KR20050046209A - A method for a channel estimation at a time-varying channel in an ofdm system with multiple transmit antennas - Google Patents

A method for a channel estimation at a time-varying channel in an ofdm system with multiple transmit antennas Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 전송 안테나를 사용하고 코움(comb) 방식으로 파일럿을 배치하는 직교주파수 분할 다중(OFDM) 시스템에서 시변 채널에서의 채널 추정 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 직교주파수 분할 다중 시스템(OFDM)에서 시변 채널의 채널 추정 방법은, a) 각각의 OFDM 심볼에 일정한 간격마다 특정 부반송파에 파일럿을 삽입하는 코움 방식(comb-type)으로 파일럿 심볼을 생성하는 단계; b) 코움 방식으로 생성된 파일럿 심볼을 적어도 2개 이상의 다중 전송 안테나를 사용하여 송신단으로부터 시변 채널을 통해 수신단으로 전송하는 단계; c) 다중 전송 안테나를 통해 전송된 신호를 시변 채널을 통해 수신하는 단계; 및 d) 시변 채널의 시간 상관관계를 이용하는 보간 방식으로 채널을 추정하는 단계를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따르면 채널의 시간 상관관계(time correlation)를 이용하여, 채널의 시변성을 고려하여 채널을 추정함으로써 일반적인 채널 추정 방법과 비교하여 더욱 정확한 채널 추정이 가능해진다. 또한 종래의 채널 추정 방법과 동일하게 파일럿이 위치한 각 부반송파별로 채널을 추정함으로써 복잡도의 증가가 낮아지게 된다.The present invention relates to a channel estimation method in a time-varying channel in an orthogonal frequency division multiplex (OFDM) system using multiple transmit antennas and deploying pilots in a comb manner. In the OFDM method according to the present invention, a channel estimation method of a time-varying channel in a OFDM system generates a pilot symbol in a comb-type in which a pilot is inserted into a specific subcarrier at a predetermined interval in each OFDM symbol. Doing; b) transmitting a pilot symbol generated in a comb manner from a transmitter to a receiver through a time-varying channel using at least two or more multiple transmit antennas; c) receiving a signal transmitted through a multiple transmit antenna via a time varying channel; And d) estimating the channel in an interpolation manner using time correlation of time-varying channels. According to the present invention, the channel is estimated using time correlation of the channel, and the channel is estimated in consideration of the time variability of the channel, thereby enabling more accurate channel estimation compared to the general channel estimation method. In addition, as in the conventional channel estimation method, the complexity is reduced by estimating a channel for each subcarrier where a pilot is located.

Description

직교주파수 분할 다중 전송 안테나 시스템에서 시변 채널의 채널 추정 방법 {A method for a channel estimation at a time-varying channel in an OFDM system with multiple transmit antennas}A method for a channel estimation at a time-varying channel in an OFDM system with multiple transmit antennas}

본 발명은 직교주파수 분할 다중 시스템에서 시변 채널의 채널 추정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 다중 전송 안테나를 사용하고 코움 방식으로 파일럿을 배치하는 직교주파수 분할 다중 시스템(Orthogonal Frequency Division Multiplex: "OFDM") 시스템에서 시변 채널에서의 채널 추정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a channel estimation method of a time-varying channel in an orthogonal frequency division multiplexing system. More specifically, an orthogonal frequency division multiplex (OFDM) system using multiple transmission antennas and arranging pilots in a comb manner ) Is a channel estimation method in a time-varying channel in a system.

다중경로 채널을 통해 신호를 전송할 경우, 수신신호는 다중경로에 의한 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference; "ISI")이 발생하게 된다. 특히, 고속 데이터 전송 시에는 심볼의 주기가 채널의 지연 확산보다 작기 때문에 ISI가 더욱 심해져 ISI에 의한 왜곡을 보상하여 송신 신호를 정확히 복원하기 위해서는 복잡한 수신 기법이 필요하게 된다. 이러한 ISI에 의한 신호의 왜곡 현상을 줄이기 위해서는 심볼의 주기가 채널의 지연 확산보다 커야 한다. 이러한 다중경로 채널에서의 왜곡을 간단히 보상할 수 있는 변조 방식으로 직교주파수 분할 다중 방식(OFDM)이 제안되었다. 이러한 OFDM 방식은 단일 반송파를 이용한 전송 방식과는 달리 상호 직교성을 갖는 다수의 부반송파(sub-carrier)를 이용하여 데이터를 전송하게 된다. 즉, OFDM 방식은 입력되는 데이터를 변조에 사용되는 부반송파의 수만큼 직렬 및 병렬 변환을 수행하고, 변환된 각 데이터를 해당 부반송파를 이용해 변조시킴으로써 데이터 전송속도를 그대로 유지시키면서 각 부반송파에서의 심볼 주기를 부반송파의 수만큼 길어지게 한다. 상호 직교성을 갖는 부반송파를 사용하므로 기존의 FDM(Frequency Division Multiplex)에 비해 대역폭 효율이 좋고, 심볼 주기가 길어지게 되므로 단일 반송파 변조 방식에 비해 ISI에 강한 특성을 지닌다.When a signal is transmitted through a multipath channel, an inter-symbol interference ("ISI") is generated in the received signal by the multipath. In particular, in the case of high-speed data transmission, since the period of the symbol is smaller than the delay spread of the channel, the ISI becomes more severe, and a complex reception technique is required to compensate for the distortion caused by the ISI and accurately recover the transmission signal. In order to reduce the signal distortion caused by the ISI, the period of the symbol should be larger than the delay spread of the channel. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) has been proposed as a modulation scheme that can easily compensate for distortion in such a multipath channel. Unlike the transmission method using a single carrier, the OFDM method transmits data using a plurality of subcarriers having mutual orthogonality. That is, the OFDM scheme performs serial and parallel conversion on the input data by the number of subcarriers used for modulation, and modulates the converted data using the corresponding subcarriers to maintain the data rate while maintaining the symbol period in each subcarrier. Lengthens the number of subcarriers. Since subcarriers with mutual orthogonality are used, bandwidth efficiency is better than that of conventional frequency division multiplex (FDM), and symbol periods are lengthened.

상기 OFDM 시스템에서 송신단 및 수신단의 변조 및 복조 과정은 각각 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)와 DFT(Discrete Fourier Transform)를 수행한 것과 같으며, 이는 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)와 FFT(Fast Fourier Transform)를 사용하여 효율적으로 구현할 수 있다. 또한, 채널의 지연 확산보다 긴 보호구간(Guard Interval)을 전송되는 심볼 주기마다 삽입하게 되면 부반송파간의 직교성이 유지되어 부반송파간 간섭(Inter-Carrier Interference: ICI)이 발생하지 않게 되고, 또한 다중경로 채널에 의한 OFDM 심볼이 겹치지 않게 되어 인접된 심볼 상호간의 ISI를 완전히 제거할 수 있다.In the OFDM system, modulation and demodulation processes of the transmitter and the receiver are performed by performing an Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) and a Discrete Fourier Transform (DFT), respectively. This is called an Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) and Fast Fourier Transform (FFT). Can be implemented efficiently. In addition, if a guard interval longer than the delay spread of the channel is inserted for each transmitted symbol period, orthogonality between subcarriers is maintained, thereby preventing inter-carrier interference (ICI) from occurring. OFDM symbols are not overlapped so that ISI between adjacent symbols can be completely removed.

또한, 상기 OFDM 전송 방식은 다중경로 페이딩(fading) 채널에 강하고 대역폭 효율이 높기 때문에 무선 통신 시스템 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 이러한 OFDM을 사용하는 무선랜(WLAN) 표준규격안인 IEEE 802.11a(미국)와 ETSI HIPERLAN/2(유럽)는 최대 54Mbps까지의 전송률을 가지며, 이는 디지털 오디오 방송(DAB)과 디지털 TV 방송(DVB), 비대칭 디지털 가입자선(ADSL)과 같은 고속 인터넷과 인트라넷 접속뿐만 아니라 멀티미디어 응용 분야에 적용된다. 가까운 미래에는 많은 응용 분야에서 시스템 전송률을 높이는 것은 필연시되고 있다. 최근에는 전송률을 높이기 위한 방안으로서, 다중 전송/수신 안테나를 사용하여 용량을 극대화하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.In addition, the OFDM transmission scheme has received much attention in the field of wireless communication systems because it is strong in multipath fading channels and has high bandwidth efficiency. IEEE 802.11a (United States) and ETSI HIPERLAN / 2 (Europe), which are WLAN standards using OFDM, have a transmission rate of up to 54 Mbps, which is digital audio broadcasting (DAB) and digital television broadcasting (DVB). It is applied to multimedia applications as well as high-speed Internet and intranet connections such as asymmetric digital subscriber lines (ADSL). In the near future, increasing the system transfer rate is inevitable in many applications. Recently, as a method for increasing the transmission rate, studies to maximize the capacity by using multiple transmit / receive antennas have been actively conducted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 종래 기술에 다른 OFDM 시스템의 송수신 시스템의 구성 및 채널 추정 방법을 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a configuration and channel estimation method of a transmission and reception system of another OFDM system according to the prior art.

도 1은 일반적인 직교주파수 분할 다중화(OFDM)의 송수신 시스템의 구성이 도시된 블록도이다1 is a block diagram showing a configuration of a transmission / reception system of a general orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)

일반적인 OFDM의 송수신 시스템의 구성은 신호 매핑부(21), 직/병렬 변환부(22), 역고속 퓨리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)부(23), 파일럿 삽입부(24), 병/직렬 변환부(25), 레일레이 페이딩 채널 적용부(26), 합산기(27), 직/병렬 변환부(28), 파일럿 제거부(29), 채널 추정부(30), 고속 퓨리에 변환(FFT)부(31), 채널 등화부(32), 병/직렬 변환부(33), 기저대역 복조기(34)를 포함한다. The general OFDM transmission / reception system includes a signal mapping unit 21, a serial / parallel conversion unit 22, an inverse fast Fourier transform (IFFT) unit 23, a pilot insertion unit 24, a bottle / Serial converter 25, Rayleigh fading channel application unit 26, summer 27, serial / parallel converter 28, pilot remover 29, channel estimator 30, fast Fourier transform ( FFT) section 31, channel equalizer 32, parallel / serial converter 33, baseband demodulator 34.

먼저 송신측의 신호 매핑부(21)는 바이너리 소스가 발생하면 변조 방법에 따라 전송할 데이터, 즉 바이너리 소스를 매핑하는데 통상 QAM 방식으로 매핑하며, 주로 QPSK(Quaternary Phase Shift Keying), 16-QAM, 64-QAM 등의 변조 방식을 사용한다.First, when a binary source occurs, the signal mapping unit 21 of the transmitting side maps the data to be transmitted according to a modulation method, that is, a binary source, by using a normal QAM method, and mainly QPSK (Qualternary Phase Shift Keying), 16-QAM, 64 Use a modulation scheme such as QAM.

그리고, 신호 매핑부(21)에서 매핑된 데이터는 직/병렬 변환부(22)에서 병렬로 변환되고 역고속 퓨리에 변환부(23)를 통해 역퓨리에 변환되고, 파일럿 삽입부(24)에서 파일럿이 삽입된 후에 병/직렬 변환부(25)에서 전송되기 위해 다시 직렬 형태로 변환되어 출력된다. 이때, OFDM 시스템의 송신측에서는 수신측의 복조를 돕기 위해 수신측에 알려진 값인 파일럿 신호를 전송하려는 데이터 사이사이에 삽입하여 전송한다.The data mapped by the signal mapping unit 21 is converted in parallel by the serial / parallel conversion unit 22 and inversely Fourier transformed by the inverse fast Fourier transform unit 23, and the pilot is inserted by the pilot insertion unit 24. After being inserted, it is converted into a serial form and output again to be transmitted from the parallel / serial converter 25. In this case, the transmitting side of the OFDM system inserts and transmits a pilot signal, which is a value known to the receiving side, between data to be transmitted in order to assist the demodulation of the receiving side.

다음에, 병/직렬 변환부(25)를 통해 직렬 형태로 변환 출력되는 데이터는 레일레이 페이딩 채널 적용부(26)를 거쳐 합산기(27)에서 노이즈와 함께 합산되어 직/병렬 변환부(28)에 전송된다.Next, the data output in the serial form through the parallel / serial converter 25 are summed together with the noise in the summer 27 through the Rayleigh fading channel application unit 26 and the serial / parallel converter 28 Is sent).

다음에, 직/병렬 변환부(28)에서 다시 병렬 형태로 변환 출력되는 신호는 파일럿 제거부(29)에서 파일럿 신호가 제거되고, 채널 추정부(30)는 파일럿 신호를 이용하여 OFDM 신호로부터 채널 추정값을 구한다.Next, the pilot signal is removed from the pilot eliminator 29, and the channel estimator 30 removes the signal from the OFDM signal by using the pilot signal. Find the estimated value.

상기 채널 추정부(30)에서 출력되는 신호는 고속 퓨리에 변환부(31)에 입력되어 퓨리에 변환된 후 채널 등화부(32)로 전송된다. 채널 등화부(32)는 채널의 비이상적인 특성 즉, 각종 잡음, 인접 채널과의 간섭, 다중경로 등에 의한 채널 왜곡을 보상해주는 역할을 수행한다.The signal output from the channel estimator 30 is input to the fast Fourier transform unit 31, Fourier transformed, and then transmitted to the channel equalizer 32. The channel equalizer 32 compensates for channel distortion due to non-ideal characteristics of the channel, that is, various noises, interference with adjacent channels, and multipath.

이렇게, 채널 등화부(32)를 통과한 신호는 병/직렬 변환부(33)에서 다시 직렬 형태로 변환되고, 기저대역 복조기(34)를 거쳐 출력신호로 출력된다.In this way, the signal passing through the channel equalizer 32 is converted into serial form again by the parallel / serial converter 33 and output as an output signal via the baseband demodulator 34.

한편, 광대역 모바일 통신 시스템에서, 라디오 채널은 주파수 선택적이고 시변성을 지니고 있다. 이는 OFDM 시스템에서 채널이 주파수축과 시간축 모두에서 동일하지 않음을 나타낸다. 뿐만 아니라, 다중 전송 안테나를 사용할 때, 각 부반송파에서 수신 심볼은 다중 전송 안테나로부터 전송된 심볼들이 독립적으로 페이딩을 겪은 후 중첩되어 들어온다. 따라서, 다중 전송 안테나를 사용하는 모바일 OFDM 통신 시스템에서 채널은 주파수 선택적이고 시변이기 때문에 OFDM 심볼을 복조시키기 전에 효과적인 채널 추정이 필요하다. 이러한 OFDM 시스템에서, 통상적으로 채널 추정은 시간축과 주파수축 격자에서 이미 알고 있는 부반송파에 파일럿을 삽입하고, 이를 이용하여 수행된다.On the other hand, in broadband mobile communication systems, radio channels are frequency selective and time varying. This indicates that the channel in the OFDM system is not the same on both the frequency axis and the time axis. In addition, when using multiple transmit antennas, received symbols in each subcarrier come in superimposed after the symbols transmitted from the multiple transmit antennas undergo fading independently. Therefore, in a mobile OFDM communication system using multiple transmit antennas, the channel is frequency selective and time-varying, so effective channel estimation is needed before demodulating OFDM symbols. In such an OFDM system, channel estimation is typically performed by inserting a pilot into a subcarrier already known in the time and frequency axis grids.

이러한 파일럿을 삽입하는 방법으로는 크게 블록 방식(block-type)과 코움 방식(comb-type)으로 두 가지가 있다. 블록 방식은 파일럿을 임의의 특정한 OFDM 심볼의 모든 부반송파에 파일럿을 삽입하고 이런 심볼들을 주기적으로 반복하는 방식을 말한다. 상기 블록 방식은 파일럿이 모든 부반송파에 포함되므로 채널의 주파수 선택적인 특징에 상대적으로 강하게 되어, 시간상으로 채널의 변화가 느린 경우(slow-fading 채널)에 적합하고, 주파수 영역에서의 보간법이 필요 없어 주파수 선택적 페이딩에 상대적으로 강한 파일럿 심볼 배치 방식으로 알려져 있다.There are two ways to insert such pilots, block-type and comb-type. The block scheme refers to a scheme in which a pilot is inserted into all subcarriers of a specific OFDM symbol and the symbols are periodically repeated. In the block method, since the pilot is included in all subcarriers, it is relatively strong in the frequency selective characteristic of the channel, and is suitable for a slow channel change (slow-fading channel) in time, and does not require interpolation in the frequency domain. It is known to have a pilot symbol placement scheme that is relatively strong against selective fading.

또한, 코움 방식은 매 OFDM 심볼에 일정한 간격마다 특정 부반송파에 파일럿을 삽입하는 방식을 말하며, 상기 블록 방식에 비해 빠른 페이딩에 강한 파일럿 심볼 배치 방식으로 알려져 있다. 그러나, 일정한 간격마다 파일럿 심볼을 삽입하므로 매 OFDM 심볼마다 파일럿 심볼을 이용해 반송파의 이득을 추정해야 하므로 주파수 선택적 페이딩에 상대적으로 약한 것으로 알려져 있다.In addition, the comb method refers to a method of inserting a pilot in a specific subcarrier at regular intervals in every OFDM symbol, and is known as a pilot symbol placement method that is stronger in fading than the block method. However, since the pilot symbols are inserted at regular intervals, the gain of the carrier must be estimated using the pilot symbols for each OFDM symbol.

상기 두 방식에서 데이터와 파일럿이 들어가는 비율이 같다고 가정하였을 때, 코움 방식이 재전송률이 높다. 따라서 코움 방식은 시간상으로 채널의 변화가 빠른 환경(fast-fading 채널)에 보다 적합하다.Assuming that the ratio of data and pilot in the two schemes is the same, the comb scheme has a high retransmission rate. The comb method is therefore better suited for fast-fading channels.

또한, 상기 OFDM은 여러 개의 반송파를 사용하는 다수 반송파 전송 기법으로서 반송파의 수에 비례해 신호의 전송 주기가 증가하게 된다. 이 경우 고속 데이터 전송시 발생하는 주파수 선택적 채널에 의한 심볼간 간섭을 없앨 수 있으며 결과적으로 주파수 비선택적 채널로 근사화해 처리할 수 있게 된다. 이러한 다수 채널에 의한 신호처리는 도 1을 다시 참조하면, 송신단에서 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform), 수신단에서는 FFT를 이용해 고속으로 구현할 수 있다.In addition, the OFDM is a multi-carrier transmission scheme using a plurality of carriers, the signal transmission period is increased in proportion to the number of carriers. In this case, inter-symbol interference caused by the frequency selective channel generated in the high-speed data transmission can be eliminated, and as a result, it can be processed by approximating to the frequency non-selective channel. Referring to FIG. 1 again, such multi-channel signal processing may be implemented at high speed by using an inverse fast fourier transform (IFFT) at a transmitter and an FFT at a receiver.

도 2는 일반적인 다중 전송 안테나를 사용하는 모바일 OFDM 시스템의 개략적인 블록도이며, 도 3은 일반적인 코움 방식(comb-type)의 파일럿 배치도이다.FIG. 2 is a schematic block diagram of a mobile OFDM system using a general multiplexed transmission antenna, and FIG. 3 is a pilot comb-type pilot layout.

도 2에 도시된 바와 같이, 일반적인 다중 전송 안테나를 사용하는 모바일 OFDM 시스템에서, 제1 및 제2 송신단(Tx#1, Tx#2)의 파일럿 심볼(1a, 1b)은 각각 제1 및 제2 역고속 퓨리에 변환기(IFFT: 3a, 3b)를 통해 역퓨리에 변환된 후, 각각 송신단의 다중 전송 안테나(5a, 5b)를 통해 전송되게 된다. 또한, 수신단의 다중 전송 안테나(7)를 통해 수신된 신호는 고속 퓨리에 변환기(FFT; 9)를 퓨리에 변환되는데, 이때 수신단의 파일럿 심볼(11)은 파일럿 제거기를 통해 제거된 후에 상기 파일럿 신호를 이용하여 채널 추정부에서 상기 OFDM 신호로부터 채널 추정값을 구하게 된다. 상기 채널을 추정하는 구체적인 방법은 후술하기로 한다.As shown in FIG. 2, in a mobile OFDM system using a general multiplexed antenna, the pilot symbols 1a and 1b of the first and second transmitters Tx # 1 and Tx # 2 are respectively the first and the second. After the inverse Fourier transform through the inverse fast Fourier transformers (IFFT: 3a, 3b), they are transmitted through the multiple transmit antennas (5a, 5b) of the transmitter, respectively. In addition, the signal received through the multiple transmit antenna 7 of the receiving end is Fourier transformed Fast Fourier Transformer (FFT) 9, wherein the pilot symbol 11 of the receiving end is removed through a pilot canceller to use the pilot signal. The channel estimator obtains a channel estimate from the OFDM signal. A detailed method of estimating the channel will be described later.

도 3을 참조하면, 일반적인 코움 방식(comb-type)의 파일럿은 매 OFDM 심볼에 일정한 간격마다 특정 부반송파에 파일럿을 삽입하도록 되어 있다.Referring to FIG. 3, a general comb-type pilot is configured to insert a pilot in a specific subcarrier at regular intervals in every OFDM symbol.

한편, 상기 블록 및 코움 방식들을 이용한 채널 추정 방법으로는 최소제곱(least square; "LS")과 최소 평균제곱오차(minimum mean-square error; MMSE)를 적용한 방법들이 있다. 상기 LS 방법은 채널과 잡음(noise)에 대한 사전 정보가 필요 없고 복잡도가 낮은 장점이 있다.Meanwhile, channel estimation methods using the block and comb methods include methods of applying a least square ("LS") and a minimum mean-square error (MMSE). The LS method does not need advance information on channel and noise and has a low complexity.

상기 OFDM의 신호 전송은 심볼 단위로 이루어지는데 다중경로 무선채널을 통하는 동안 심볼간 간섭이 발생하게 된다. 이러한 심볼간 간섭을 방지하기 위해 심볼과 심볼 사이에 보호구간(Guard interval)을 삽입하게 된다. 즉 채널의 최대 지연시간보다 긴 보호구간을 둠으로써 신호간 간섭을 방지하게 되는 것이다. 보호구간에 심볼의 마지막 부분을 복사해 삽입하는 경우 이를 Cyclic Prefix라 하는데 이렇게 함으로서 신호 지연에 의한 직교성의 파괴를 방지할 수 있다.The OFDM signal transmission is performed in symbol units, and intersymbol interference occurs during the multipath radio channel. In order to prevent such inter-symbol interference, a guard interval is inserted between the symbols. That is, the interference between signals is prevented by providing a guard period longer than the maximum delay time of the channel. When the last part of the symbol is copied and inserted into the guard interval, it is called Cyclic Prefix. This prevents the destruction of orthogonality due to signal delay.

상기 OFDM 방식에서는 각 부채널이 주파수 비선택적 페이딩 채널로 근사화되므로 각 부채널에서의 등화기는 단일탭 형태가 되며, 이때 등화기 계수는 추정된 부채널의 역이 되므로 수신단에서 각 부채널을 추정하는 채널 추정이 필요하다. 채널 추정기는 주파수 영역에서 최소제곱(least square: LS) 또는 최소 평균제곱오차(minimum mean-square error: MMSE) 기준을 적용하여 유도할 수 있으며, LS 채널 추정기는 구조가 단순한 반면 채널의 통계적 특성을 이용하지 않으므로 잡음에 민감하다. MMSE 채널 추정기는 자기 상관과 상호 상관과 같은 채널의 2차 모멘트를 이용하므로 계산량이 LS 추정기에 비해 크게 증가하지만 잡음을 고려한 전체 추정 오차가 최소가 되도록 하므로 심한 널(null)을 갖는 페이딩 채널의 경우 우수한 성능을 나타낸다.In the OFDM scheme, since each subchannel is approximated as a frequency non-selective fading channel, the equalizer in each subchannel is in the form of a single tap, and the equalizer coefficients are inverses of the estimated subchannel. Channel estimation is needed. The channel estimator can be derived by applying least square (LS) or minimum mean-square error (MMSE) criterion in the frequency domain. The LS channel estimator is simple in structure but does not reflect the statistical characteristics of the channel. Since it is not used, it is sensitive to noise. The MMSE channel estimator uses the second order moments of the channel, such as autocorrelation and cross-correlation, so that the computational increase is significantly higher than that of the LS estimator, but the overall estimation error considering noise is minimized, so that for fading channels with severe nulls Excellent performance.

상기 OFDM 방식에서의 채널 추정은 채널 추정에 사용하는 데이터의 종류에 따라 크게 파일럿 심볼 기반(pilot-symbol-aided: PSA) 채널 추정 기법과 결정지향(decision-directed: DD) 채널 추정 기법으로 구분할 수 있다. PSA 기법은 고속 페이딩 채널에 적합하며, 이 때 파일럿은 채널의 coherence 대역폭, coherence 시간, 파일럿 톤의 사용에 따른 대역폭 효율 감소 등을 고려하여 배치한다. DD 기법은 검출 데이터를 이용하여 다음 심볼 주기의 채널을 추정하므로 고정 또는 시간 상관성이 큰 저속 페이딩 채널에 적합하다.Channel estimation in the OFDM scheme can be largely classified into pilot-symbol-aided (PSA) channel estimation and decision-directed (DD) channel estimation according to the type of data used for channel estimation. have. The PSA technique is suitable for fast fading channels, where pilots are placed in consideration of the channel's coherence bandwidth, coherence time, and bandwidth efficiency reduction due to the use of pilot tones. Since the DD technique estimates the channel of the next symbol period using the detection data, it is suitable for a slow fading channel having a high fixed or time correlation.

이하, 전술한 코움 방식을 적용한 다중 전송 안테나를 사용하는 모바일 OFDM 시스템에서 LS 방법을 이용한 일반적인 채널 추정 기법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a general channel estimation method using the LS method in a mobile OFDM system using a multiplexed antenna using the above-described comb method will be described.

편의상 두 개의 전송 안테나를 사용하는 경우에 대하여 설명한다. 이는 더 많은 전송 안테나를 사용하는 경우에 대하여 쉽게 확장할 수 있는 것은 당업자에게 자명하다.For convenience, a case of using two transmission antennas will be described. It is apparent to those skilled in the art that this can be easily extended for the case of using more transmit antennas.

먼저, n번째 시간에 파일럿이 들어가 있는 p번째 부반송파에서 수신된 주파수축 신호 는 다음과 같이 표현된다.First, the frequency axis signal received at the p-th subcarrier containing the pilot at the nth time. Is expressed as

여기서, 는 m번째 안테나, n번째 시간의 p번째 부반송파에서 전송한 주파수축 파일럿이고, 는 그에 해당하는 주파수축 채널값, 는 평균이 0이고 분산이 인 백색 가우시안 부가 잡음, , 이다. 또한,는 전치(transpose)를 나타낸다.here, Is the frequency axis pilot transmitted from the m th antenna, the p th subcarrier at the n th time, Is the corresponding frequency axis channel value, Is 0 and the variance is White Gaussian additive noise, Is , Is to be. Also, Represents a transpose.

하나의 OFDM 심볼 내에 들어 있는 파일럿의 개수를 P로 표현하고, 채널 추정에 필요한 최소한의 파일럿을 사용하기 위하여 이는 L(채널의 최대 길이)보다 큰 가장 작은 2의 배수승이다. P개의 파일럿은 심볼 내의 부반송파간에 동일한 간격으로 삽입되고, 그 위치를 로 설정한다.In order to express the number of pilots contained in one OFDM symbol as P, and to use the minimum pilot required for channel estimation, this is the smallest multiple of 2 larger than L (the maximum length of the channel). P pilots are inserted at equal intervals between subcarriers within a symbol, and their positions are Set to.

수학식 1에 의해, LS 채널 추정을 하기 위한 필요충분조건은 이다. 이를 만족하기 위하여, (n+1)번째 심볼의 파일럿이 필요하다. 그러나 이에 해당하는 채널에 의해 필요한 가 4로 증가한다. 결국, 필요한 를 고정시키기 위해 다음과 같은 가정을 한다.According to Equation 1, the necessary and sufficient conditions for LS channel estimation are to be. To satisfy this, a pilot of the (n + 1) th symbols is required. But required by the corresponding channel Increases to 4 After all, necessary To fix the following assumptions,

여기서, 은 m번째 전송 안테나에 해당하는 n번째 시간의 채널이다. 따라서, 수학식 1은 다음과 같이 표현될 수 있다.here, Is the channel of the n th time corresponding to the m th transmit antenna. Therefore, Equation 1 may be expressed as follows.

여기서, , , 이며here, Is , Is , Is And

이다. to be.

따라서, 의 최소제곱(LS) 추정은 다음과 같이 수행된다.therefore, The least squares (LS) estimation of is performed as follows.

여기서, 는 의사 역행렬(pseudo inverse matrix)을 나타낸다. 수학식 3과 수학식 4에 의해 수학식 5와 같이 표현된다.here, Denotes a pseudo inverse matrix. It is expressed by Equation 5 by Equations 3 and 4.

는 unbiased하므로, 채널 추정의 최소제곱오차(MSE)는 다음과 같다. Since is unbiased, the least squares error (MSE) of channel estimation is

여기서 는 확률(expectation), 는 트레이스(trace)를 나타낸다. 한편, LS 채널 추정의 최소 MSE를 얻기 위해서는 서로 다른 전송 안테나들의 파일럿이 직교해야 한다. 따라서 쉬운 예로 파일럿은 다음과 같이 설계된다.here Is the probability, Indicates a trace. Meanwhile, pilots of different transmit antennas must be orthogonal to obtain the minimum MSE of LS channel estimation. Thus, as an easy example, the pilot is designed as follows.

그런데, 수학식 2의 가정에 의해 두 OFDM 심볼 기간 내에 채널의 변화는 채널 추정에 따른 성능 감소를 일으키는 문제점이 있다. 다시 말해, 도플러 주파수가 높을 때 채널 추정에 있어 충분한 정확성을 보장할 수 없다는 문제점이 있다.However, according to the assumption of Equation 2, a change in a channel within two OFDM symbol periods causes a performance decrease due to channel estimation. In other words, when the Doppler frequency is high, there is a problem that sufficient accuracy in channel estimation cannot be guaranteed.

한편, I. Barhumi 등에 의해 2003년 6월에 IEEE Trans. on Signal Processing지의 제51권 제6호 1615∼1624에 "Optimal training design for MIMO OFDM systems in mobile wireless channels"라는 제목으로 논문이 게재된 바 있다.Meanwhile, in June 2003, I. Barhumi et al. The article was published in the title of "Optimal training design for MIMO OFDM systems in mobile wireless channels" in Volume 51, No. 6, 1615-1624, of On Signal Processing.

상기 I. Barhumi 등의 논문에서는, 블록 방식의 파일럿 패턴이나 코움 방식의 파일럿 패턴을 가지는 다중 전송 안테나를 사용하는 직교주파수 분할 다중(OFDM) 시스템에서 채널 추정 평균제곱오차(Mean Square Error: MSE)를 최소화하기 위하여 채널 추정에 필요한 파일럿의 설계에 대한 논문이다. 이를 위해서 채널 추정을 위한 필요한 파일럿 부반송파의 개수는 (전송 안테나 × 채널의 길이 = P)만큼이 필요하다. 채널 추정 MSE를 최소화하기 위해서는, 전술한 논문에서 유도된 식에 의해, 크게 2가지 조건을 만족시켜야 한다.In the paper of I. Barhumi et al., A channel estimation mean square error (MSE) is calculated in an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system using multiple transmission antennas having a block-type pilot pattern or a comb-based pilot pattern. This is a paper on the design of pilot for channel estimation in order to minimize. To this end, the number of pilot subcarriers required for channel estimation is required by (transmission antenna × channel length = P). In order to minimize the channel estimation MSE, two conditions must be satisfied by the equation derived from the above paper.

첫 번째 조건으로는 파일럿이 한 OFDM 심볼 안에서 동일한 간격으로 배치되어야 한다. 두 번째 조건으로는 임의의 기준 전송 안테나의 파일럿 신호와 다른 전송 안테나 파일럿 신호가 직교(orthogonal)해야 할 뿐만 아니라, 이 안테나의 채널에 의해 지연된 신호도 다른 안테나 신호와 직교해야 한다(phase shift orthogonal). 다시 말해, 시간축에서 다른 안테나 신호를 순환 천이(범위: 채널 길이) 시킨 신호도 기준 안테나 신호와 직교해야 한다.In the first condition, pilots should be arranged at equal intervals within one OFDM symbol. The second condition is that the pilot signal of any reference transmit antenna and the other transmit antenna pilot signals must be orthogonal, as well as the signal delayed by the channel of this antenna must be orthogonal to the other antenna signals (phase shift orthogonal). . In other words, a signal that is cyclically shifted (range: channel length) of another antenna signal on the time axis should also be orthogonal to the reference antenna signal.

상기 두 가지 조건을 만족시키는 경우 채널 추정의 MSE를 최소화할 수 있다. 그러나 상기 방식은 채널 추정에 필요한 파일럿 부반송파의 개수, 즉 P동안 채널이 일정하다는 전제 하에 설계되었다. 다시 말해, 블록 방식의 파일럿 패턴을 가지는 시스템의 경우 전체 부반송파의 개수는 P 보다 커야 하고, 파일럿 심볼 다음에 오는 데이터 심볼의 경우 채널이 시변일 경우 채널 추정의 정확도가 명확히 떨어지게 된다. 또한 채널을 추적(tracking)하기 위해서는 여러 알고리즘을 이용한 복잡도가 높은 등화기(equalizer)가 동반된다. 또한, 코움 방식의 파일럿 패턴을 가지는 시스템의 경우에서는 파일럿에 따른 부하를 줄이기 위해 한 심볼에 최소한의 파일럿 부반송파(채널의 길이)만을 사용할 경우, 전송 안테나 개수만큼의 심볼 동안에 채널이 변하지 않는다는 전제가 필요하다. 따라서, 채널이 시변일 경우에는 마찬가지로 채널 추정의 정확도가 떨어지게 된다는 문제점이 있다.If the two conditions are satisfied, the MSE of channel estimation can be minimized. However, the scheme is designed on the premise that the number of pilot subcarriers required for channel estimation, that is, the channel is constant during P. In other words, in the case of a system having a block-type pilot pattern, the total number of subcarriers should be greater than P, and the accuracy of channel estimation is clearly deteriorated when the channel is time-varying for data symbols following the pilot symbol. In addition, to track a channel, a complicated equalizer using various algorithms is accompanied. In addition, in the case of a system having a comb-based pilot pattern, if a minimum pilot subcarrier (channel length) is used for one symbol to reduce the pilot load, the premise that the channel does not change for as many symbols as the number of transmit antennas is required. Do. Therefore, when the channel is time-varying, there is a problem that the accuracy of channel estimation is similarly degraded.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 다중 전송 안테나를 사용하고 코움 방식으로 파일럿을 배치하는 직교주파수 분할 다중 시스템(OFDM)에서 시변 채널의 시간 상관관계를 이용하여 보다 정확한 채널 추정 방법을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a more accurate channel estimation method using the time correlation of time-varying channels in an orthogonal frequency division multiplexing system (OFDM) using multiple transmit antennas and pilot placement in a comb method It is for.

또한, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 직교주파수 분할 다중 시스템에서 파일럿이 위치한 각 부반송파별로 선형 보간 방법으로 채널을 추정함으로써 복잡도의 증가가 낮아지는 시변 채널의 채널 추정 방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, another object of the present invention for solving the above problems is to provide a channel estimation method of a time-varying channel in which the increase in complexity is reduced by estimating the channel by a linear interpolation method for each subcarrier where a pilot is located in an orthogonal frequency division multiplexing system. will be.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 직교주파수 분할 다중 시스템(OFDM)에서 시변 채널의 채널 추정 방법은, a) 각각의 OFDM 심볼에 일정한 간격마다 특정 부반송파에 파일럿을 삽입하는 코움 방식(comb-type)으로 파일럿 심볼을 생성하는 단계; b) 상기 코움 방식으로 생성된 파일럿 심볼을 적어도 2개 이상의 다중 전송 안테나를 사용하여 송신단으로부터 시변 채널을 통해 수신단으로 전송하는 단계; c) 상기 다중 전송 안테나를 통해 전송된 신호를 상기 시변 채널을 통해 수신하는 단계; 및 d) 상기 시변 채널중 제 1 채널을 제 2 채널 및 제 3 채널의 시간 상관관계를 이용하는 보간 방식으로 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.As a means for achieving the above object, the channel estimation method of a time-varying channel in an orthogonal frequency division multiplexing system (OFDM) according to the present invention, a) a comb method of inserting a pilot to a specific subcarrier at regular intervals in each OFDM symbol ( comb-type) to generate a pilot symbol; b) transmitting the pilot symbol generated by the comb method to a receiving end through a time-varying channel using at least two or more multiple transmitting antennas; c) receiving a signal transmitted through the multiple transmit antenna via the time-varying channel; And d) estimating a first channel of the time-varying channel in an interpolation scheme using a time correlation between a second channel and a third channel.

여기서, 상기 시변 채널은 최소제곱(Least Square; LS) 방식으로 채널이 추정되는 것을 특징으로 한다.Here, the time-varying channel is characterized in that the channel is estimated in a Least Square (LS) method.

여기서, 상기 보간 방식은 선형 보간 방식인 것이 바람직하다.Here, the interpolation method is preferably a linear interpolation method.

또한, 상기 채널의 시간 상관관계를 이용하여 파일럿을 설계할 경우, 상기 채널의 시변에 따른 성능 감소를 줄이기 위해서 각각의 심볼 기간에 다중 채널 추정을 위한 필요한 랭크(rank)를 만족시키도록 설계되는 것을 특징으로 한다.In addition, when the pilot is designed using the time correlation of the channel, it is designed to satisfy the required rank for the multi-channel estimation in each symbol period in order to reduce the performance decrease over time of the channel. It features.

또한, 상기 다중 전송 안테나로서 2개의 안테나를 사용하는 경우에, n번째 시간에 파일럿이 들어가 있는 p 번째 부반송파에서 전송한 주파수축 신호 는 수학식 8과 같이 나타난다.In addition, when two antennas are used as the multiplex antennas, a frequency axis signal transmitted by a pth subcarrier containing a pilot at an nth time is used. Is expressed as in Equation 8.

로 표현되며, 여기서, , 주파수축 채널값()는 , 그리고 부가 잡음()은 라고 할 때, m번째 전송 안테나에 해당하는 n+1번째 시간의 채널 및 n+2번째 시간의 채널 은 n번째 및 n+3번째 시간 상관관계로서 상기 선형 보간 채널 추정을 하는 방식을 사용하면 수학식 9와 같이 표현될 수 있다., Where Is , The frequency axis channel value ( ) , And additional noise ( )silver In this case, the channel of the n + 1 th time corresponding to the m th transmit antenna And channel at n + 2th time Is nth And n + 3th When the linear interpolation channel estimation method is used as the time correlation, it can be expressed as Equation (9).

는 m번째 안테나, n번째 시간의 p번째 부반송파에서 전송한 주파수축 파일럿이라고 할 때, Is the frequency axis pilot transmitted from the mth antenna and the pth subcarrier at the nth time,

가 되도록 파일럿을 설계하는 것을 특징으로 한다. It is characterized by designing a pilot to be.

따라서, 본 발명에 따르면 채널의 시간 상관관계를 이용하여, 채널의 시변성을 고려한 채널 추정을 함으로써 일반적인 채널 추정 방법과 비교하여 더욱 정확한 채널 추정이 가능하고, 또한 일반적인 방법과 동일하게 파일럿이 위치한 각 부반송파별로 채널 추정을 함으로써 복잡도의 증가가 낮아지게 된다.Therefore, according to the present invention, the channel estimation is performed using the time correlation of the channel, so that the channel estimation is possible more accurately than the general channel estimation method. By estimating the channel for each subcarrier, the increase in complexity is reduced.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 직교주파수 분할 다중 시스템에서 시변 채널의 채널 추정 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a channel estimation method of a time-varying channel in an orthogonal frequency division multiplexing system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

전술한 바와 같이, 일반적으로 코우 방식의 파일럿 배치를 사용할 경우, 수신단에서 채널 추정을 하기 위해서는 시간상으로 전송 안테나 개수만큼의 심볼이 필요하며 그 시간 동안 채널이 변하지 않는다는 가정이 필요하기 때문에 시변 채널에 일반적인 채널 추정 방식을 적용하긴 어렵다. 또한, 전술한 바와 같이, 다중 전송 안테나에 따른 n번째 심볼 기간의 다중 채널을 추정하기 위해서는 두 심볼 기간 동안의 파일럿이 필요하다.As described above, in the case of using a coarse pilot arrangement, a channel estimation at the receiving end generally requires as many symbols as the number of transmit antennas in time and requires the assumption that the channel does not change during that time. It is difficult to apply the channel estimation method. In addition, as described above, in order to estimate the multi-channel of the n-th symbol period according to the multiple transmit antennas, pilot for two symbol periods is required.

이러한 채널의 변화에 따른 성능 감소를 줄이기 위해서는 각 심볼 기간에서의 채널 추정이 필요하다. 따라서 다중 채널 추정을 위한 필요한 랭크(rank)를 만족시키면서 도플러의 영향을 줄이기 위해 채널의 시간 상관관계를 이용하게 되는데, 도 4를 참조하여 구체적으로 시변 채널에서의 채널 추정 방법을 설명하기로 한다.In order to reduce the performance decrease due to the channel change, channel estimation is required in each symbol period. Accordingly, in order to reduce the influence of Doppler while satisfying a rank required for multi-channel estimation, the channel correlation is used. Referring to FIG. 4, a channel estimation method in a time-varying channel will be described in detail.

도 4는 본 발명에 따른 다중 전송 안테나를 사용하고 코움 방식 방식으로 파일럿을 배치하는 OFDM 시스템에서 시변 채널에서의 채널 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 도면부호 13a, 13b, 13c, 13d는 각각의 심볼 기간마다 코움 방식으로 파일럿이 삽입된 심볼을 각각 나타내며, 음영이 처리된 부분은 파일럿이 삽입된 것을 나타내고 있다.FIG. 4 is a diagram illustrating a channel estimation method in a time-varying channel in an OFDM system using a multiple transmit antenna and arranging pilots in a comb manner according to the present invention. Reference numerals 13a, 13b, 13c, and 13d of FIG. 4 denote symbols in which pilots are inserted in a comb manner for each symbol period, and shaded portions indicate pilots are inserted.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 두 개의 전송 안테나를 사용하는 경우, 의 시간 상관관계로 표현된다. 즉, 선형 보간법에 따라 m번째 전송 안테나에 해당하는 n+1번째 시간의 채널 및 n+2번째 시간의 채널 은, n번째 및 n+3번째 시간 상관관계로 표현될 수 있다.4, in the case of using two transmit antennas according to an embodiment of the present invention, and of Wow Is represented by the time correlation of. That is, the channel of the n + 1 th time corresponding to the m th transmit antenna according to the linear interpolation method And channel at n + 2th time Is the nth And n + 3th It can be expressed as a time correlation.

상기 선형 보간법을 사용하는 경우, 이는 다음과 같이 표현된다(도 4 참조).When the linear interpolation method is used, this is expressed as follows (see FIG. 4).

여기서, 고차원 다항 보간법과 같은 더욱 정교한 보간법을 사용하면 보다 정확한 채널 추정이 가능하지만 복잡도가 증가하게 된다. 한편, 수학식 8은Here, using more sophisticated interpolation methods, such as high-dimensional polynomial interpolation, allows more accurate channel estimation but increases complexity. On the other hand, Equation 8 is

여기서, , 주파수축 채널값()는 , 그리고 부가 잡음()은 , 그리고here, Is , The frequency axis channel value ( ) , And additional noise ( )silver , And

이므로, LS 방법에 의해, 다중 채널은 다음과 같이 추정된다.Therefore, by the LS method, the multiple channels are estimated as follows.

결국, 는 다음과 같이 설계될 수 있다.finally, Can be designed as follows.

상기 실시예는 두개의 전송 안테나를 사용하는 경우를 나타내지만, 두개 이상의 전송 안테나의 경우에도 용이하게 채널을 추정할 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.Although the above embodiment illustrates the case of using two transmit antennas, it is apparent to those skilled in the art that the channel can be easily estimated even in the case of two or more transmit antennas.

한편, 본 발명에 따른 채널 추정 방법의 효율성을 입증하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 상기 시뮬레이션 환경은 다음과 같다. L=8로써, i.i.d(independent identically distributed)하고, 시간상에서의 상관관계는 Jakes' model 을 따른다. 상기 OFDM 시스템에서 한 심볼 내에 부반송파의 개수는 64이고, 보호구간의 길이는 16이다. P는 채널 추정을 위한 최소한의 파일럿 개수를 만족시키기 위하여 8로 설정하였다. 또한, 변조 방식으로 QPSK를 사용하였으며, 두 개의 전송 안테나에 대하여 실험하였다. 시스템의 성능은 LS 채널 추정의 MSE로 측정하였다.On the other hand, computer simulation was performed to prove the efficiency of the channel estimation method according to the present invention. The simulation environment is as follows. L = 8, iid (independent identically distributed), and the correlation in time is Jakes' model Follow. In the OFDM system, the number of subcarriers in one symbol is 64 and the length of the guard interval is 16. P is set to 8 to satisfy the minimum number of pilots for channel estimation. In addition, QPSK is used as a modulation method and two transmission antennas are tested. The performance of the system was measured by MSE of LS channel estimation.

도 5는 정규화된 도플러 주파수(normalized Doppler frequency) 가 0, 0.02일 때 일반적인 채널 추정 기법과 본 발명에 따른 채널 추정 기법에 대하여 SNR에 따른 MSE 성능을 나타내고 있다.5 is a normalized Doppler frequency Is 0 and 0.02, the MSE performance according to SNR is shown for the general channel estimation technique and the channel estimation technique according to the present invention.

상기 정규화된 도플러 주파수 가 0일 경우, 다시 말해 시간상으로 채널이 변하지 않을 경우, 즉 시불변 채널일 경우, 일반적인 채널 추정 기법이 신호대 잡음비(SNR) 측면에서 약 1㏈ 이득이 생김을 알 수 있다. 그러나, 정규화된 도플러 주파수 가 0.02일 경우, 일반적인 채널 추정 기법은 에러 플로어(error floor) 현상이 발생한다. 반면, 본 발명에 따른 기법은 시간상으로 채널이 빨리 변함에도 불구하고 성능의 변화가 없음을 보이고 있다. 상기 MSE가 10-2에서 본 발명에 따른 채널 추정 기법은 일반적인 추정 기법에 비해 약 2㏈ 이득을 얻는 것을 알 수 있다(도 5의 도면부호 a, b, c, d 참조).The normalized Doppler frequency If 0, that is, if the channel does not change in time, that is, time-invariant channel, it can be seen that the general channel estimation technique has a gain of about 1 dB in terms of signal-to-noise ratio (SNR). However, normalized Doppler frequency Is 0.02, the general channel estimation technique generates an error floor. On the other hand, the technique according to the present invention shows that there is no change in performance even though the channel changes quickly in time. In the MSE of 10 −2 , it can be seen that the channel estimation scheme according to the present invention gains about 2 dB over the general estimation scheme (see reference numerals a, b, c, and d of FIG. 5).

도 6은 SNR = 24㏈에서 블록 방식과 일반적인 추정 기법과 본 발명에 따른 추정 기법을 사용한 코움 방식에 대하여 에 따른 MSE 성능을 보이고 있다. 상기 블록 방식과 코움 방식의 적절한 비교를 위하여, 파일럿과 데이터의 비율을 맞추어 블록 방식은 7개의 데이터 심볼 후에 하나의 파일럿 심볼을 삽입하였다. 도 6에 도시된 바와 같이, 블록 방식은 시불변 채널에서 코움 방식과 동일한 성능을 나타낸다. 그러나 정규화된 도플러 주파수 가 증가함에 따라, 그 성능이 급격히 감소하게 되어 도플러 주파수가 높을 경우 실제 사용이 불가능해지게 된다. 상기 코움 방식에서, 일반적인 채널 추정 기법을 사용한 경우에는 시간상으로 채널이 느리게 변할 경우에 본 발명에 따른 채널 추정 기법보다 나은 성능을 보인다. 이는 일반적인 채널 추정 기법의 파일럿 설계는 최소 MSE를 만족시키기 위하여 직교 행렬로 설계되었지만, 본 발명에 따른 채널 추정 기법에 따른 파일럿 설계는 직교 행렬을 만족시키지 못하기 때문이다. 본 발명에 따른 채널 추정 기법에서 직교 행렬을 만족시키는 파일럿 설계가 된다면, 두 기법 모두 시간상으로 채널이 느리게 변하는 경우에 같은 성능을 보인다. 한편, 시간상으로 빨리 변하는 채널의 경우에는 즉, 정규화된 도플러 주파수 가 큰 경우에, 도 5와 마찬가지로, 본 발명에 따른 채널 추정 기법이 일반적인 채널 추정 기법과 비교하여 훨씬 나은 성능을 보이는 것을 알 수 있다(도 6의 도면부호 e, f, g 참조).6 shows a block method, a general estimation method, and a comb method using the estimation method according to the present invention at SNR = 24 ms. MSE performance is shown. For proper comparison of the block and comb methods, the pilot method inserts one pilot symbol after seven data symbols in proportion to the pilot and data ratios. As shown in FIG. 6, the block scheme exhibits the same performance as the comb scheme in time-invariant channels. Normalized Doppler Frequency As is increased, its performance is drastically reduced, making practical use impossible at high Doppler frequencies. In the comb method, the general channel estimation technique shows better performance than the channel estimation technique according to the present invention when the channel changes slowly in time. This is because the pilot design of the general channel estimation scheme is designed with an orthogonal matrix to satisfy the minimum MSE, but the pilot design according to the channel estimation technique according to the present invention does not satisfy the orthogonal matrix. In the channel estimation scheme according to the present invention, if the pilot design satisfies the orthogonal matrix, both techniques show the same performance when the channel changes slowly in time. On the other hand, for channels that change quickly in time, i.e., the normalized Doppler frequency In the large case, as in FIG. 5, it can be seen that the channel estimation technique according to the present invention performs much better than the general channel estimation technique (see reference numerals e, f, and g of FIG. 6).

결국, 전술한 바와 같이, I. Barhumi 등의 논문은 다중 전송 안테나를 사용하는 OFDM 시스템에서 채널 추정 MSE를 최소화하기 위한 전송 파일럿을 설계하기 위한 것으로, 전송 파일럿 설계시 파일럿 부반송파는 한 OFDM 심볼 내에서 동일한 간격으로 배치하고, 위성 천이 직교성 만족하도록 설계하며, 채널 추정시 LS(least square) 방식을 적용하고 있지만, 채널이 변하지 않을 경우, 최적의 채널 추정 방식이지만. 채널이 시변일 경우, 채널 추정의 정확도가 떨어지게 된다.As a result, as described above, the paper of I. Barhumi et al. Is for designing a transmission pilot for minimizing channel estimation MSE in an OFDM system using multiple transmission antennas. Placed at equal intervals, designed to satisfy the satellite transition orthogonality, and is applied to the LS (least square) method for channel estimation, but if the channel does not change, but the optimal channel estimation method. If the channel is time-varying, the accuracy of the channel estimation is degraded.

본 발명에 따르면, 코움 방식의 파일럿 패턴을 가지는 다중 전송 안테나를 사용하는 OFDM 시스템에서 채널이 시변일 경우를 고려한 채널 추정 방식과 파일럿 설계를 제공하기 위한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 파일럿 부반송파는 하나의 OFDM 심볼 내에서 동일한 간격으로 배치하고, 직교성을 만족하도록 파일럿이 설계되며, 채널 추정시 시변 채널을 고려하여 간단한 보간 방법을 이용한 LS 방식을 적용하게 된다. 즉, 파일럿 설계시 단순히 직교성(orthogonality)만 만족시키면 되며, 채널 추정시 시변 채널을 고려하여 간단한 보간 방법과 함께 LS 방식의 채널을 추정할 수 있다.According to the present invention, there is provided a channel estimation scheme and a pilot design considering a case where a channel is time-varying in an OFDM system using a multiplexed transmission antenna having a comb-based pilot pattern. That is, the pilot subcarriers according to the present invention are arranged at equal intervals within one OFDM symbol, and the pilot is designed to satisfy orthogonality, and the LS method using a simple interpolation method is applied in consideration of time-varying channels in channel estimation. That is, in the pilot design, only orthogonality needs to be satisfied, and the LS channel can be estimated along with a simple interpolation method in consideration of the time-varying channel.

본 발명에 따르면, 채널이 시변일 경우에도, 채널이 변하지 않을 경우와 거의 성능 차이가 없게 되며, 따라서 선행 논문의 채널 추정 방법보다 더욱 정확한 채널 추정이 가능해진다.According to the present invention, even when the channel is time-varying, there is almost no difference in performance from when the channel is not changed, and thus more accurate channel estimation is possible than the channel estimation method of the previous paper.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항이다.While the invention has been shown and described in connection with specific embodiments thereof, it will be appreciated that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention as indicated by the claims. It is obvious to those who have.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 채널 추정 기법은 채널의 시간 상관관계를 이용하여 도플러의 영향을 고려한 채널 추정을 함으로써 시변 채널에서 일반적인 채널 추정 기법과 달리 성능의 감소 없이 채널 추정의 정확성을 유지함을 알 수 있다. As described above, the channel estimation method according to the present invention maintains the accuracy of channel estimation without performance loss in time-varying channels by performing channel estimation considering the Doppler effect using the channel correlation. Able to know.

또한, 본 발명에 따르면 간단한 선형 보간과 각 부반송파마다 독립적으로 채널 추정이 이루어지기 때문에 복잡도를 낮아지게 될 뿐만 아니라 채널 추정 기법에 적합한 파일럿 설계를 함으로써 OFDM 시스템의 성능을 개선할 수 있다.In addition, according to the present invention, since simple linear interpolation and channel estimation are performed independently for each subcarrier, complexity is not only reduced, but also the performance of the OFDM system can be improved by designing a pilot suitable for the channel estimation technique.

도 1은 일반적인 직교주파수 분할 다중화(OFDM)의 송수신 시스템의 구성이 도시된 블록도이다1 is a block diagram showing a configuration of a transmission / reception system of a general orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)

도 2는 종래 기술에 따라 다중 전송 안테나를 사용하는 모바일 OFDM 시스템의 개략적인 블록도이다.2 is a schematic block diagram of a mobile OFDM system using multiple transmit antennas according to the prior art.

도 3은 일반적인 코움 방식(comb-type)의 파일럿 배치도이다.3 is a pilot layout of a comb-type in general.

도 4는 본 발명에 따른 다중 전송 안테나를 사용하고 코움 방식 방식으로 파일럿을 배치하는 OFDM 시스템에서 시변 채널에서의 채널 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating a channel estimation method in a time-varying channel in an OFDM system using a multiple transmit antenna and arranging pilots in a comb manner according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 채널 추정 기법과 일반적인 채널 추정 기법에 따른 평균제곱오차(MSE)와 신호대 잡음비(SNR)를 나타내는 도면이다.5 is a diagram illustrating a mean square error (MSE) and a signal-to-noise ratio (SNR) according to a channel estimation technique and a general channel estimation technique according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 채널 추정 기법과 일반적인 채널 추정 기법에 따른 평균제곱오차(MSE)와 정규화된 도플러 주파수()를 나타내는 도면이다.6 is a mean square error (MSE) and a normalized Doppler frequency according to a channel estimation technique and a general channel estimation technique according to the present invention. ).

Claims (5)

직교주파수 분할 다중(OFDM) 시스템의 시변 채널의 채널 추정 방법에 있어서,In the channel estimation method of time-varying channel of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) system, a) 각각의 OFDM 심볼에 일정한 간격마다 특정 부반송파에 파일럿을 삽입하는 코움 방식(comb-type)으로 파일럿 심볼을 생성하는 단계;a) generating a pilot symbol in a comb-type of inserting a pilot in a specific subcarrier at regular intervals in each OFDM symbol; b) 상기 코움 방식으로 생성된 파일럿을 적어도 2개 이상의 다중 전송 안테나를 사용하여 송신단으로부터 시변 채널을 통해 수신단으로 전송하는 단계;b) transmitting the pilot generated in the comb manner from a transmitter to a receiver through a time-varying channel using at least two multiple transmit antennas; c) 상기 다중 전송 안테나를 통해 전송된 신호를 상기 시변 채널을 통해 수신하는 단계; 및c) receiving a signal transmitted through the multiple transmit antenna via the time-varying channel; And d) 상기 시변 채널중 제 1 채널을 제 2 채널 및 제 3 채널의 시간 상관관계를 이용하는 보간 방식으로 추정하는 단계d) estimating a first channel of the time-varying channel by an interpolation method using a time correlation between a second channel and a third channel 를 포함하는 채널 추정 방법.Channel estimation method comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 d) 단계는,Step d), 상기 시변 채널은 최소제곱(Least Square; LS) 방식으로 채널이 추정되는 채널 추정 방법.The time-varying channel is a channel estimation method of estimating the channel in a least square (Least Square (LS)) method. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 보간 방식은 선형 보간 방식인 것을 특징으로 하는 채널 추정 방법.The interpolation method is a channel estimation method, characterized in that the linear interpolation method. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 채널의 시간 상관관계를 이용하여 파일럿을 설계할 경우, 상기 채널의 시변에 따른 성능 감소를 줄이기 위해서 각각의 심볼 기간에 다중 채널 추정을 위한 필요한 랭크(rank)를 만족시키도록 설계되는 채널 추정 방법.When designing a pilot using the time correlation of the channel, the channel estimation method is designed to satisfy the necessary rank for multi-channel estimation in each symbol period in order to reduce the performance decrease according to the time-varying channel. . 제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 다중 전송 안테나로서 2개의 안테나를 사용하는 경우에, n번째 시간에 파일럿이 들어가 있는 p 번째 부반송파에서 전송한 주파수축 신호 In the case of using two antennas as the multiplexed transmission antennas, a frequency axis signal transmitted from a pth subcarrier containing a pilot at nth time Is 로 표현되며, 여기서, , 주파수축 채널값()는 , 그리고 부가 잡음()은 라고 할 때,, Where Is , The frequency axis channel value ( ) , And additional noise ( )silver When I say m번째 전송 안테나에 해당하는 n+1번째 시간의 채널 및 n+2번째 시간의 채널 은 n번째 및 n+3번째 시간 상관관계로서 상기 선형 보간 채널 추정을 하는 방식을 사용하여,Channel of n + 1th time corresponding to mth transmit antenna And channel at n + 2th time Is nth And n + 3th Using the linear interpolation channel estimation as a time correlation, 와 같이 표현되며, 는 m번째 안테나, n번째 시간의 p번째 부반송파에서 전송한 주파수축 파일럿이라고 할 때,Is expressed as: Is the frequency axis pilot transmitted from the mth antenna and the pth subcarrier at the nth time, 가 되도록 파일럿을 설계하는 것을 특징으로 하는 채널 추정 방법. And a pilot is designed to be a channel estimation method.
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