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KR101351603B1 - 단일 반송파 ｍｉｍｏ기반의 ｐｎ시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템 및 그 방법 - Google Patents

단일 반송파 ｍｉｍｏ기반의 ｐｎ시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR101351603B1
KR101351603B1 KR1020120092917A KR20120092917A KR101351603B1 KR 101351603 B1 KR101351603 B1 KR 101351603B1 KR 1020120092917 A KR1020120092917 A KR 1020120092917A KR 20120092917 A KR20120092917 A KR 20120092917A KR 101351603 B1 KR101351603 B1 KR 101351603B1
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KR
South Korea
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sequence
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carrier frequency
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KR1020120092917A
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Inventor
김준태
오종규
Original Assignee
건국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 반송파 주파수 오차 추정시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히, 송신되는 각각의 PN 시퀀스들의 위상을 회전시켜 전송하여, 일부 PN 시퀀스들이 서로 상쇄되어 버리는 것을 방지하는 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템에 있어서, 각각의 송신 안테나를 통해 전송되는 PN 시퀀스들의 위상차이가 나도록 회전시키는 위상 회전부(100); 각각의 수신 안테나를 통해 상기 PN 시퀀스들을 수신하는 PN 시퀀스 수신부(200); 상기 PN 시퀀스 수신부를 통해 수신하는 PN 시퀀스들을 합하여 이루는 복소 벡터 값의 가공된 PN 시퀀스를 출력하는 PN 시퀀스 가공부(300); 상기 수신한 PN 시퀀스와 가공된 PN 시퀀스의 공액곱셈 연산을 통해 변조를 제거하는 변조 제거부(400); 및 상기 변조 제거부를 통해 변조 제거된 PN 시퀀스에 다수의 자기상관기를 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정하는 추정부(500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

단일 반송파 ＭＩＭＯ기반의 ＰＮ시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템 및 그 방법{System for estimating carrier Frequency offset using Single-Carrier MiMO and method therefor}
본 발명은 반송파 주파수 오차 추정시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히, 송신되는 각각의 PN 시퀀스들의 위상을 회전시켜 전송하여, 일부 PN 시퀀스들이 서로 상쇄되어 버리는 것을 방지하는 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
우선, 다중입출력(Multi-Input Multi-Output; 이하 'MIMO')에 관해 설명하면, 다음과 같다. 기존의 무선 통신 시스템은 음성 서비스 위주였으며, 열악한 무선 채널 환경을 극복하기 위해 주로 채널 코딩(channelcoding)을 이용하였다. 그러나 고품질의 멀티미디어 서비스가 요구됨에 따라, 기존의 음성 위주의 통신에서 데이터 중심의 통신으로 변화하게 되었다. 따라서, 이를 실현하기 위해서 많은 양의 데이터를 더욱 빨리 그리고 오류가 적게 보내는 기술이 요구되었다. 그러나 이동통신 환경은 다중경로, 음영효과, 전파감쇠, 간섭 등의 영향으로 인해 신호를 크게 왜곡시킨다. 특히, 다중경로에 의한 페이딩 현상은 서로 다른 경로를 거쳐 수신되는 서로 다른 크기와 위상을 갖는 신호의 합에 의해, 신호의 심각한 왜곡을 초래한다. 이같은 페이딩 현상을 극복하기 위해 MIMO 시스템이 제안되었다.
MIMO 시스템은 기존의 단일 입출력(Single Input Single Output; 이하 'SISO') 시스템과 달리, 송신 측과 수신측의 안테나를 여러 개 사용한다. 여러 개의 안테나를 통해 여러 신호를 송수신하며, 이를 통해 대역폭(bandwidth)을 더 이상 확장하지 않고도 기존의 시스템보다 효율적으로 데이터를 전송할 수 있다.
최근 단일 반송파 기반의 주파수 축 등화(Single Carrier Frequency Domain Equalization, SC-FDE) 기법을 채용한 SISO (Single-Input Single Output) 시스템에 대해 많은 연구들이 진행되었다([1]N. Benvenuto, and S. Tomasin, "Iterative Design and Detection of a DFE in the Frequency Domain," IEEE Trans. Commun., vol. 53, no. 11, pp. 1867-1875, Nov. 2005., [2]D. Falconer, S. L. Ariyavisitakul, A. Benyamin-Seeyar, and B. Eidson, "Frequency domain equalization for single-carrier broadband wireless systems," IEEE Commun. Mag., no. 4, pp. 58??66, Apr. 2002.).
이러한 시스템의 경우, 프레임 단위로 데이터를 전송하며, 다중경로 채널에 대한 보호구간으로 CP (Cyclic Prefix), ZP (Zero Padding), 또는 PN (Pseudo Noise) 시퀀스 등을 채용한다. 이 중 PN 시퀀스를 보호구간으로 이용할 경우, 보호 구간으로 이용할 수 있을 뿐만 아니라 채널 추정에도 이용할 수 있어 주파수 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
BPSK로 변조되어 전송되는 PN 시퀀스는 약속된 심벌이기 때문에 수신기를 위한 반송파 동기에 이용될 수 있다. 단일 반송파 SISO 시스템 기반의 약속된 심벌을 이용한 ML(Maximum Likelihood)방식의 주파수 오차 추정 알고리듬들([3] M. Luise and R. Reggiannini, "Carrier frequency recovery in all-digital modems for burst-mode transmissions, " IEEE Trans. Commun., vol. 43, no. 2/3/4, pp. 1169-1178, Feb./Mar./Apr. 1995., [4] M. P. Fitz, "Planar filtered techniques for burst mode carrier synchronization," in Proc. IEEE Globecom' 91, Phoenix, AZ, Dec. 1991.)이 잘 알려져 있다.
종래, 국내등록특허 제1084146호, "주파수 오차 측정 방법" 외에 다수 출원된 바 있다. 종래기술에 의하면, 다수의 직교 부반송파를 사용하여 2 이상의 안테나를 통해 신호를 전송하는 시스템에 적용되는 주파수 오차 측정방법에 있어서, 2 이상의 안테나 각각에서 전송되는 0번 및 1번 전치부호 심볼을 수신하는 단계;, 상기 2 이상의 안테나를 통해 전송된 신호의 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio; 이하 'SNR')를 측정하는 단계; 상기 전치부호 심볼들을 샘플링하기 위해 상기 0번 전치부호 심볼을 이용하여 시간 동기를 획득하는 단계; 상기 SNR이 미리 설정된 기준치 이하인 경우, 일정한 수 이상의 전치부호 심볼을 샘플링하는 단계; 및 상기 샘플링된 전치부호 심볼 위상값들의 기대치(expectation)를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 전치부호 심볼 위상값들의 기대치는 상기 주파수 오차인 것을 특징으로 한다.
단일 반송파 MIMO 시스템을 위해 보호구간으로 PN 시퀀스를 채용하고, 이를 이용한 MIMO 채널 추정([5] S. Ren, J. Guo, and H. Xiang, "A PN-based channel estimation algorithm in MIMO-single carrier frequency-domain equalization system," in Proc. Wireless Communications, Networking and Mobile Computing' 2007, Beijing , China, Sept. 2007.)을 하는데 있어서, 필수적으로 견고하고 정확한 심벌 및 반송파 동기를 전제로 하고 수행되므로, 심벌 및 반송파 동기부에서의 성능 열화는 채널 추정부의 성능 열화를 야기하고, 나아가서는 전체적인 수신 성능 열화를 가져온다.
심벌 타이밍 복구의 경우, 기존의 단일 반송파 SISO시스템에서 널리 사용되는 Spectral Line Extraction기법([6] F.M. Gardner, "A BPSK/QPSK timing error detector for sampled receiver," IEEE Trans. On Comm., COM-34, pp. 423-429, May, 1986.)을 단일 반송파 MIMO시스템에 적용하여도 큰 무리가 없는 반면, 반송파 주파수 동기 복구 기법에 대해서는 많은 연구가 수행되지 않은 실정이다.
단일 반송파 MIMO시스템에서는 각각의 채널 추정을 위해 서로 상관성이 없는 PN 시퀀스를 각각의 송신 안테나를 통해 전송하며, 각각의 수신 안테나를 통해 합쳐져서 수신된다. 하지만 송신되는 서로 다른 두 개의 PN 시퀀스의 위상 차이가 π일 경우, 서로 다른 두 개의 PN시퀀스가 상쇄되어 수신 PN 시퀀스는 아주 작은 벡터 값을 가지게 되므로 반송파 주파수 오차 추정에 이용하기가 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단일 반송파 MIMO 시스템 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정 방법을 제공함에 있다. 또한 송신되는 각각의 PN 시퀀스들의 위상을 회전시켜 전송하여, 일부 PN 시퀀스들이 서로 상쇄되어 버리는 것을 방지함에도 목적이 있다.
본 발명은 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템에 있어서, 각각의 송신 안테나를 통해 전송되는 PN 시퀀스들의 위상차이가 나도록 회전시키는 위상 회전부(100); 각각의 수신 안테나를 통해 상기 PN 시퀀스들을 수신하는 PN 시퀀스 수신부(200); 상기 PN 시퀀스 수신부를 통해 수신하는 PN 시퀀스들을 합하여 이루는 복소 벡터 값의 가공된 PN 시퀀스를 출력하는 PN 시퀀스 가공부(300); 상기 수신한 PN 시퀀스와 가공된 PN 시퀀스의 공액곱셈 연산을 통해 변조를 제거하는 변조 제거부(400); 및 상기 변조 제거부를 통해 변조 제거된 PN 시퀀스에 다수의 자기상관기를 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정하는 추정부(500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 위상 회전부(100)는, 제1 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00001
)와 제2 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00002
)가 서로 직각 위상(
Figure 112012068185746-pat00003
)을 가지도록 상기 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00004
)의 위상을 회전시키는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 위상 회전부(100)는, 제1 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00005
)와 제2 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00006
)와 제3 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00007
)가 서로 120도의 위상차이가 나도록 상기 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00008
) 및 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00009
)의 위상을 회전시키는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 PN 시퀀스 가공부(300)는, 상기 위상 회전부를 통해 위상차이를 갖는 PN 시퀀스들을 합하여 가공되는 복소 벡터값의 PN 시퀀스[수학식 6]를 출력하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 6]
Figure 112012068185746-pat00010
또한 바람직하게 상기 추정부(500)는, 상기 변조 제거부를 통해 변조 제거된 PN 시퀀스에 다수의 자기상관기[수학식7]를 이용하여 반송파 주파수 오차[수학식 8]를 추정하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 7]
Figure 112012068185746-pat00011
Figure 112012068185746-pat00012
은 자기상관에 이용되는 PN 시퀀스의 지연 값.
[수학식 8]
Figure 112012068185746-pat00013
Figure 112012068185746-pat00014
는 자기상관기,
Figure 112012068185746-pat00015
는 자기상관기의 개수.
한편, 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정방법에 있어서, (a) 제어부가 각각의 송신 안테나를 통해 전송되는 PN 시퀀스들의 위상차이가 나도록 위상 회전부를 통해 위상을 회전시키는 단계; (b) 상기 제어부가 각각의 수신 안테나를 통해 상기 PN 시퀀스들을 PN 시퀀스 수신부를 통해 수신하는 단계; (c) 상기 제어부가 상기 수신하는 PN 시퀀스들을 합하여 이루는 복소 벡터 값의 가공된 PN 시퀀스를 출력하도록 하는 단계; (d) 상기 제어부가 수신한 PN 시퀀스와 가공된 PN 시퀀스의 공액곱셈 연산을 통해 변조를 제거하는 단계; 및 (e) 상기 제어부가 변조 제거된 PN 시퀀스에 다수의 자기상관기를 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게 상기 제 (a) 단계는, 제1 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00016
)와 제2 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00017
)가 서로 직각 위상(
Figure 112012068185746-pat00018
)을 가지도록 상기 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00019
)의 위상을 회전시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게 상기 제 (a) 단계는, 제1 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00020
)와 제2 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00021
)와 제3 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00022
)가 서로 120도의 위상차이가 나도록 상기 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00023
) 및 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00024
)의 위상을 회전시키는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 단일 반송파 MIMO 시스템 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정 방법을 제공하고, 송신되는 각각의 PN 시퀀스들의 위상을 회전시켜 전송하여, 일부 PN 시퀀스들이 서로 상쇄되어 버리는 것을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템에 관한 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 단일 반송파 MIMO 기반의 시스템에 관한 예시도.
도 3은 단일반송파 MIMO 기반을 위한 프레임 구조도.
도 4는 본 발명에 따른 반송파 주파수 오차 추정시스템의 위상 회전에 관한 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 반송파 주파수 오차 추정시스템의 PN 시퀀스 전송 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 반송파 주파수 오차 추정시스템의 변조 제거에 관한 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 반송파 주파수 오차 추정시스템의 L&R 알고리듬에 관한 예시도.
도 8은 본 발명에 따른 반송파 주파수 오차 추정시스템의 모의실험 결과 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정방법에 관한 흐름도.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 본 발명에 따른 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템에 대해 첨부한 예시도면을 토대로 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템은 위상 회전부(100), PN 시퀀스 수신부(200), PN 시퀀스 가공부(300), 변조 제거부(400), 추정부(500)를 포함하여 구성된다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 단일반송파 MIMO시스템에서 송신 신호의 원활한 수신을 위해 채널 추정 & 등화 및 심벌 검출에 앞서, 견고하고 정확한 동기가 이루어져야 한다. 일반적으로 수신기의 동기부는 심벌 타이밍 동기부, 프레임검출부, 반송파 동기부로 구성되고, 특히 반송파 동기부는 주파수 동기부와 위상 동기부로 이루어진다. MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)시스템에서의 심벌 타이밍 동기부의 경우, 기존 SISO(Single-Input Single-Output)시스템에서 사용되는 Spectral Line Extraction 계열의 기법을 이용하면 큰 무리없이 동기 복구가 가능하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 단일반송파 MIMO 기반을 위한 프레임 구조는 보호구간 및 데이터 심벌구간으로 이루어지는데, PN 시퀀스 및 Chu 시퀀스의 경우, 보호구간으로의 역할뿐만 아니라 동기 복구 및 채널 추정에 이용되는 훈련열(Training Sequence)로 이용될 수 있는 장점이 있다.
보호구간으로 이용되는 PN시퀀스는 순환 M-Sequence이며,
Figure 112012068185746-pat00025
다음의 Shift Register를 이용해서 생성되고, BPSK로 변조되어 전송된다.
Figure 112012068185746-pat00026
본 발명은 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템은 송신 안테나가 2개, 그리고 수신 안테나가 2개인 MIMO 시스템을 고려하였으며, 보호구간으로 PN 시퀀스를 이용하였다.
여기서, 각 송신 안테나를 통해 송신되는 각각의 PN 시퀀스는 동 위상에서 최대의 교차 상관 (Cross-Correlation) 값을, 그리고 다른 위상에서는 ??1의 교차 상관 값을 가지는 M-Sequence이며, BPSK로 변조되어 전송된다. 또한 MIMO 채널 추정을 위하여 송신 안테나 별로 각기 다른 종류 (서로간의 교차 상관 값이 ??1을 가지는) PN 시퀀스를 이용하여 전송한다.
우선, 위상 회전부(100)는, 첫 번째 송신 안테나를 통해 수신된 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00027
)와 두 번째 송신 안테나를 통해 수신된 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00028
)가 서로 직각 위상(
Figure 112012068185746-pat00029
)을 가지도록 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00030
)의 위상을 회전시켜 전송하는 기능을 수행한다.
여기서, 위상 회전부는 도 4에 도시된 바와 같이, 동 위상을 가지는 전송 PN 시퀀스들간의 상쇄로 인한 문제를 해결하기 위하여 각각의 송신 안테나를 통해 전송되는 PN시퀀스들의 위상을 달리한다. 이때 송신 안테나가 2개일 경우, 90도의 위상 차이가 나도록 하고, 3개일 경우, 120도의 위상차이가 나도록 한다.
다음으로 PN 시퀀스 수신부(200)는 서로 다른 종류의 PN 시퀀스들을 각각의 송신 안테나를 통해 전송할 때, 이상적인 심벌 타이밍 및 프레임 동기를 가정하고 AWGN 채널에서, 각각의 수신 안테나를 통해 PN 시퀀스들을 수신하는 기능을 수행한다.
다음으로 PN 시퀀스 가공부(300)는 상기 수신하는 PN 시퀀스들을 합하여 이루는 복소 벡터 값의 가공된 PN 시퀀스를 출력하는 기능을 수행한다.
다음으로 변조 제거부(400)는 수신한 PN 시퀀스와 가공된 PN 시퀀스의 공액곱셈 연산을 통해 변조를 제거한다.
그리고 추정부(500)는 다수의 자기상관기를 이용한 ML알고리듬 계열의 L&R을 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정한다.
즉, 수신한 PN 시퀀스와 자체 생성한 PN 시퀀스의 공액곱셈 연산을 통해 변조를 제거한 뒤, 다수의 자기상관기를 이용한 ML알고리듬 계열의 L&R을 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정한다.
이에 대한 컴퓨터 모의실험을 통해, 송신 및 수신 안테나가 두 개인 2x2 MIMO 시스템에 적용하고 L&R 알고리듬을 이용하여 AWGN(Additive White Gaussian Noise)채널에서의 분산 성능을 측정한 결과, MIMO 시스템에서의 분산성능이 SISO 시스템에서의 성능과 거의 동일함을 보였다.
본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 따른 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템은 송신 안테나가 2개, 그리고 수신 안테나가 2개인 MIMO 시스템을 고려하였으며, 보호구간으로 PN 시퀀스를 이용하였다. 서로 다른 종류의 PN 시퀀스들을 각각의 송신 안테나를 통해 전송할 때, 이상적인 심벌 타이밍 및 프레임 동기를 가정하고 AWGN 채널에서 첫 번째 수신 안테나를 통해 수신한 i 번째 PN 시퀀스
Figure 112012068185746-pat00031
는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012068185746-pat00032
이 때,
Figure 112012068185746-pat00033
은 첫 번째 송신 안테나를 통해 수신된 PN 시퀀스를,
Figure 112012068185746-pat00034
는 두 번째 송신 안테나를 통해 수신된 PN 시퀀스를,
Figure 112012068185746-pat00035
는 반송파 주파수 오차를,
Figure 112012068185746-pat00036
는 샘플링 시간을,
Figure 112012068185746-pat00037
는 알 수 없는 불규칙적인 위상을,
Figure 112012068185746-pat00038
는 첫 번째 수신 안테나에서의 백색잡음,
Figure 112012068185746-pat00039
는 PN 시퀀스의 길이,
Figure 112012068185746-pat00040
는 송신된 각각의 PN 시퀀스들이 합쳐져 이루는 복소 벡터 값을 나타낸다.
송신되는 각각의 PN 시퀀스는 동 위상에서 최대의 교차 상관 (Cross-Correlation) 값을, 그리고 다른 위상에서는 -1의 교차 상관 값을 가지는 M-Sequence이며, BPSK로 변조되어 전송된다.
또한 도 5에 도시된 바와 같이, MIMO 채널 추정을 위하여 송신 안테나 별로 각기 다른 종류 (서로간의 교차 상관 값이 -1을 가지는) PN 시퀀스 각각의 송신 안테나를 통해 전송한다.
다음으로, 각각의 PN 시퀀스들을 동일한 위상으로 전송할 때, 이상적인 채널 환경에서 수신되는
Figure 112012068185746-pat00041
는 식(2)와 같다.
Figure 112012068185746-pat00042
이 때,
Figure 112012068185746-pat00043
은 PN 시퀀스의 위상을 나타낸다.
이 중
Figure 112012068185746-pat00044
과
Figure 112012068185746-pat00045
의 위상 차이가
Figure 112012068185746-pat00046
인 경우,
Figure 112012068185746-pat00047
는 '0'에 해당하는 값을 가지게 되거나, 식(1)과 같이 주파수 오차로 인한 위상의 변화를 고려하더라도 파워가 작은 벡터 값을 가지게 된다. 이 때문에,
Figure 112012068185746-pat00048
를 이용하여 정확한 반송파 주파수 오차를 추정하기가 어렵다. 이 때문에
Figure 112012068185746-pat00049
가
Figure 112012068185746-pat00050
의 값을 가지고 연속적일 때에만 인접한
Figure 112012068185746-pat00051
의 위상차를 통해 주파수 오차를 추정할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 수신한 PN 시퀀스 (y(k))와 수신기에서 자체 생성한 PN 시퀀스(PNTx *(k))의 공액곱셈을 수행하고, 이를 통해 수신 신호의 변조를 제거한다.
즉, 먼저 수신한
Figure 112012068185746-pat00052
와 자체 생성한
Figure 112012068185746-pat00053
의 공액곱셈 연산을 통해 변조를 제거해야 하며, 다음과 같이 쓸 수 있다
Figure 112012068185746-pat00054
이 때,
Figure 112012068185746-pat00055
은 PN 시퀀스의 공액 복소수를 뜻하며,
Figure 112012068185746-pat00056
는 일정한 상수를 뜻한다.
이 후,
Figure 112012068185746-pat00057
가
Figure 112012068185746-pat00058
의 값을 가지고 연속적일 때에만 연속한
Figure 112012068185746-pat00059
와
Figure 112012068185746-pat00060
간의 위상차를 통해 반송파 주파수 오차를 추정하며 잡음항인
Figure 112012068185746-pat00061
을 무시할 경우, 반송파 주파수 오차 추정 식을 식(4)-식(5)와 같이 쓸 수 있다.
Figure 112012068185746-pat00062
Figure 112012068185746-pat00063
이 때,
Figure 112012068185746-pat00064
는 x의 위상을 뜻하며,
Figure 112012068185746-pat00065
는 식(4)-식(5)에서 함수
Figure 112012068185746-pat00066
가 계산된 횟수를 뜻하는 계수 인자(Scaling Factor)이며, 그리고
Figure 112012068185746-pat00067
는 추정된 정규화 반송파 주파수 오차를 뜻한다.
앞에서 설명한 것처럼, 동일한 위상으로 PN 시퀀스들을 전송할 때의 문제점인 동위상을 가지는 전송 PN 시퀀스들간의 상쇄로 인한 문제점을 해결하기 위해서, 각각의 PN 시퀀스들의 위상을 회전시켜 전송하는 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 다음과 같다.
송신 & 수신 안테나가 각각 2개인 2x2 MIMO 시스템의 경우,
Figure 112012068185746-pat00068
와
Figure 112012068185746-pat00069
가 서로 직각 위상(
Figure 112012068185746-pat00070
)을 가지도록
Figure 112012068185746-pat00071
의 위상을 돌려서 전송한다. 이 때, 이상적인 채널 환경에서 수신되는
Figure 112012068185746-pat00072
는 식(6)과 같다.
Figure 112012068185746-pat00073
식(6)에서 보듯이 제안한 기법과 같이 PN 시퀀스를 회전시켜 전송할 경우, 모든 경우에 대해
Figure 112012068185746-pat00074
를 이용하여 주파수 오차를 추정할 수 있다. 연속된 모든
Figure 112012068185746-pat00075
를 이용할 수 있으므로, 도 7에 도시된 바와 같이, 기존에 알려진 ML 방식의 주파수 추정 알고리듬을 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정할 수 있다. 이 중 L&R 알고리듬을 이용하여 주파수 추정을 하기 위해선, 식(3)과 같이 수신한
Figure 112012068185746-pat00076
와 수신기에서 자체 생성한
Figure 112012068185746-pat00077
의 공액곱셈 연산을 통해 변조를 제거해야 한다. 이후 z(i)의 자기상관함수 R(m)을 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112012068185746-pat00078
이 때, m은 자기상관에 이용되는 PN 시퀀스의 지연 값을 뜻한다.
L&R 알고리듬은 다수의 자기상관기 R(k)를 이용하여 식(3)에서의 잡음항인
Figure 112012068185746-pat00079
의 영향을 줄여 정확하게 반송파 주파수 오차를 추정하며, 주파수 오차는 식(8)과 같이 구할 수 있다.
Figure 112012068185746-pat00080
이 때,
Figure 112012068185746-pat00081
는 자기상관기의 개수를 뜻한다.
도 8은 제안된 전송 기법을 2x2 MIMO 시스템에 적용하였을 때와 기존 SISO시스템에서의 추정 주파수 오차의 분산 성능을 나타낸 그림이다. L&R 알고리듬을 이용하였으며, PN 시퀀스는 200개, 그리고 자기상관기 v는 최대 8개까지 이용하여 심벌 속도 대비 1%의 주파수 오차를 추정하였다.
수신한 PN 시퀀스와 수신기에서 자체 생성한 PN 시퀀스의 공액곱셈 연산을 통해 변조를 제거한 뒤, 다수의 자기상관기를 이용한 ML알고리듬 계열의 L&R을 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정한다.
이에 대한 컴퓨터 모의실험을 통해, 송신 및 수신 안테나가 두 개인 2x2 MIMO 시스템에 적용하고 L&R 알고리듬을 이용하여 AWGN(Additive White Gaussian Noise)채널에서의 분산 성능을 측정한 결과, MIMO 시스템에서의 분산성능이 SISO 시스템에서의 성능과 거의 동일함을 보였다.
본 발명에서는 단일 반송파 MIMO 시스템 기반의 PN시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정 알고리듬을 제안하였다. 제안된 직각 위상을 가지는 PN 전송기법 및 수신 PN 위상 보정기법을 적용하였을 때, AWGN 채널상에서 SISO 시스템과 거의 동일한 수준의 분산성능을 보임을 확인하였다.
한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정방법을 살펴보면 다음과 같다.
우선, 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템의 각 구성들을 제어하는 기능을 하는 제어부(600)는 각각의 송신 안테나를 통해 전송되는 PN 시퀀스들의 위상차이가 나도록 위상 회전부를 통해 위상을 회전시킨다(S2).
다음으로 제어부는 각각의 수신 안테나를 통해 상기 PN 시퀀스들을 PN 시퀀스 수신부를 통해 수신한다(S4).
다음으로 제어부는 수신하는 PN 시퀀스들을 합하여 이루는 복소 벡터 값의 가공된 PN 시퀀스를 출력하도록 한다(S6).
다음으로 제어부는 수신한 PN 시퀀스와 가공된 PN 시퀀스의 공액곱셈 연산을 통해 변조를 제거한다(S8).
그리고 제어부는 변조 제거된 PN 시퀀스에 다수의 자기상관기를 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정한다(S10).
또한, 바람직하게 상기 제 (S2) 단계는, 제1 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00082
)와 제2 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00083
)가 서로 직각 위상(
Figure 112012068185746-pat00084
)을 가지도록 상기 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00085
)의 위상을 회전시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게 상기 제 (S2) 단계는, 제1 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00086
)와 제2 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00087
)와 제3 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00088
)가 서로 120도의 위상차이가 나도록 상기 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00089
) 및 PN 시퀀스(
Figure 112012068185746-pat00090
)의 위상을 회전시키는 것을 특징으로 한다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : 위상 회전부 200 : PN 시퀀스 수신부
300 : PN 시퀀스 가공부 400 : 변조 제거부
500 : 추정부 600 : 제어부

Claims (8)

  1. 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템에 있어서,
    각각의 송신 안테나를 통해 전송되는 PN 시퀀스들의 위상차이가 나도록 회전시키는 위상 회전부(100);
    각각의 수신 안테나를 통해 상기 PN 시퀀스들을 수신하는 PN 시퀀스 수신부(200);
    상기 PN 시퀀스 수신부를 통해 수신하는 PN 시퀀스들을 합하여 이루는 복소 벡터 값의 가공된 PN 시퀀스를 출력하는 PN 시퀀스 가공부(300);
    상기 수신한 PN 시퀀스와 가공된 PN 시퀀스의 공액곱셈 연산을 통해 변조를 제거하는 변조 제거부(400); 및
    상기 변조 제거부를 통해 변조 제거된 PN 시퀀스에 다수의 자기상관기를 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정하는 추정부(500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 회전부(100)는,
    제1 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00091
    )와 제2 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00092
    )가 서로 직각 위상(
    Figure 112012068185746-pat00093
    )을 가지도록 상기 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00094
    )의 위상을 회전시키는 것을 특징으로 하는 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 회전부(100)는,
    제1 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00095
    )와 제2 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00096
    )와 제3 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00097
    )가 서로 120도의 위상차이가 나도록 상기 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00098
    ) 및 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00099
    )의 위상을 회전시키는 것을 특징으로 하는 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 PN 시퀀스 가공부(300)는,
    상기 위상 회전부를 통해 위상차이를 갖는 PN 시퀀스들을 합하여 가공되는 복소 벡터값의 PN 시퀀스[수학식 6]를 출력하는 것을 특징으로 하는 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템.
    [수학식 6]
    Figure 112012068185746-pat00100

  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 추정부(500)는,
    상기 변조 제거부를 통해 변조 제거된 PN 시퀀스에 다수의 자기상관기[수학식7]를 이용하여 반송파 주파수 오차[수학식 8]를 추정하는 것을 특징으로 하는 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정시스템.
    [수학식 7]
    Figure 112013105594945-pat00101

    m은 자기상관에 이용되는 PN 시퀀스의 지연 값, Np는 PN 시퀀스의 길이, Z(k)는 수신한
    Figure 112013105594945-pat00121
    와 수신기에서 자체 생성한
    Figure 112013105594945-pat00122
    의 공액곱셈 연산을 통해 변조를 제거한 시퀀스(Z(k)=
    Figure 112013105594945-pat00123
    )
    [수학식 8]
    Figure 112013105594945-pat00102

    R(k)는 자기상관기, v는 자기상관기의 개수, Ts는 샘플링 시간.
  6. 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정방법에 있어서,
    (a) 제어부가 각각의 송신 안테나를 통해 전송되는 PN 시퀀스들의 위상차이가 나도록 위상 회전부를 통해 위상을 회전시키는 단계;
    (b) 상기 제어부가 각각의 수신 안테나를 통해 상기 PN 시퀀스들을 PN 시퀀스 수신부를 통해 수신하는 단계;
    (c) 상기 제어부가 상기 수신하는 PN 시퀀스들을 합하여 이루는 복소 벡터 값의 가공된 PN 시퀀스를 출력하도록 하는 단계;
    (d) 상기 제어부가 수신한 PN 시퀀스와 가공된 PN 시퀀스의 공액곱셈 연산을 통해 변조를 제거하는 단계; 및
    (e) 상기 제어부가 변조 제거된 PN 시퀀스에 다수의 자기상관기를 이용하여 반송파 주파수 오차를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 (a) 단계는, 제1 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00103
    )와 제2 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00104
    )가 서로 직각 위상(
    Figure 112012068185746-pat00105
    )을 가지도록 상기 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00106
    )의 위상을 회전시키는 것을 특징으로 하는 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 (a) 단계는, 제1 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00107
    )와 제2 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00108
    )와 제3 송신 안테나를 통해 수신하는 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00109
    )가 서로 120도의 위상차이가 나도록 상기 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00110
    ) 및 PN 시퀀스(
    Figure 112012068185746-pat00111
    )의 위상을 회전시키는 것을 특징으로 하는 단일 반송파 MIMO 기반의 PN 시퀀스를 이용한 반송파 주파수 오차 추정방법.
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