KR100304108B1 - 반송파주파수편이추정방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야

본 발명은 반송파 주파수 편이 추정 방법에 관한 것임.

2. 발명이 해결하고자하는 과제

본 발명은 다중대역 멀티미디어 무선통신 시스템의 수신단에서 전송된 신호의 주파수 편이를 신속하게 추정하여 전송 신호의 왜곡을 보상하므로써, 불필요한 시스템의 자원 낭비를 억제하면서 시스템의 성능 열화를 감소시킬 수 있는 반송파 주파수 편이 추정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 서로 다른 시간대에 전송된 신호들 간에 발생된 심볼의 위상차를 추정하는 제 1 단계; 상기 추정한 위상차를 반복되는 시간 간격으로 나누고 나눈값을 다시 소정의 값으로 나누어 주파수 편이를 계산하는 제 2 단계; 상기 계산된 주파수 편이의 범위를 확장한 후, 확장한 불완전 정수 값을 반올림하여 완전한 정수 값으로 만드는 제 3 단계; 및 상기 제 2 단계에서 계산한 주파수 편이와 상기 제 3 단계에서 반올림하여 구한 정수 값을 보상하여 최종적인 주파수 편이를 추정하는 제 4 단계를 포함한다.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 다중대역 무선통신 시스템에 이용됨.

Description

반송파 주파수 편이 추정 방법{Carrirer frequency offset estimation method}

본 발명은 반송파 주파수 편이 추정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다중 반송파-코드분할다중접속(MC-CDMA : Multi Carrier-Code Division Multiplex Access) 방식 등을 이용한 다중대역 멀티미디어 이동통신 시스템의 수신단 등에서 전송된 신호의 주파수 편이를 추정하기 위한 반송파 주파수 편이 추정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.

일반적으로, MC-CDMA 방식은 주파수 편이에 매우 민감하여 잡음이 작은 환경일수록 주파수편이에 의한 성능열화는 더욱 심각하다. 시스템을 구성하는 소자는 일정한 오차범위를 갖게 되므로 송신 장치와 수신 장치간의 주파수 편차에 의해서도 MC-CDMA의 성능을 크게 열화시킬 수 있는 주파수 편이가 발생한다.

따라서, 무선 근거리 통신망을 구성하거나 이동 멀티미디어 환경을 구현하는데 MC-CDMA를 사용하는 경우 주파수 편이를 보정하는 주파수 보정 알고리듬은 필수적이다.

현재까지, 많은 보정 알고리듬이 제안된 바 있으나 많은 개선할 사항을 남겨두고 있다. 모든 보정 알고리듬은 보정이 가능한 주파수 편이의 범위와 시스템 복잡도의 측면간의 트레이드-오프(trade-off)를 지니고 있는데, 현재까지의 제안으로써 밀리미터파 대역의 수십 MHz 대역폭을 지닌 MC-CDMA 방식을 이용하게 되며 이는 곧 보정에 소요되는 처리시간의 지연을 가져왔으며, 또한 종래의 알고리듬은 추정가능 대역이 좁아 주파수 편이를 충분히 추정하지 못하거나, 또는 추정가능 대역이 너무 넓어 시스템을 너무 복잡하게 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 다중대역 멀티미디어 무선통신 시스템의 수신단에서 전송된 신호의 주파수 편이를 신속하게 추정하여 전송 신호의 왜곡을 보상하므로써, 불필요한 시스템의 자원 낭비를 억제하면서 시스템의 성능 열화를 감소시킬 수 있는 반송파 주파수 편이 추정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명이 적용되는 MC-CDMA 방식을 이용한 전송 신호 확산에 대한 구성 개념도.

도 2a는 본 발명이 적용되는 MC-CDMA 방식을 이용한 송신 장치의 구성도.

도 2b는 본 발명이 적용되는 MC-CDMA 방식을 이용한 수신 장치의 구성도.

도 3a는 도 1a에 도시된 MC-CDMA의 대역 확산에 따른 전송 신호의 주파수 영역상의 분포를 나타내는 특성도.

도 3b는 도 1b에 도시된 MC-CDMA의 대역 확산에 따른 전송 신호의 주파수 영역상의 분포를 나타내는 특성도.

도 4는 본 발명에 적용되는 MC-CDMA 방식을 이용하는 이동통신 시스템에서의 프레임의 시간 영역에 대한 구조도.

도 5는 본 발명에 적용되는 파일럿 프레임의 시간 영역에 대한 구조도.

도 6은 본 발명에 따른 반송파 주파수 편이 추정 방법에 대한 일실시예 흐름도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

211: 데이터 및 채널 부호화부 212: 변조부

213, 220: 승산기 214: 직/병렬 변환부

215: 역퓨리에변환부 216: 반복신호 삽입부

217: 병/직렬 변환부 218: 파일롯 프레임 삽입부

219: D/A 변환부 221: 기저대역 통과 필터

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 무선통신 시스템에 적용되는 반송파 주파수 편이 추정 방법에 있어서, 서로 다른 시간대에 전송된 신호들 간에 발생된 심볼의 위상차를 추정하는 제 1 단계; 상기 추정한 위상차를 반복되는 시간 간격으로 나누고 나눈값을 다시 소정의 값으로 나누어 주파수 편이를 계산하는 제 2 단계; 상기 계산된 주파수 편이의 범위를 확장한 후, 확장한 불완전 정수 값을 반올림하여 완전한 정수 값으로 만드는 제 3 단계; 및 상기 제 2 단계에서 계산한 주파수 편이와 상기 제 3 단계에서 반올림하여 구한 정수 값을 보상하여 최종적인 주파수 편이를 추정하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은, 대용량 프로세서를 구비한 무선통신 시스템에, 송신단에서 서로 다른 시간대에 전송된 신호들 간에 발생된 심볼의 위상차를 추정하는 제 1 기능; 추정한 위상차를 반복되는 시간 간격으로 나누고 나눈값을 다시 소정의 값으로 나누어 주파수 편이를 계산하는 제 2 기능; 주파수 편이 범위를 확장한 후, 확장한 불완전 정수 값을 반올림하여 완전한 정수 값으로 만드는 제 3 기능; 및 상기 제 2 기능에서 계산한 주파수 편이와 상기 제 3 기능에서 반올림하여 구한 정수 값을 보상하여 최종적인 주파수 편이를 추정하는 제 4 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명이 적용되는 MC-CDMA 방식을 이용하여 전송 신호를 확산하는 기본 개념을 나타내는 구성도로서, 승산기(111 내지 11N, 121 내지 12(N-1))들과, 가산기(130, 150)들과, 확산 및 부반송파 변조부(140 내지 14N)들로 구성된다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, MC-CDMA 방식은 한 사용자가 협대역을 갖는 여러 개의 부반송파(subcarrier)를 사용하여 신호를 확산하여 전송하며, 한 사용자가 사용하는 부반송파의 개수는 N개이다.

여기서, m번째 사용자로부터 입력된 전송 데이터 a_m[i]는 부반송파 개수와 동일한 N의 길이를 갖는 코드 c_m을 사용하여 각각의 가지에 확산된다. 여기서, c_m[n](단, n은 1 내지 N)은 N개의 길이를 갖는 코드 c_m의 n번째 원소를 의미하며, c_m은 서로 상호 직교성(orthogonality)을 갖는 코드들의 집합 c의 제 m번째 원소이다. 본 발명이 적용되는 MC-CDMA 시스템은 왈시-하다마드(Walsh-Hadamard) 행렬의 원소를 사용한다.

각각의 부반송파에는 입력된 데이터에 c_m의 각각 다른 원소가 곱하여져 배당된다. 이 입력 데이터 c_m의 각 원소와 이에 의하여 입력 데이터가 확산된 값들을 칩(chip)이라 부를 수 있으며, 코드 집합 c내의 모든 칩은 {-1,1}의 원소이다. 상호 직교성의 조건은 다음의 [수학식 1]과 같다.

여기서,은 l=m 일 때 1, l != m일 때 0인 함수이다.

각 가지에서는 입력 데이터와 칩을 곱하여 해당 주파수의 부반송파를 변조한다. 입력 데이터 심볼의 주파수가 1/T_b일 때 각 부반송파 주파수간의 간격은 1/T_b이다. 이 값들이 각 가지의 출력이 되며, 각 가지의 출력을 합하면 다중반송파 신호가 된다. 이 신호의 수식 표현은 다음의 [수학식 2]와 같다.

다중반송파 신호의 한 전송단위를 프레임이라 하며, 한 개의 입력 데이터가 하나의 프레임에 대응될 수도 있으나, 여러 개의 입력 데이터가 하나의 프레임에 대응될 수도 있으며, 도 1b가 이를 나타낸다. 도 1b 에서도 도 1a에서와 같은 동일한 개념으로 각 입력 데이터를 확산한 후, 여러 개의 입력 데이터에 해당하는 가지의 출력을 모두 더하여 다중반송파 신호를 생성한다.

도 2a는 본 발명이 적용되는 MC-CDMA 방식을 이용한 송신 장치의 구성도로서, 데이터 및 채널 부호화부(211)와, 변조부(212)와, 승산기(213)와, 직/병렬 변환부(214)와, 역퓨리에변환부(215)와, 반복신호 삽입부(216)와, 병/직렬 변환부(217)와, 파일롯 프레임 삽입부(218)와, D/A 변환부(219)와, 승산기(220)와,기저대역 통과 필터(221)를 구비한다.

도 2b는 본 발명이 적용되는 MC-CDMA 방식을 이용한 수신 장치의 구성도로서, 기저대역 통과 필터(231)와, 승산기(232)와, D/A변환부(233)와, 동기화부(234)와, 직/병렬 변환부(235)와, 반복신호 삽입부(236)와, 퓨리에변환부(237)와, 병/직렬 변환부(238)와, 승산기(239)와, 혼합부(240)와, 복조부(241)와, 디코더(242)를 포함한다.

도 2a 및 도 2b를 참조하여 살펴보면, 본 발명은 특정한 주파수 대역과 대역폭에 구애받지 않고 환경에 따라 가변적인 변형이 가능하므로 주파수 대역과 대역폭을 특정하지 않는다. 입력 데이터 a_m[i]c_m[n]을 주파수 영역의 데이터로 삼아 시간 영역의 신호에 대응하므로 송신 장치에서는 역퓨리에변환부(215)를, 수신 장치에서는 이의 역이므로 퓨리에변환부(237)를 사용한다.

역퓨리에변환부(215)의 출력은 그대로 전송되지 않고 전송 채널에서 발생하는 시간적 지연에 관련한 심볼간 간섭을 억제하기 위해 시간영역에서 반복신호 삽입부(216)를 통해 반복신호를 부가하게 되며, 시간 영역에서의 MC-CDMA 프레임의 구조는 도 4에 도시된 바와 같다.

도 3a는 도 1a에 도시된 MC-CDMA의 대역 확산에 따른 전송 신호의 주파수 영역상의 분포를 나타낸 것이다.

도 3b는 도 1b에 도시된 MC-CDMA의 대역 확산에 따른 전송 신호의 주파수 영역상의 분포를 나타낸 것이다.

도 3a 및 도 3b에서, '↑'는 각각의 변조된 부반송파를 나타내며, 부반송파 간의 간격은 입력 데이터 1 심볼 구간인 T_b의 역수인 1/T_b이다.

여기서, 부반송파의 개수는 확산 코드의 길이와 동일하며, 확산 대역 시스템의 프로세싱 이득(Processing Gain)에 해당한다.

그리고, 여러 데이터 심볼이 한 다중반송파 심볼을 이루는 경우에는 그 배열을 도 3a에서와 같이 두는 경우와 도 3b에서와 같이 두는 경우가 모두 가능하다.

도 4는 본 발명에 적용되는 MC-CDMA 방식을 이용하는 이동통신 시스템에서의 프레임의 시간 영역에 대한 구조를 나타낸다.

도 2a의 송신 장치에서 역퓨리에변환부(215)가 출력한 다중반송파 신호는 전송 채널의 시간 지연의 분산(delay spread)으로 인해 심볼간 간섭(ISI)을 겪을 수 있다.

따라서, 반복신호 삽입을 프레임의 전단부에 부가한다.

여기서, 반복신호 삽입은 역퓨리에변환부(215)가 출력하는 시간영역 시퀀스의 뒷부분 해당길이를 그대로 복사하여 사용하며, 그 길이는 채널에서 예상되는 시간 지연의 분산값보다 큰 값으로 환경에 따라 정한다.

도 5는 본 발명에 적용되는 파일럿 프레임의 시간 영역에 대한 구조도로서, 도 4의 기본적인 프레임의 구조를 유지하고 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, A와 A', B와 B'는 각각 동일한 시퀀스로 구성하며, 그 길이를 A와 A'는 N_a, B와 B'는 N_b로 하고 반복신호 삽입 부분을 제외한 전체프레임의 길이는 N으로 표시되었다.

여기서, N_a는 N_b보다 큰 값으로 하며, A와 A'가 바깥쪽에 위치하도록 한다.

또한, N_a와 N_b의 비율은 전송중 발생할 수 있는 주파수 편이가 부반송파간 주파수 간격인 1/T_b의 k배 일 때 다음의 [수학식 3]에 의하여 결정한다.

여기서, T_c는 T_b의 1/N로 하며,는 두 시퀀스 A와 A'간에 발생하는 위상차로부터 얻은 주파수 편이이다.

A와 B의 각 시퀀스는 채널 환경이 주파수 선택적인 경우를 고려하여 가상 잡음(PN) 코드를 역퓨리에변한부(215)의 입력으로 사용하여 얻은 출력으로 취하거나 그 출력의 일부분을 취한다.

도 6은 본 발명에 따른 반송파 주파수 편이 추정 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

도 6을 참조하여 살펴보면, 다음의 [수학식 4] 및 [수학식 5]를 이용한 최우도 추정(MLE : Maximum Likelihood Estimation) 알고리듬에 의해 동일 전송 심볼간 위상차를 추정한다(601).

즉, 송신기에서 각각 다른 시간에 전송되는 r(n)과 r(n+N)에 동일한 심볼을전송하는 경우 채널에서 유발한 두 심볼의 위상각 왜곡의 차는 ∠r(n+N)r^*(n)이며, 이를 여러 개 전송한 경우에 최우도 추정 알고리듬으로 구할 수 있다. 따라서, 다음의 [수학식 4] 및 [수학식 5]은 프레임 구조에서 각각 반복하여 전송된 A-A' 및 B-B' 간의 위상각을 최우도 추정한 값이다.

여기서, 주파수 편이는 위상차와 단순한 비례관계이므로, 위상차를 반복된 시간간격으로 나누고 이를 다시 2π로 나누어 주파수 편이를 구한다(602). 따라서, 다음의 [수학식 6]은 상기 [수학식 4]에서 최우도 추정된 위상차로부터 단순히 비례관계를 통하여 주파수 편이를 계산하는 식이다.

상기 [수학식 6]은 일정한 범위 내의 주파수 편이 발생 가능 범위를 가진 시스템에서만 유효하며, 이 편이 범위를 넘을 가능성이 있는 경우 사용할 수 없으므로, 이 범위를 확장하고자 상기 [수학식 5]에서 얻어진 추정값으로부터 다음의 [수학식 7]과 같이 주파수 편이 확장 범위를 구한다(603).

본 발명에서는 A-A'로부터의 추정은 정확한 추정값을 얻는 반면 그 추정가능 범위는 넓지 않으며, B-B'로부터는 정확도는 떨어지나 넓은 추정가능 범위를 갖도록 한다.

이러한, 차이는 위상각이 2π를 주기로 회전함에 따라 발생하며, 이에 따라 Φa와 2kπ를 합한 값일 수도 있다. 즉, 다음의 [수학식 7]은 k를 추정하는 식이며, 상기 [수학식 5]를 통해 제공되는 넓은 추정범위의 한계를 넘는 과도한 주파수 편이가 가정되지 않는 한 유효하고 그 한계는 본 발명의 특징인 자유로운 변형 가능성에 의하여 환경에 따라 조정될 수 있다.

그리고, 상기 [수학식 7]에 의해 얻어진 값 k는 정수이나 잡음 환경 등에 의하여 정수값을 갖지는 않으므로, k가 완전한 정수 값이 되도록 반올림한다(604).

이러한, 반올림 과정(604)을 거치므로써, 상기 [수학식 5]에서 발생하는 낮은 정확도가 최종적인 추정값에는 영향을 미치지는 않는다.

끝으로, 상기 [수학식 6]을 통해 얻어진 값과 반올림 과정(604)을 통해 얻어진 값을 다음의 [수학식 8]과 같이 보정하여 최종적인 주파수 편이를 계산한다(605).

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 다중대역 멀티미디어 무선통신 시스템의 수신단에서 전송된 신호의 주파수 편이를 신속하게 추정하여 전송 신호의 왜곡을 보상하므로써, 불필요한 시스템의 자원 낭비를 억제하면서 시스템의 성능 열화를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

따라서, 본 발명은, 밀리미터파 대역에서 데이터 전송속도가 약 32MHz인 경우와 이와 유사한 시스템 설정에서 추정가능 대역이 필요한 경우에 적합하고, 시스템 복잡도를 증가시키지 않으면서 주파수 편이를 신속하게 추정하므로써, 이동 멀티미디어 서비스를 구현하는 MC-CDMA 방식의 이동통신 시스템이 충실히 성능을 발휘할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 무선통신 시스템에 적용되는 반송파 주파수 편이 추정 방법에 있어서,

   서로 다른 시간대에 전송된 신호들 간에 발생된 심볼의 위상차를 추정하는 제 1 단계;

   상기 추정한 위상차를 반복되는 시간 간격으로 나누고 나눈값을 다시 소정의 값으로 나누어 주파수 편이를 계산하는 제 2 단계;

   상기 계산된 주파수 편이의 범위를 확장한 후, 확장한 불완전 정수 값을 반올림하여 완전한 정수 값으로 만드는 제 3 단계; 및

   상기 제 2 단계에서 계산한 주파수 편이와 상기 제 3 단계에서 반올림하여 구한 정수 값을 보상하여 최종적인 주파수 편이를 추정하는 제 4 단계

   를 포함하는 반송파 주파수 편이 추정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 3 단계는,

   상기 제 2 단계에서 계산한 주파수 편이 범위를 확장하는 제 5 단계; 및

   상기 제 5 단계에서 확장한 불완전 정수 값을 반올림하는 제 6 단계

   를 포함하는 반송파 주파수 편이 추정 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 단계의 위상차 추정 과정은,

   최우도 추정(MLE : Maximum Likelihood Estimation) 알고리듬에 의해 동일 전송 심볼간 위상차를 추정하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 편이 추정 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제 2 단계의 나누는 과정은,

   상기 나눈값을 실질적으로 2π로 나누는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 편이 추정 방법.
5. 대용량 프로세서를 구비한 무선통신 시스템에,

   송신단에서 서로 다른 시간대에 전송된 신호들 간에 발생된 심볼의 위상차를 추정하는 제 1 기능;

   추정한 위상차를 반복되는 시간 간격으로 나누고 나눈값을 다시 소정의 값으로 나누어 주파수 편이를 계산하는 제 2 기능;

   주파수 편이 범위를 확장한 후, 확장한 불완전 정수 값을 반올림하여 완전한 정수 값으로 만드는 제 3 기능; 및

   상기 제 2 기능에서 계산한 주파수 편이와 상기 제 3 기능에서 반올림하여 구한 정수 값을 보상하여 최종적인 주파수 편이를 추정하는 제 4 기능

   을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.