오차 값을 선택하는 최대우도 선택기를 포함한다.

이때에 상기 수신된 신호에 삽입되어 있는 파일럿 심볼은 하나의 OFDM 신호에 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 변조방식을 통해 생성되며, 최대우도선택기는 상관값을 내림차순으로 정렬한 후 그 중의 최대값을 정확한 주파수오차 값으로 선택한다.

도 2는 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 방법의 흐름을 도면화한 것이다. 이 방법은 도 1의 장치에 의해 실행된다.

주파수축으로 변환된 수신신호를 순환 시프트 시키고(200 단계), 부블록 별로 동일한 위상으로 변환시켜주며(210 단계), 부블록 단위로 위상변환된 심볼을 더한 후(220 단계), 부블록으로 나누어진 파일럿 정보부의 값을 공액 복소수로 변환하고(230 단계), 수신신호와 파일럿의 상관값을 구한 후(240 단계), 부블록 단위로 따로 구해진 상관값을 전부 더하게 된다(250 단계).

이 경우 200 단계에서 수신심볼의 순환 시프트 연산은 최대 발생 가능한 주파수 오차 범위 내에서 그 계산을 실행한다.

본 발명에 따른 OFDM 기반 와이브로 시스템의 정수배 주파수 오차 추정 방법에 의하면, Nogami 기법을 적용한 오차 추정 방법을 블록 단위로 나누어진 각각의 수신정보와 파일럿 정보를 블록단위로 합한 후 각각 추정하여 계산 복잡도를 줄여 실제 구현 시 하드웨어 복잡도를 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 다음과 같은 수학식1 내지 수학식 6을 참조하여 설명한다.

본 발명은 송신단에서

개의 부 반송파를 가지는 OFDM 기반의 와이브로 시스템 송신 신호를 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform : IFFT)의해 발생시키며, 프리앰블은 5ms에 한 번씩 전송되며 이는 하나의 OFDM 심볼로 구성된다. 프리앰블에는 송신단과 수신단에서 각각 알고 있는 위치에 파일럿 심볼이 삽입되어 있다.

송신단에서의 생성되는 심볼들의 역 고속 푸리에 변환(IFFT) 이후의 송신 신호는 다음과 같다.

여기서 각각의 OFDM 심볼은

개의 부 반송파를 사용하며,

는 QPSK 변조기법을 사용하여 변조된 데이터,

는 인접 심볼간의 간섭(Inter-Symbol Interference : ICI)을 방지하기 위하여 채널 충격 응답보다 길게 설정한 해당 심 볼의 순환 전치 구간이다.

OFDM 시스템에서 시간 동기 오차와 소수배 주파수 동기 오차는 도 1에서 고속푸리에변환(110) 과정 후에 ICI를 유발하므로 정수배 주파수 오차를 추정하기 전 훈련 심볼을 통하여 보상이 되어야 하는데, 이는 종래의 여러 방법들을 통하여 보상이 되어진다고 가정한다.

본 발명은 FFT 과정 후 주파수축에서 이루어지는 Nogami 방법의 개선을 통하여 복잡도를 줄이게 된다. 이에 따라 소수배 주파수 오차 및 시간 동기 오차는 완벽하게 보상이 되었을 때의 주파수축에서의 OFDM 심볼은 다음과 같이 표현된다.

여기에서

은

의

만큼 순환 이동 된 심볼이고,

은 채널의 주파수 응답이며,

은 평균이 0인 복소 가산성 백색 가우시안 잡음이다.

본 발명에서는 복잡도를 낮추기 위한 방법과, 성능 향상을 위한 두 가지 방법이 사용되어진다. 종래의 방법에 비해 성능의 향상을 위하여 수신된 OFDM 심볼

는

개의 부 블록으로 나누어서 각각의 부블록 별로 상관값을 구성하게 된다. 전체 부 블록의 개수

는 다음과 같은 수학식으로 계산되어진다.

여기에서

는 시스템의 전체 Bandwidth를 나타내며,

는 채널의 Coherence Bandwidth를 나타낸다. 결과적으로 전체 파일롯 심볼의 인덱스의 집합

은

같이

개의 부블록으로 나누어진다. 여기서

는

번째 부 블록에 존재하는 파일롯 심볼 인덱스 집합을 의미한다.

복잡도를 낮추기 위하여 각각의 부블록별로 파일럿들의 위상을 동일하게 변환시킨 후 더하게 된다. 이 과정은 다음과 같이 수학식 4를 통하여 계산되어진다.

파일럿 심볼은 QPSK 변조 기법을 사용하기 때문에,

는

중 하나의 값으로

가

번째 부블록의 첫 번째 파일럿 심볼의 위상과 동일한 위상을 갖도록 선택된다. 이렇게 결정되어진

를 저장해 두었다가 상관값을 계산하기 위해 수신 신호에 대해서도 부 반송파별로 동일한 값을 곱하여 블록별로 상관값을 구하며, 이는 수학식 5와 같다.

수학식 4와 5를 이용하여

개의 후보군의 상관값을 계산하여 가장 큰 값을 추정 값으로 결정하게 되는데 이는 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.

여기서

은 수신기단에서 발생 가능한 정수배 주파수 오차의 범위를 나타내는 변수이다. 수학식 6에서 확인 가능하듯이 상관값 계산에 사용되어지는 데이터는 수학식 3에 의해서 결정되어진

개의 값들로만 연산이 됨으로 기존의 전체 부반송파를 사용하는 경우 비해서

배 만큼 곱셈 연산이 감소함을 알 수 있다. 상기 수학식 4에서 수학식 6을 회로도로 도시하면, 도 2와 같다.

도 2에서 전체 파일럿 심볼은

개의 부블록으로 나누어진 후 계산되어진 값을 사용하여 부블록 별로 모든 심볼이 동일한 위상을 갖도록 변조된다. 이후 부 블록 내의 모든 심볼을 더한 후 동일한 과정을 거친 변환된 수신심볼을 사용하여 각 부블록 별로 추정을 한 후 그 결과값을 더해서 최종적인 추정값을 선택하게 된다.

구체적으로, 도 1에서 부블록 생성기(110)에서

개의 부블록으로 나누어진 수신단과 파일럿 정보부는 각각 위상변환기(120)와 합산기(130)를 거쳐 상관기(140)에서

개의 상관값을 계산하게 된다. 최종적으로 최대우도 선택기(150)를 통해 추정하고자 하는 정확한 주파수 오차 값을 구할 수 있다.

본 발명은 상기 수학식 5에서 나타내는 것과 같이 주파수 오차 추정기에 요구되는 계산 복잡도는 채널에 의해 결정되는

값에 의하여 달라진다. 본 발명에 따른 방법과 Nogami 방식에서 요구된 복소수 덧셈 연산수는

로 동일하다. 반면에, 제안 방법의 복소 곱셈수는

이며, Nogami 방법의 복소수 곱셈 연산수와 덧셈 연산수는

로 나타 낼 수 있다. 만약 복소수의 곱과 합에 대한 연산이 같은 수준의 복잡도를 가진다면 제안된 방법이 종래의 Nogami 방법보다 항상 낮은 복잡도를 갖게 됨을 알 수 있다.

본 발명은 이러한 사항들을 통하여 실제 구현 시 복잡도를 종래의 방법보다 낮출 수 있다.

도 3에서는,

,

, 이동속도

인 채널 환경에서 소 수배 주파수 오차가 없는 경우에 제안된 방법과 종래의 Nogami 방법에 대한 정수배 주파수 오차 추정 실패 확률을 보여준다. 도 4에서, 제안한 방법은 부블록으로 나누어지기 때문에 전체 AWGN이 가중되어, 낮은 SNR에서는 기존의 방법보다 낮은 성능을 보임을 알 수 있다. 하지만, SNR=-12dB 이상부터는 기존의 방법에 비해 보다 좋은 성능을 갖기 시작하며, SNR이 높아질수록 점점 더 큰 성능차를 보임을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 장치의 구성의 예를 블록으로 도시 한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 주파수 오차 추정 방법의 구성을 보인 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 정수배 주파수 오차 추정방법과 Nogami 기법의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.

Claims (6)

1. 수신된 심볼과 파일럿 정보부를 Coherence Bandwidth에 따라

   

   개의 부블록으로 나누어주는 부블록 생성기

   

   여기에서

   

   는 시스템의 전체 Bandwidth를 나타내며,

   

   는 채널의 Coherence Bandwidth;

   각 부블록 별로 파일럿 정보부를 동일한 위상으로 변환시켜주며 이에의해 결정된 위상회전량을 수신신호에 곱해주는 위상변환기;

   위상 변환된 각 심볼을 블록 단위로 합산해주는 합산기;

   수신된 심볼을 순환 이동시켜가며 각 부블록 단위로 파일럿 정보부와의 상관값을 계산하여 부블록 별로 계산된 상관값을 전부 더해주는 상관기;

   제안된 정수배 주파수 오차 추정기의 전체 추정 범위인

   

   개의 후보 상관값 중 가장 큰 상관값을 구하여 최종적으로 정수배 주파수 동기 오차 값을 추정하는 최대우도 선택기;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수배 주파수 동기 오차 추정 장치
2. 제1항에 있어서,

   상기 부블록 생성기는 수신된 신호 및 파일럿 정보부를 채널의 Coherence Bandwidth에 따라 부블록으로 나누어주는 것을 특징으로 하는 정수배 주파수 오차 추정 장치
3. 제1항에 있어서,

   상기 위상변환기는 부블록 생성기를 통해 생성된 각 부블록 단위로 특정 위상회전량을 곱하여 각 부블록 내의 파일럿 정보부가 동일한 위상을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 정수배 주파수 오차 추정 장치
4. 제3항에 있어서,

   상기 위상변환기의 수신신호의 위상회전량은 각 수신신호의 위상값과 상관없이 파일럿 정보부와 동일한 위상회전량을 사용하여 위상회전을 시켜주는 것을 특징으로 하는 정수배 주파수 오차 추정 장치
5. 제1항에 있어서,

   상기 합산기는 위상변환기를 통해 파일럿 정보부 기준으로 동일한 위상을 갖는 심볼들을 더하는 것을 특징으로 하는 정수배 주파수 오차 추정 장치
6. 제1항에 있어서,

   상기 상관기는 각 부블록별로 구해진 상관값을 모두 더해서 결정하는 것을 특징으로 하는 정수배 주파수 오차 추정 장치

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