KR100364786B1 - 통신 시스템에서의 도플러 주파수 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 통신 시스템에 있어서 특히 차세대 이동통신 시스템의 채널 추정기를 이용하여 도플러 주파수를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 서로 다른 수신 경로의 각 채널 추정기 출력값들을 이용하여, 각 슬롯 단위의 파일롯 평균값의 변화량(경도)을 추정하는 단계와, 상기 경도 추정한 결과값들에 대해 퓨리에(스펙트럼) 변환하는 단계와, 상기 퓨리에 변환에 의한 N개의 벡터값들 중 그 진폭이 상대적으로 큰 벡터에 해당하는 주파수를 상기 도플러 주파수로 추정하는 것을 포함하여 이루어지는 도플러 주파수 측정 방법과, 그를 위한 서로 다른 각 수신 경로에 구비되는 다수개의 채널 추정기와, 상기 각 채널 추정기의 출력값들을 이용하여 각 파일롯 평균값의 변화량(경도)을 추정하는 경도 추정기와, 상기 경도 추정기의 출력들을 임시로 저장하는 버퍼와, 상기 임시 저장된 버퍼의 출력을 N개의 벡터로 주파수 편이하는 퓨리에 변환기와, 상기 퓨리에 변환기에 의한 N개의 벡터 중 그 진폭이 상대적으로 큰 벡터의 인덱스를 검출하여, 상기 검출된 인덱스로부터 도플러 주파수를 추정하는 마이크로 프로세서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 통신 시스템의 도플러 주파수 측정 장치에 관한 것이다.

Description

통신 시스템에서의 도플러 주파수 측정 방법{Method and Apparatus for Calculating Doppler Frequency in Communication System}

본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 차세대 이동통신 시스템의 채널 추정기를 이용하여 도플러 주파수를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 무선 통신 시스템에서의 채널 페이딩의 발생은 여러 가지 경우로 생각할 수 있는데, 특히 단말기의 움직임에 따라 채널 환경이 변화하여 발생하는 다중경로 페이딩이 일반적인 예이다. 상기 채널 페이딩 중 단기 페이딩(short-term fading)은 특히 도플러 주파수와 관계하는 것으로써, 단기간내 수신 신호가 급격히 변화하는 특성을 지니므로 통신 시스템내에서 중요한 환경 변화 요인이 된다.

예를 들어, 이동 단말기의 수신 신호가 이중 경로의 신호일 경우 그 수신 신호의 세기는 도 1과 같이 주기적으로 일정하게 감쇄하는 모양을 띈다. 그러나, 이동 단말기의 속도(v)가 증가하고, 경로수가 4로 증가하였을 때는 도 2a와 도 2b와 같이 더욱더 불규칙적으로 감쇄하는 양상을 띈다.

상기에서 확인된 바와 같이 도플러 주파수는 수신 신호의 세기를 급격하게 변화시키므로, 그 크기를 측정하여 통신 시스템의 에러 복구에 적용시킬 필요가 있다.

현재 가장 널리 이용되고 있는 코드 분할 다중접속(CDMA) 시스템에서는 상기 도플러 주파수가 모호 함수(ambiguity function)에 의해 구해진다.

협대역(narrowband)에서, 수신 신호 Sr(t)는 시간 지연(TD-Time Delay) 및 도플러 스트레치(DS-Doppler Stretch)에 의하여 다음 식1과 같이 나타낼 수 있다.

: 반사 및 감쇄에 대한 복소 상수

:;도플러 스트레치인자,c:전파 지연 상수

v:이동 물체의 상대속도

:;시간 지연:이동 물체의 움직임반경

이와 다르게 협대역(narrowband)의 송신 신호가 다음 식2와 같을 경우,

r(t);복소 포락선(envelope)

상기 송신 신호에 대한 수신 신호는 다음 식3과 같이 나타낸다.

,

상기 도플러 스트레치(stretch) 인자()에서 이동 물체의 속도(v)는 전파 지연 상수(c)보다 훨씬 작기 때문에 도플러 스트레치 인자의 역수()는와 같이 근사화된다.

따라서, 도플러 주파수는 다음 식4와 같이 근사화된다.

한편, 상기 협대역 수신 신호에서 도플러 주파수의 근사화는가 시간(Time of signal duration)-점유대역(Bandwith) 프러덕트(TB)보다 훨씬 클 때에만 적용가능한 반면에, 실제적인 광대역 신호에서는가 시간(Time of signal duration)-점유대역(Bandwith) 프러덕트(TB)에 비해 상대적으로 아주 큰 값을 가지지 못하므로 광대역 수신 신호의 근사화에는 모순이 발생한다.

따라서, 광대역 수신 신호에 대한 도플러 스트레치(stretch) 인자()는 다음 식5와 같이 수신 신호의 상관(correlation)을 구하는 모호 함수에 의하여 구한다.

:도플러 스트레치(stretch) 인자:도플러 스트레치(stretch) 변수

:시간 지연: 시간 지연 변수

: 반사 및 감쇄에 대한 복소 상수

상기 도플러 스트레치(stretch) 인자()는 상기 모호 함수가 최대 상관값을 갖는 좌표(,)로부터 얻을수 있는데, 상기 최대 상관값을 구하기 위하여 상기 식5를 슈왈츠부등식(Schawtz Inequality)에 의하여 다음 식6과 같이 나타낸다.

상기 식6에서 Es는 송신 신호의 에너지로서와 같이 정의된다. 상기 슈왈츠부등식(Schawtz Inequality)에서 등식(=)은와가 0보다 크고, s()가 s()에 비례하는 즉,및를 만족할 때만 성립한다.

따라서, 도플러 스트레치 인자()는를 만족하는 값으로부터 추정된다.

그러나, 실질적으로 송신 신호는 통신 시스템을 거치면서 잡음을 수반하게 되므로 상기 최고 상관값을 갖는 좌표()는 임의의 좌표()로 이동한다. 따라서, 상기 최고 상관값을 갖는 좌표()에 의한 도플러 스트레치 인자()는 임의의 인자값()값으로 변하게 된다. 따라서, 종래 기술에서 구하고자 하는 도플러 스트레치(stretch) 인자는의 값으로 추정된다.

즉, 잡음에 의해서 도플러 스트레치(stretch) 인자()는로써 추정되므로, 오차 측정(-) 을 하게 되는 것이다.

따라서, 상기 모호 함수에 의해서 정확한 도플러 주파수를 추정하기 위해서는 높은 신호대 잡음비(Signal/Noise)하에서 이루어져야 하므로 열악한 환경하에서는 정확한 도플러 측정이 어렵다. 또한, 상기 모호 함수의 최대 상관값으로부터 도플러 주파수 스트레치(stretch) 인자()를 구하기 위해서 많은 계산량을 필요로 하므로 시간 지연이 수반되며, 별도의 추가적인 하드웨어 장치도 필요하게 되는 문제점이 있다.

또한, 종래의 채널 추정에서는 도플러 주파수를 사용하지 않는 구조가 이용되므로, 도플러 주파수에 따라 적합한 파일롯 심볼수나 이들 심볼들의 가중치를 변환시키지 못하여 최적의 성능을 기대할 수 없는 문제점도 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로써, 통신 시스템에서 각 슬롯 단위의 파일롯 평균값 변화량을 이용하여 도플러 주파수를 측정하는 방법 및 그 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 트래픽 채널과 시분할 다중화된 파일롯 심볼을 전송하는 시스템뿐만 아니라 별도의 파일롯 채널을 전송하는 시스템에서 파일롯을 이용하여 도플러 주파수를 측정하는 방법 및 그 장치를 제공하고자 하는 것이다.

이상과 같은 본 발명에 따른 일 특징에 따르면, 서로 다른 수신 경로의 각 채널 추정기 출력값들을 이용하여, 각 슬롯 단위의 파일롯 평균값의 변화량(경도)을 추정하는 단계와, 상기 경도 추정한 결과값들에 대해 퓨리에(스펙트럼) 변환하는 단계와, 상기 퓨리에 변환에 의한 N개의 벡터값들로부터 도플러 주파수를 추정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 퓨리에 변환에 의한 N개의 벡터값들중 그 진폭이 상대적으로 큰 벡터의 주파수를 상기 도플러 주파수로 추정하는데 있어, 상기 각 슬롯단위의 주기에 해당하는 주파수값의 절반을 상기 벡터값 개수(N)로 나누어, 가장 큰 진폭을 갖는 벡터의 인덱스를 곱한 값을 갖는 것을 포함하여 이루어진다.

이상과 같은 본 발명에 따른 또 다른 특징에 따르면, 서로 다른 각 수신 경로에 구비되는 다수개의 채널 추정기와, 상기 각 채널 추정기의 출력값들을 이용하여 각 파일롯 평균값의 변화량(경도)을 추정하는 경도 추정기와, 상기 경도 추정기의 출력들을 임시로 저장하는 버퍼와, 상기 임시 저장된 버퍼의 출력을 N개의 벡터로 주파수 편이하는 퓨리에 변환기와, 상기 퓨리에 변환기에 의한 N개의 벡터 중 그 진폭이 상대적으로 큰 벡터의 인덱스를 검출하여, 상기 검출된 인덱스로부터 도플러 주파수를 추정하는 마이크로 프로세서를 포함하여 이루어진다.

도 1은 종래 기술에 따른 이중 경로에서의 채널 페이딩(fading)을 보여주는 그래프

도 2a는 경로수가 4일 때, 종래 기술에 따른 채널 페이딩(fading)의 일 예를 보여주는 그래프.

도 2b는 경로수가 4일 때, 종래 기술에 따른 채널 페이딩(fading)의 또 다른 예를 보여주는 그래프.

도 3은 차세대 이동통신 시스템에서 채널 추정에 이용되는 일반적인 채널 구조를 보여주는 도면.

도 4은 본 발명에 따른 도플러 주파수 추정을 위한 블록 구성도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

401 : 채널 추정기 405 : 최고 인덱스 검출부

402 : 경도 추정기 406 : 도플러 주파수 검출부

403 : 버퍼 407 : 마이크로 프로세서

404 : 퓨리에 변환기(FFT)

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 차세대 이동통신 시스템에서 채널 추정에 이용되는 일반적인 채널 구조를 보여주는 도면이다.

도 4은 본 발명에 따른 도플러 주파수 추정을 위한 블록 구성도이다.

도플러 주파수(fd)는 이동 단말기가 움직이고 있을 때, 수신 신호의 단말기에 대한 입사각()과 단말기의 이동 속도(v)에 의하여 반송파 주파수가 편이되는 정도를 가리키는 것으로서 다음과 같은 수식에 의해서 구해진다.

: 주파수 파장

( - )t] A:진폭

따라서, 수신 신호(Sr)가 Aexp[j2 *t]와 같다고 할 때, 상기 수신 신호는 상기 도플러 주파수만큼의 옵셋이 생긴다.

그러므로, 본 발명은 채널 추정기로부터 출력되는 수신 신호의 옵셋(추정 에러)을 이용하여 도플러 주파수를 추정한다.

구체적으로, 수신 신호가 기저대역 신호로 떨어졌을 때에도 상기 수신 신호는 수신기나 송신기의 속도(v)와 수신 신호의 입사각도()에 따라 일정한 주파수를 가진다. 채널 추정기에서는 이런 변화하는 수신 신호의 위상정보와 크기 정보를 추정 에러 성분으로 뽑아낸다.

즉, 채널 추정기의 출력 신호에는 추정 에러 성분이 포함되어 있는데, 추정 에러 성분은 주파수상에서 고루 분포되어 있다. 반면, 상기 추정 에러 성분 중 특정 주파수 성분이 강하게 나타나는데, 이러한 주파수가 도플러 주파수이다.

따라서, 채널 추정기의 출력은 도플러 정보를 갖고 있으므로 채널 추정기에 의해 잡음이 어느 정도 제거된 상태에서 채널 추정기의 출력 신호에 경도를 취하면 직류(DC)성분은 감쇄되고 주파수 성분은 경도값에 그대로 남는다.

상기에서의 각 경로의 경도 추정은 다음과 같은 이유에 의해서 가능하다.

현재 차세대 이동통신 시스템에서는 채널 추정을 하는 여러 개의 핑거(finger)가 존재하는데, 상기의 각 핑거에 구비되어 있는 각 채널 추정기는 도 3과 같은 채널 구조를 갖는 하나의 경로를 잡아서 채널 추정을 한다. 즉, 차세대 이동통신 시스템에서는 하나의 경로를 분리할 수 있다. 따라서, 하나의 경로를 이루는 각 슬롯에 대한 파일롯 평균값의 변화량 즉, 경도의 추정이 가능하다.

따라서, 상기 경도 추정 결과값들에 대해 고속 퓨리에 변환(FFT)하여 N개의 벡터값들로 주파수 편이시키고, 상기 N개의 벡터값들 중 그 진폭이 가장 큰 벡터에 해당하는 주파수를 도플러 주파수로 추정한다.

상기 도플러 주파수를 추정하는 방식은 상기 도 4와 같이 도플러 주파수를 추정하는 블록도에 근거하여, 다음과 같은 수학식 9 내지 11에 의하여 추정한다.

상기 도 3에서 l 경로의 n번째 슬롯의 파일롯 평균값은 다음 식9와 같이 나타낸다.

여기서, Np는 한 경로(채널)의 한 슬롯에 포함되는 파일롯 비트수이고,은 l경로 n 번째 슬롯의 m개의 비트수를 갖는 파일롯 비트 평균값이다.따라서 수학식 9를 통해 슬롯 단위로 파일롯 비트의 평균값을 구할 수 있고, 슬롯 단위의 파일롯 비트의 평균값을 구함에 따라, 슬롯 단위의 파일롯 평균값의 변화량(경도)을 식 10과 같이 구할 수 있다.

여기서 심볼수(symbolnum)는 각 슬롯에 들어 있는 심볼수이다. 슬롯의 주기는 0.625ms로 고정되어 있다.따라서, 경도값의 샘플링 주파수(Fs)는 1/0.625ms에 따라 1.6KHz이며, 고속 퓨리에 변환(FFT)에 의해 얻을 수 있는 최대 주파수는 1.6KHz의 반인 800Hz이다.만약 고속 퓨리에 변환(FFT)의 출력 벡터가 N개이고 각각의 벡터에 0부터 N-1의 인덱스로 부여했다면 가장 큰 진폭을 갖는 인덱스(최고 인덱스)의 주파수 즉, 도플러 주파수는 다음 식11과 같이 구할 수 있다.

즉 샘플링(sampling) 주파수 Fs를 퓨리에 변환(FFT)하는 경우 Fs/2가 최대의 샘플링 주파수가 되는데, 그에 따라 FFT의 출력은 -800Hz에서 800Hz 사이의 전력 분포를 나타내고, 800hz가 최대의 주파수가 되며, 이때 신호의 벡터 크기가 N이므로 N/2(N은 짝수)의 인덱스(index)에서 800Hz와 맵핑(mapping) 된다. 따라서 예를 들어 인덱스 M의 진폭이 가장 크다면, 도플러 주파수 fd는 800*최고인덱스(M)/벡터크기(N)로 구하게 된다.요약하면, 상기 도 4에서 경도 추정기(402)는 채널 추정기(401)로부터 수학식 9에 나타낸 바와 같이 파일롯 비트의 평균값을 입력받아 파일롯 비트 평균값의 변화량 즉, 경도값을 수학식 10과 같이 추정한다. 상기 추정된 경도값은 버퍼(403)에 임시 저장된다. 퓨리에 변환기(404)는 상기 버퍼(403)에 저장된 경도값을 고속 퓨리에 변환시킨다. 상기 퓨리에 변환기(404)에 의해 변환된 N개의 벡터값들이 최고치 인덱스 검출부(405)에 입력되면 진폭이 가장 큰 인덱스가 검출되며 이후 그 검출된 인덱스를 이용하여 수학식11과 같이 도플러 주파수를 검출한다(406).

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 채널 추정에 의한 도플러 주파수를 측정.하므로, 도플러 주파수에 따라 그 성능이 달라지는 다른 여러 시스템에 적용가능하다.

상기의 채널 추정에 의한 도플러 주파수를 시스템내의 채널 추정에 이용할 경우에는 유용한 슬롯수, 파일롯 심볼수의 결정이 가능하고, 파일럿 평균값을 취할 수 있는 가중치의 조절이 가능하다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 서로 다른 수신 경로의 각 채널 추정기 출력값들을 이용하여, 각 파일롯 슬롯 단위의 평균값의 변화량(경도)을 추정하는 단계와;

   상기 경도 추정의 결과값들에 대해 퓨리에(스펙트럼) 변환하는 단계와;

   상기 퓨리에 변환에 의한 N개의 벡터값들로부터 도플러 주파수를 추정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 통신 시스템에서의 도플러 주파수 측정 방법.
2. 상기 제 1항에 있어서,

   상기 도플러 주파수는, 상기 각 슬롯단위의 주기에 해당하는 주파수값의 절반을 상기 벡터값 개수(N)로 나누어, 가장 큰 진폭을 갖는 벡터의 인덱스를 곱한 값을 갖는 것을 특징으로 하는 통신 시스템의 도플러 주파수 측정 방법.
3. 서로 다른 각 수신 경로에 구비되는 다수개의 채널 추정기와;

   상기 각 채널 추정기의 출력값들을 이용하여 각 파일롯 평균값의 변화량(경도)을 추정하는 경도 추정기와;

   상기 경도 추정기의 출력들을 임시로 저장하는 버퍼와;

   상기 임시 저장된 버퍼의 출력을 N개의 벡터로 주파수 편이하는 퓨리에 변환기와;

   상기 퓨리에 변환기에 의한 N개의 벡터 중 그 진폭이 상대적으로 큰 벡터의 인덱스를 검출하여, 상기 검출된 인덱스로부터 도플러 주파수를 추정하는 마이크로 프로세서로 구성되는 것을 특징으로 하는 통신 시스템의 주파수 측정 장치.