KR100218671B1 - 주파수 선택적 레일레이 페이딩 보상 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 환경에서 고속 전송시 요구되는 주파수 선택적 레일레이 페이딩(Frequency Selectiv Rayleigh Fading : 무선 이동 통신 환경 하에서 지연퍼짐에 의해 발생하게 되는 페이딩)에 대한 보상 및 심볼간 간섭(ISI) 제거를 위한 주파수 선택적 레일레이 페이딩(Frequency Selectiv Rayleigh Fading) 보상 시스템에 관한 것이다.

Description

주파수 선택적 레일레이 페이딩 보상 시스템

본 발명은 주파수 선택적 레일레이 페이딩(Frequency Selectiv Rayleigh Fading) 보상 시스템에 관한 것으로, 무선 환경에서 고속 전송시 요구되는 주파수 선택적 레일레이 페이딩(Frequency Selectiv Rayleigh Fading; 무선 이동 통신 환경 하에서 지연퍼짐에 의해 발생하게 되는 페이딩)에 대한 보상 및 심볼간 간섭(ISI) 제거를 위한 주파수 선택적 레일레이 페이딩 보상 시스템에 관한 것이다.

즉, 파일럿 심볼을 이용하여 플랫 페이딩 전송로에서 야기되는 진폭 및 위상 왜곡을 예측하여 보상하는 기존의 피에스에이엠(PSAM; Pilot Symbol Assisted Modulation; 이하, PSAM 이라 함) 시스템의 문제점을 개선하기 위하여 데이터 패턴을 이용하는 디피에스에이엠(DPSAM; Double Pilot Symbol Assisted Modulation; 이하, DPSAM 이라 함) 시스템에 관한 것이다.

기존의 PSAM 방식에서는 페이딩을 추정할 때 지연파의 간섭에 의해 페이딩 추정의 신뢰도가 떨어지게 된다. 이를 보완하기 위해 각 프레임의 선두에 2개의 파일럿 심볼을 이용한다. 그러나, 한 신호 주기 이내의 지연파에 의해 영향을 받는 경우, 두 번째 파일럿 심볼은 지연파의 영향을 받는다 하더라도 자신과 같은 크기의 신호의 영향을 받게 된다. 이는 다른 크기의 신호가 영향을 주는 상황과는 달리 제대로 파일럿 심볼을 수신한 경우와 유사한 효과를 기대할 수 있어 채널 환경 추정의 신뢰도를 높일 수 있다. 그리고, 심볼간 간섭을 제거하는데 등화기를 이용하지 않고, 심볼간 간섭이 발생한 결과를 참조하여 데이터를 보상하기 위해 첫 프레임에 데이터 패턴을 보내어 수신단에서의 판단 결과에 따라 수신 데이터를 복원하는 방식이다. 그러나, 한 심볼 주기 이내의 지연파에 의해 간섭이 있는 환경에서 기존의 PSAM 방식은 급격하게 에러가 급증하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 단점을 해결하기 위해 플랫 페이딩 환경과 지연파의 영향을 받는 이동통신 환경 하에서 안정된 성능을 보이는 주파수 선택적 레일레이 페이딩 보상 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 송신할 데이터를 생성하기 위한 데이터 블록, 데이터를 16QAM 신호로 변환하기 위한 16QAM 블록, 일정한 주기마다 파일롯 심볼을 삽입하기 위한 파일롯 심볼 삽입 블록 및 신호의 파형을 정형하기 위한 펄스 샤핑 블록으로 구성되는 트랜스미터; 실제 전파가 전송되면서 외곡되는 현상을 만들어 주는 레일레이 페이딩 블록 및 잡음을 첨가하기 위한 AWGN 블록으로 구성되는 채널; 수신 신호를 필터링 하기 위한 매치드 필터 블록, 페이딩에 의해 왜곡된 신호를 파일롯 심볼을 이용하여 보정하기 위한 페이딩 추정 및 보상 블록과 보정된 신호를 복조하여 송신된 신호를 복원하기 위한 복조 블록으로 구성되는 리시버를 포함하여 구성되며, 상기 페이딩 추정 및 보상 블록은 프레임에 보낸 데이터 패턴이 나타내는 지연 성분을 데이터의 심볼간 간섭을 제거하는데 이용할 수 있도록 수신 정보를 저장하는 참조 테이블 블록과, 이전에 수신한 데이터 정보를 저장하는 수신 데이터 블록과, 상기 참조 테이블 블록의 데이터 정보와 수신 데이터 블록의 이전에 수신한 데이터 정보를 각각 입력으로 하여 절대치 에러를 계산한 후 가장 작은 에러 값을 가지는 테이블 값을 찾는 다수의 연산 블록들과, 상기 다수의 연산 블록들의 결과를 이전 정보를 선택정보로 이용하여 정정된 데이터를 출력하는 멀티플렉스 블록을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 연산블럭은 수신 데이타 블럭의 수신 데이타 값과 참조 테이블 블럭의 실수분 값과의 절대치 값은 계산하는 제1, 제2, 제3 및 제4절대값 계산 블럭과, 상기 제1 및 제2절대값 계산 블럭에서 계산된 절대값 중 가장 작은 값을 계산하는 제1최소값 비교블럭과, 상기 제3 및 제4절대값 계산 블럭에서 계산된 절대값 중 가장 작은 값을 계산하는 제2최소값 비교블럭에서 계산한 최소값을 비교하여 가장 작은 값을 계산하는 제3최소값 비교블럭으로 구성된 것을 특징으로 한다.

제1a도는 가우시안 내삽법을 나타낸 도면.

제1b도는 PSAM 통신 시스템의 구조도.

제1c 및 d도는 PSAM 및 DPSAM 프레임의 구성도.

제2도는 본 발명에 따른 심볼간 간섭(ISI) 제거 루틴 블록도.

제3도는 도2의 연산 블록의 상세한 블록도.

제4도는 반 주기 지연된 신호의 영향을 받는 경우 두 시스템의 성능을 비교한 그래프.

제5도는 한 심볼 주기만큼 지연된 신호의 영향을 받는 환경 하에서 성능을 비교한 그래프.

제6도는 양 페이딩 환경 하에서 PSAM 시스템의 성능을 비교한 그래프.

제7도는 양 페이딩 환경 하에서 DPSAM 시스템의 성능을 비교한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 참조 테이블 블록 12 : 수신 데이터 블록

13 : 멀티플렉스 블록 14 내지 17 : 제 1 내지 제4연산 블록

육상 이동통신에서 나타나는 페이딩 현상은 신호의 위상과 진폭을 변화시키기 때문에 통신을 위해서는 아주 정밀하게 페이딩을 보정할 필요가 있다.

페이딩을 보정하기 위해서는 PSAM(pilot symbol assisted modulation)방식과 같은 페이딩 추정방식을 사용해야 한다. 이 방식에서는 미리 정한 파일롯 심볼을 일정한 주기마다 전송하며 수신단에서는 송신한 파일롯 심볼과 수신한 파일롯 심볼의 차이로 파일롯 심볼이 채널을 거쳐오면서 왜곡된 정보를 측정한다 파일롯 심볼이 왜곡된 정도를 측정한 후에는 파일롯 심볼 사이의 페이딩 왜곡을 가우시안 내산법등의 인터폴레이션 기법을 이용하여 추정하게 된다. 가우시안 내삽법은 3점 사이를 부드러운 곡선으로 연결하는 방식으로서, 도 1a에 나타내었다. 이렇게 추정한 페이딩 왜곡을 이용하여 송신된 정보 심볼의 페이딩 왜곡을 보상하게 된다.

제1b도에 16QAM 변조방식에 PSAM을 적용한 예를 나타내었다.

트랜스미터(Transmitter)에서, 데이터 블록(1)은 송신할 데이터를 생성하고 16QAM 블록(2)은 데이터를 16QAM 신호로 바꾸어준다. 파일롯 심볼 삽입(pilot symbol insert) 블록(3)에서는 일정한 주기마다 파일롯 심볼을 삽입하고, 펄스 샤핑(pulse shaping) 블록(4)에서는 신호의 파형을 정형한다. 또한, 채널(5) 부분의 레일레이 페이딩(rayleigh fading) 블록(6)은 실제 전파가 전송되면서 외곡되는 현상을 만들어 주고, AWGN 블록(7)은 잡음을 첨가한다.

한편, 리시버(Receiver)는 전파를 수신하여 송신된 정보를 복조하게 된다.

즉, 매치드 필터(matched filter) 블록(8)은 수신신호를 필터링 하고, 페이딩 추정 및 보상(fading estimation compensation) 블록(9)은 페이딩에 의해 왜곡된 신호를 파일롯 심볼을 이용하여 보정하게 된다. 복조(demodulator) 블록(10)은 보정된 신호를 복조하여 송신된 신호를 복원한다.

그러나, 페이딩이 주파수 선택적이 되면 PSAM 방식은 성능이 심각하게 저하되어 적용할 수 없게 된다.

본 발명을 이용하여 구성하는 페이딩 보상 시스템은 제1b도의 페이딩 추정부에 장착되어 페이딩을 보상하고 페이딩이 보정된 데이터는 복조부로 입력된다.

제1c도 및 제1d도는 PSAM 및 DPSAM 시스템의 프레임 구성도이다.

채널의 환경을 추정하고자 부가되는 파일럿 심볼들은 N개의 심볼마다 하나씩 삽입되며 크기는 정방형 성상도의 경우, 최대 신호 크기(3,3)을 이용한다. DPSAM은 기존의 방식과 마찬가지로 파일럿 심볼을 정방형 성상도를 이용하는 경우 최대 크기인(3,3)을 이용하며 한 심볼 이내의 지연에 대한 페이딩 추정을 위해 파일럿 심볼을 연이어 두 개 삽입하고, 두 번째 파일럿 심볼로 페이딩을 추정하게 된다.

표 1은 첫 번째 데이터 프레임을 구성하는 데이터 패턴도이다.

페이딩 영향을 완전히 보상하게 되면 데이터 열에는 지연파로 인한 심볼간 간섭(ISI) 성분만이 남게 된다. 16 큐에이엠(16 QAM) 방식이 가지는 신호 크기는 실수부와 허수부 모두 3, 1, -1, -3의 4가지이므로 연속되는 신호 사이에서는 실수부에 16가지, 허수부에 16가지의 신호조합이 있게 된다.

예를 들어 실수부 만을 분리하여 생각해 보기로 하자. 이전 신호의 크기가 3일 때 다음 신호의 크기는 3, 1, -1, -3의 4가지 중 하나일 것이다. 심볼간 간섭(ISI) 성분만 남은 수신 데이터라면 지금 판정할 신호는 이전 신호 3의 영향을 포함하고 있을 것이다. 이전 신호가 3인 경우 발생할 수 있는 경우는 4가지이므로, 첫 번째 프레임에 4가지 경우를 포함하여 전송한다면 현재 판단하고자 하는 신호의 크기를 결정하는데 이용할 수 있다. 4가지 경우에 나타나는 값을 참조 테이블에 저장하고, 수신 데이터와 비교하여 가장 가까운 값이 바로 원래 신호의 크기라고 판정한다면 송신된 신호를 구할 수 있다.

제2도는 심볼간 간섭(ISI) 제거 루틴 블록도이다. 참조 테이블 블록(11)은 첫 번째 프레임에 보낸 데이터 패턴이 나타내는 지연 성분을 데이터의 심볼간 간섭(ISI)을 제거하는데 이용할 수 있도록 수신 정보를 저장한다.

제1 내지 제4연산 블록(CAL1,CAL2,CAL3,CAL4L; 14 내지 17)들은 수신 데이터 블록(12)에서 바로 이전에 수신한 데이터 정보와 참조 테이블 블록(11)의 정보를 각각 입력으로 하여 절대치 에러를 계산한 후 가장 작은 에러 값을 가지는 테이블 값을 찾는다.

멀티플렉스 블록(MUX)(13)에서는 상기 제1 내지 제4연산 블록(14 내지 17)들의 결과를 이전 정보를 선택정보로 이용하여 정정된 데이터를 출력하게 된다.

제3도는 제2도의 연산 블록의 상세한 블록도로서, 이전 신호의 실수 성분이 3 일 때의 판정 모듈을 나타낸 블록도이다. 이전 신호의 실수 성분이 3인 경우, 다음 실수 성분의 크기는 3, 1, -1, -3의 4가지 중 하나이므로 참조 테이블 블록에서 실수부(3, 3), (3,1), (3,-3)의 값과 절대치 값을 제1 내지 제4절대값 계산 블록(21 내지 24)에서 계산한다. 상기 제1 및 제2절대값 계산 블록(21 및 22)에서 계산된 절대값 중 가장 작은 값을 제1최소값 비교블록(25)에서 구하고, 상기 제3 및 제4절대값 계산 블록(23 및 24)에서 계산된 절대값 중 가장 작은 값을 제2최소값 비교블록(26)에서 구한다. 상기 제1최소값 비교블록(25) 및 제2최소값 비교블록(26)에서 구한 최소값을 제3최소값 비교블럭(27)을 통해 최종적으로 계산된 절대값 중 가장 작은 값, 즉 가장 가까운 값을 찾아 멀티플렉스 입력으로 공급한다.

이 구성은 다른 심볼간 간섭(ISI) 제거를 위해 반복 루프에 의한 지연 등을 피할 수 있으며 페이딩이 정확히 추정이 되는 상태에서는 심볼간 간섭(ISI) 성분만이 남게 되므로 정보 판단을 하는데 유용하게 이용될 수 있다.

제4도는 반 주기 지연된 신호의 영향을 받는 경우 두 시스템의 성능을 비교한 그래프이다. 제안방식은 지연파의 영향에 좌우되지 않고 안정된 에러율을 나타냄을 알 수 있다.

제5도는 한 심볼 주기만큼 지연된 신호의 영향을 받는 환경 하에서 성능을 비교한 그래프이다. 한 심볼 주기 이내의 지연 신호에 대하여 강한 특성을 보임을 알 수 있다.

제6도는 양 페이딩 환경 하에서 PSAM시스템의 성능을 비교한 그래프이다. PSAM시스템은 지연파의 영향을 받는 경우에는 신호 전력을 높이더라도 개선 효과가 없다.

제7도는 양 페이딩 환경 하에서 DPSAM 시스템의 성능을 비교한 그래프이다. DPSAM 시스템은 양 페이딩 환경에서 비슷한 에러율을 보이며 신호 전력의 강도로 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

1. 기존의 PSAM 시스템에서 한 심볼 이내에 지연파의 영향을 받는 경우, 급격하게 에러가 증가하는 문제점이 개선된다.

2. 두 번째 파일럿 심볼로 페딩을 추정·보상한 후 데이터 패턴을 이용하여 심볼간 간섭 성분을 제거함으로써 성능이 향상된다.

3. 심볼간 간섭을 제거하는데 등화기를 이용하지 않고, 데이터를 보상하기 위하여 첫 프레임에 데이터 패턴을 보내어 심볼간 간섭이 발생한 결과를 참조하여 수신 데이터를 복원하게 된다.

4. 플랫 페이딩 환경에서 뿐 아니라 주파수 선택적 페이딩 환경 하에서도 안정된 성능을 보일 수 있다.

Claims (2)

1. 송신할 데이터를 생성하기 위한 데이터 블록, 데이터를 16QAM 신호로 변환하기 위한 16QAM 블록, 일정한 주기마다 파일롯 심볼을 삽입하기 위한 파일롯 심볼 삽입 블록 및 신호의 파형을 정형하기 위한 펄스 샤핑 블록으로 구성되는 트랜스미터; 실제 전파가 전송되면서 왜곡되는 현상을 만들어 주는 레일레이 페이딩 블록 및 잡음을 첨가하기 위한 AWGN 블록으로 구성되는 채널; 수신 신호를 필터링 하기 위한 매치드 필터 블록, 페이딩에 의해 왜곡된 신호를 파일롯 심볼을 이용하여 보정하기 위한 페이딩 추정 및 보상 블록과 보정된 신호를 복조하여 송신된 신호를 복원하기 위한 복조 블록으로 구성되는 리시버를 포함하여 구성되며, 상기 페이딩 추정 및 보상 블록은 프레임에 보낸 데이터 패턴이 나타내는 지연 성분을 데이터의 심볼간 간섭을 제거하는데 이용할 수 있도록 수신 정보를 저장하는 참조 테이블 블록과, 이전에 수신한 데이터 정보를 저장하는 수신 데이터 블록과, 상기 참조 테이블 블록의 데이터 정보와 수신 데이터 블록의 이전에 수신한 데이터 정보를 각각 입력으로 하여 절대치 에러를 계산한 후 가장 작은 에러 값을 가지는 테이블 값을 찾는 다수의 연산 블록들과, 상기 다수의 연산 블록들과 결과를 이전 정보를 선택정보로 이용하여 정정된 데이터를 출력하는 멀티플렉스 블록을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 주파수 선택적 레일레이 페이딩 보상 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 연산블록은 수신 데이터 블록의 수신 데이터 값과 참조 테이블 블록의 실수부 값과의 절대치 값을 계산하는 제1, 제2, 제3 및 제4절대값 계산 블록과, 상기 제1 및 제2절대값 계산 블록에서 계산된 절대값 중 가장 작은 값을 계산하는 제1최소값 비교블록과, 상기 제3 및 제4절대값 계산 블록에서 계산된 절대값 중 가장 작은 값을 계산하는 제2최소값 비교블록과, 상기 제1최소값 비교블록 및 제2최소값 비교 블록에서 계산한 최소값을 비교하여 가장 작은 값을 계산하는 제3최소값 비교블록으로 구성된 것을 특징으로 하는 주파수 선택적 레일레이 페이딩 보상 시스템.