KR100405657B1 - 무선통신 시스템의 주파수 추정방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 무선통신 시스템의 주파수 추정 장치는, 서로 다른 수신 경로의 구비되는 채널 추정기와; 상기 각 채널 추정기의 출력 값들을 미분하여 경도 성분의 분포에 따라 주파수를 추정하는 경도 추정기와; 상기 경도 추정기의 출력 값을 추정하고자 하는 최대 도플러 주파수의 주파수 대역으로 필터링하는 로우패스필터와; 상기 필터링된 주파수 대역의 신호를 일정 시간 단위로 정규화하는 정규화부와; 상기 정규화된 값에 절대값을 구하는 절대값 검출부와; 상기 구해진 절대값의 확률 분포를 이용하여 도플러를 추정하는 확률밀도함수 발생기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 같은 본 발명에 의하면, 서로 다른 경로에 구비되는 채널 추정기의 채널출력 신호를 미분하여 경도를 추정하고, 이 값을 추정하고자 하는 최대 도플러 주파수로 필터링시킨 후 정규화하고 절대값을 취한 후, 이 값의 확률분포를 이용하여 도플러를 추정할 수 있도록 함에 있다.

Description

무선통신 시스템의 주파수 추정방법 및 장치{Method and Apparatus for frequency presumption in wireless communication system}

본 발명은 무선 통신 시스템에서 도플러 주파수 측정에 관한 것으로, 특히 도플러 주파수를 측정하여 도플러 주파수에 민감한 채널 추정기등과 같은 장치에 정보를 보내 채널 추정에 이용되는 파일럿 심볼수와 각각의 각 심볼의 가중치를 변화시켜 보다 나은 성능을 갖도록 하기 위한 주파수 추정장치에 관한 것이다.

일반적으로 무선 통신 시스템에서의 채널 페이딩의 발생은 여러 가지 경우로 생각할 수 있는데, 특히 단말기의 움직임에 따라 채널 환경이 변화하여 발생하는 다중 경로 페이딩이 일반적인 예이다. 즉, 도 1내지 도 3과 같이 주변의 물체(scatter) 유무에 따른 이동국의 움직임에 의해서 채널의 특성이 변화는 경우이다.

상기 채널 페이딩 중 단기 페이딩(short-term fading)은 특히 도플러 주파수와 관계하는 것으로써, 단기간내 수신신호가 급격히 변화하는 특성을 지니므로 통신 시스템내에서 중요한 환경 변화 요인이 된다.

예를 들어, 이동 단말기의 수신신호가 이중 경로의 신호일 경우 그 수신신호 세기는 도 4와 같이 주기적으로 일정하게 감쇄하는 모양을 뛴다. 그러나 이동단말기의 속도가 증가하고, 경로수가 증가하였을 때는 더욱더 불규칙적으로 감쇄하는 양상을 뛴다.

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 다중 접속(CDMA) 시스템에서는 상기 도플러 주파수가 모호함수(Ambiguity function)에 의해 구해진다. 협대역에서 수신신호 Sr(t)는 시간 지연(TD-Time Delay) 및 도플러 스트레치(DS-Doppler Stretch)에 의하여 다음 식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,: 반사 및 감쇄에 대한 복소 상수,; 도플러 스트레치인자, c: 전파 지연상수, v: 이동 물체의 상대속도,; 시간 지연, R₀: 이동 물체의 움직임 반경이다.

이와 다르게 협대역(narrowband)의 송신신호가 다음 식 2와 같을 경우,

여기서, r(t); 복소 포락선(envelope)이다.

상기 송신 신호에 대한 수신신호는 다음 식 3과 같이 나타난다.

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 식 4와 같이 근사화된다.

한편, 상기 협대역 수신 신호에서 도플러 주파수의 근사화는가 시간(time of signal duration)-점유대역(bandwidth) 프러덕트() 보다 훨씬 클때에만 적용 가능한 반면에, 실제적인 광대역 신호에서는가 시간(time of signal duration)-점유대역 프러덕트()에 비해 상대적으로 아주 큰 값을 가지지 못하므로 광대역 수신신호의 근사화에는 모슨이 발생한다.

따라서, 광대역 수신신호에 대한 도플러 스트레치(stretch) 인자()는 다음 식 5와 같이 수신 신호의 상관(correlation)을 구하는 모호 함수에 의하여 구한다.

여기서, *: 공액 복소수,: 도플러 스트레치 인자,: 도플러 스트레치 변수,: 시간 지연,: 시간 지연 변수,: 반사 및 감쇄에 대한 복소 상수이다.

상기 도플러 스트레치 인자()는 상기 모호 함수가 최대 상관값을 갖는 좌표()로부터 얻을 수 있는데, 상기 최대 상관값을 구하기 위하여 상기 식 5를 슈왈츠 부등식(Schawtz Inequality)에 의하여 식 6과 같이 나타낸다.

상기 식 6에서 Es는 송신 신호의 에너지로서와 같이 정의된다. 상기 슈왈츠 부등식에서 등식(=)은와가 0보다 크고,가에 비례하는 즉,및를 만족할 때만 성립한다.

따라서, 도프러 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 인자()값으로 변화게 된다. 따라서 종래 기술에서 구하고자 하는 도플러 스트레치 인자는의 값으로 추정된다.

즉, 잡음에 의해서 도플러 스트레치 인자는로써 추정되므로, 오차 측정()을 하게 되는 것이다.

따라서 모호 함수에 의해서 정확한 도플러 주파수를 측정하기 위해서는 높은 신호대 잡음비(S/N)하에서 이루어져야 하므로 열악한 환경하에서 정확한 도플러 측정이 어렵다. 또한 상기 모호 함수의 최대 상관값으로부터 도플러 주파수 스트레치 인자를 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 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 서로 다른 경로에 구비되는 채널 추정기의 채널출력 신호를 미분하여 경도를 추정하고, 이 값을 추정하고자 하는 최대 도플러 주파수로 필터링시킨 후 정규화하고 절대값을 취한 후, 이 값의 확률분포를 이용하여 도플러를 추정할 수 있도록 한 무선통신 시스템의 주파수 추정 방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 주변에 스캐터가 없고 이동국이 이동하는 경우의 예를 나타낸 도면.

도 2는 주변에 스캐터가 없고 이동국이 이동하는 경우의 예를 나타낸 도면.

도 3은 주변에 스캐터가 있는 경우(N개의 경로가 존재할 경우)의 예를 나타낸 도면.

도 4는 도 2의 이동국에서 이중 경로에서의 채널 페이딩을 보여주는 그래프.

도 5는 본 발명 실시 예에 따른 무선통신 시스템의 주파수 추정장치를 나타낸 블록 구성도.

도 6은 이동국의 속도가 100Km/h일 때 경로가 32개 합해졌을 때 채널 페이딩을 보여주는 그래프.

도 7은 도 5 이동국의 속도가 100Km/h일 때 전력 페이딩을 나타낸 그래프.

도 8은 이동국의 속도가 10Km/h 일 때 채널 페이딩을 보여주는 그래프.

도 9은 이동국의 속도가 10Km/h일 때 신호 전력 변화를 보여주는 그래프.

도 10은 이동통신 시스템에서 채널 추정에 이용되는 일반적인 채널 구조를 보여주는 도면.

도 11은 본 발명 실시 예에 따른 채널의 잡음비가 0일 때 이동국 속도가100Km/h일 때 경도의 분포도.

도 12는 채널의 잡음비가 1일 때 이동국 속도가 100Km/h일 때 경도의 분포도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101...기지국 102...이동국

103...물체 501...채널 추정기

502...경도 추정기 503...로우패스 필터

504...정규화부 504...절대값 검출부

505...확률밀도함수 발생기

상기한 목적 달성을 위한, 본 발명 실시 예에 따른 무선통신 시스템의 주파수 추정 방법은,

서로 다른 수신 경로의 각 채널 추정기의 출력 값을 주파수 성분을 추출하는 단계;

상기 추출된 주파수를 원하는 주파수 대역으로 필터링시키는 단계;

상기 필터링된 신호를 일정 시간 단위로 정규화하는 단계;

상기 정규화된 값의 절대값을 구하는 단계;

상기 절대값의 확률 분포를 이용하여 도플러 주파수를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 채널 추정기의 출력 값에서 주파수 성분을 추출하기 위해채널 추정기의 출력 값을 미분하여 경도 성분의 분포에 따라 주파수를 추정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 필터링은 추정하고자 하는 최대 도플러 주파수의 주파수 대역으로 필터링하는 것을 특징으로 한다.

본 발명 실시 예에 따른 무선통신 시스템의 주파수 추정장치는, 서로 다른 수신 경로에 구비되는 채널 추정기와; 상기 각 채널 추정기의 출력 값들을 미분하여 경도 성분의 분포에 따라 주파수를 추정하는 경도 추정기와; 상기 경도 추정기의 출력 값을 추정하고자 하는 최대 도플러 주파수의 주파수 대역으로 필터링하는 로우패스필터와; 상기 필터링된 주파수 대역의 신호를 일정 시간 단위로 정규화하는 정규화부와; 상기 정규화된 값에 절대값을 구하는 절대값 검출부와; 상기 구해진 절대값의 확률 분포를 이용하여 도플러를 추정하는 확률밀도함수 발생기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명 실시 예에 따른 무선통신 시스템의 주파수 추정장치를 나타낸 블록 구성도이고, 도 6은 이동국의 속도가 100Km/h일 때 경로가 32개 합해졌을 때 채널 페이딩을 보여주는 그래프이고, 도 7은 이동국의 속도가 100Km/h일 때 전력 페이딩을 나타낸 그래프이며, 도 8은 이동국의 속도가 10Km/h 일 때 채널 페이딩을 보여주는 그래프이고, 도 9은 이동국의 속도가 10Km/h일 때 신호 전력 변화를 보여주는 그래프이며, 도 10은 이동통신 시스템에서 채널 추정에 이용되는 일반적인 채널 구조를 보여주는 도면이고, 도 11 및 도 12는 본 발명 실시 예에 따른 채널의 잡음비가 0, 1일 때 이동국 속도가 100Km/h일 때 각 경도의 분포도이다.

도 5를 참조하면, 무선 통신 시스템의 주파수 추정 장치는 서로 다른 수신 경로에 구비되는 채널 추정기(501)와; 상기 각 채널 추정기의 출력 값들을 미분하여 경도 성분의 분포에 따라 주파수를 추정하는 경도 추정기(502)와; 상기 경도 추정기(502)의 출력 값을 추정하고자 하는 최대 도플러 주파수의 주파수 대역으로 필터링하는 로우패스필터(LPF)(503)와; 상기 필터링된 주파수 대역의 신호를 일정 시간 단위로 정규화하는 정규화부(504)와; 상기 정규화된 값에 절대값을 구하는 절대값 검출부(505)와; 상기 구해진 절대값의 확률 분포를 이용하여 도플러를 추정하는 확률밀도함수(PDF: Probability Density Function) 발생기(506)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 무선 통신 시스템의 주파수 추정 방법 및 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 무선통신 시스템에서 채널 추정기의 출력 변화 특성을 이용하여 도플러 주파수를 측정하는 방식으로서, 트래픽 채널(traffic channel)과 시분할 다중화된 파일럿 심볼을 전송하는 시스템뿐만 아니라 별도의 파일럿 심볼로만 구성된 채널(CPICH: Common Pilot Channel)을 전송하는 시스템에서 파일럿을 이용하여 도플러 주파수를 추정할 수 있다.

이러한 채널 추정기(501)의 출력 특성 변화에 따른 도플러 주파수의 채널 특성 변화를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도플러 주파수에 의한 페이딩 생성 원리를 보면, 도플러에 의한 페이딩은 채널 페이딩 중 단구간 페이딩(short-term fading)에 해당하며, 상기 단구간 페이딩은 두 가지 경우로 생각할 수 있는데, 단말기가 정지했는데 주변 물체(scatter)의 움직임에 의해 신호의 세기가 변하는 경우와 이동국의 움직임에 의한 채널 특성이 바뀌는 경우이다.

이동국의 움직임에 의한 채널 특성 변화에는, 첫 번째 경우는 도 1과 같이 주변에 물체(Scatter)가 없다는 가정하에 이동국의 움직임에 의해서 채널의 특성이 시간에 따라 변화는 경우다. 두 번째 경우는 도 2 및 도 3과 같이 주변에 물체가 있을 때 이동국의 움직임에 따라 채널 특성이 바뀌는 경우로서 도 3의 경우는 레일리(Rayleigh) 페이딩에 해당한다.

도 1은 주변에 물체(scatter)가 없는 경우로서, 기지국(101)으로부터 이동국(102)으로 송출된 입사신호는 경로수가 1이고, 입사각은 θ이며, 이동국(102)이 속도(v)로 이동하고 있는 경우이고, 도 2 및 도 3은 주변에 물체(scatter)가 존재하는 경우로서 도 2는 이동국(102)의 이동 방향의 반대 방향에 반사체가 있고 신호 손실을 0으로 가정하였고 입사각은 0°와 180°인 경우이며, 도 3은 이동국(102) 주변에 물체(scatter)(103)가 있는 경우(N개의 경로가 존재할 경우)로 기지국으로부터 송출된 신호가 다중 경로를 갖고 이동국(102)에 입사되는 예이다.

여기서, 도플러 주파수(f_D)는 이동국(102)이 움직이고 있을 때, 수신 신호(Sr)의 이동국(102)에 대한 입사각(θ)과 이동국(102)의 이동 속도(v)에 의하여 반송파 주파수가 편이되는 정도를 가리키는 것으로서 다음과 같은 수식에 의해구해진다.

여기서 β는 파 상수(wave number) 즉, β= 2π/λ이다. ft는 발신 주파수, x는 이동거리로서 = Vt이다. A는 진폭으로 단 구간 페이딩에서는 상수로 가정할 수 있다.

식 7을 다시 쓰면 식 8과 같다.

따라서 수신 주파수(Sr)는 도플러 주파수 만큼의 옵셋이 생긴다. 여기서 도플러 주파수(f_D)는 식 9와 같다.

, λ는 주파수 파장이다.

도 2와 같이 이동국이 이동을 하고 주위에 물체(scatter)가 있을 경우, 간단한 예로 신호의 입사각(θ)이 이동국의 이동방향과 같고 즉, 입사각(θ)이 0°이고 반대방향(180°)에서 신호가 반사되어 같은 크기로 들어오는 경우를 가정하여 보자.

입사각(θ)이 0°일 때 신호는 식 10과 같다.

입사각(θ)이 180°일 때 신호는 식 11과 같다.

따라서 결과적으로 두 가지의 신호와 합해진 신호로 식 12로 표현된다.

이 신호의 진폭(A)을 보면 다음과 같다. 신호의 전력을 dB단위로 그래프를 그리면 도 4와 같다.

이 모델을 확장하여 여러 개의 신호가 여러 방향에서 수신되는 신호를 모델링하면 다음과 같다. 즉, 도 3과 같이 N개 신호가 0~π까지 균일한 랜덤분포의 각도로 수신되고 각각의 신호 전력의 합을 1로 가정한다. 그리고 각각의 위상은 독립적이고 0~2π로 균일 분포를 갖는다고 하면 기저대역 신호는 다음과 같은 수식으로 표현된다.

여기서, A_i: I번째 경로 신호의 진폭,: i 번째 경로 신호의 수신 강도,: I번째 경로 신호의 위상, f_m: 최대 도플러(Maximum doppler) 주파수이다.

여기서, 경로(N)를 32개로 하고 이들이 합하고 이동국의 속도를 100km/h로 가정하였을 때 신호의 동위상(inphase) 성분을 도시하면 도 6과 같고, 이의 전력 페이딩은 도 7과 같다.

도 6은 이동국의 속도가 100km/h일 때이고 도 8은 이동국의 속도가 10km/h일 때를 나타낸 것으로, 도 6과 도 8의 이동 속도 변화에 따른 수신 신호의 변화량으로 도플러 추정이 가능하다. 이때 기지국과 이동국과의 주파수 차이를 0으로 가정하고 방식을 유도하였다. 실제 도플러 주파수 추정을 하여 채널 추정기의 대역폭을 결정하는 목적상 주파수 오프셋을 따로 구분하여 순수 도플러 성분만 추정할 필요는 없지만 자동주파수 제어(AFC)가 어느 정도 고정(Lock)된 상태에서 도플러 추정기가 돌아가야 할 것이다.

이러한 도플러 주파수 추정장치에 대해 도 5를 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

먼저 추정하고자 하는 이동국이 최대 속도를 200km/h로 가정할 때 최대 도플러 주파수는 약 370Hz이다. 코히런스 시간은 2.7ms이다. 따라서 도플러 추정기에 이용되는 채널 추정기(501)의 샘플링 레이트(sampling rate)가 740Hz이상이 되어야 하고 이에 따른 샘플링 주기는 최대 1.35ms이다. 무선 이동 통신 시스템의 순방향에서 CPICH라는 파일럿 전용 채널이 존재하고 역방향에서 파일롯의 주기가 0.667ms이므로 역방향에서도 채널 추정이 가능하다.

여기서, 차세대 이동통신 시스템에서는 채널 추정을 하는 여러 개의 핑거(finger)가 존재하는데, 각 핑거에 구비되어 있는 각 채널 추정기는 도 9와 같은 채널 구조로 각 슬롯마다 파일롯 비트가 존재하므로 하나의 경로를 잡아서 채널 추정을 한다.즉, 상기 채널 추정기(501)는 채널을 추정한 후, 상기 추정된 채널에 대하여 각 슬롯마다 파일롯 평균값을 구하여 경도 추정기(502)에 전송한다. 여기서, 상기 파일롯 평균값은 채널 추정기(501)의 채널 출력 신호일 수 있다.상기 경도 추정기(502)는 상기 채널 추정기(501)로부터 전송된 파일롯 평균값을 미분하여 경도를 구한다. 즉, 상기 경도 추정기(502)는 상기 채널 추정기(501)로부터 전송된 각 슬롯에 대한 파일롯 평균값을 이용하여 슬롯 단위의 파일롯 평균값의 변화량 즉, 경도를 구한다.상기 로우패스 필터(503)는 상기 경도 추정기(502)에서 구해진 경도값을 추정하고자 하는 주파수 대역으로 필터링시킨다. 왜냐하면, 상기 채널 추정기(501)의 출력 신호를 경도 추정기(502)에서 미분하면, 잡음에 따른 순간적 경도 변화 성분까지 제로 크로싱(zero crossing)에 포함이 되기 때문에 추정하고자 하는 최대 도플러 주파수인 370Hz의 주파수 대역으로 필터링시켜야한다.

상기 정규화부(504)는 상기 로우패스 필터(503)에 의해 필터링된 주파수 대역 신호를 유효한 값으로 일정 시간 단위로 정규화(normalize)시킨다.

상기 절대값 검출부(505)는 상기 정규화부(504)에서 정규화된 값에 대해 절대값을 취한 후, 확률밀도함수 발생기(506)에 전송한다. 즉, 절대값 검출부(505)는 상기 정규화부(504)에서 정규화된 값은 음의 값과 양의 값 중 적어도 하나이므로, 절대값을 취하여 양의값이 되게 한다.상기 확률밀도함수 발생기(506)는 상기 절대값 검출부(505)에서 절대값을 취한 값의 확률분포를 이용하여 도플러 주파수를 추정한다. 즉, 상기 확률밀도함수 발생기(506)는 상기 절대값 검출부(505)에서 구해진 확률분포에서 가장 큰 주파수 성분을 추출하여 도플러 주파수로 추정한다.

도 11과 도 12는 각각 잡음비(Eb/No)가 0dB일 때와 1dB일 때 분포도를 시뮬레이션하여 구한 것으로, 분포도를 비교하면 정규화하였기 때문에 피크점(0.923, 0.924)의 위치가 다르지 않다.

상기와 같이 구해진 도플러 주파수에 따라 채널 추정시 시스템내에서 이용할 수 있는 유용한 슬롯수, 파일롯 심볼수를 결정하고 파일럿 평균값을 취할 수 있는 가중치를 조절할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 채널 추정에 의한 도플러 주파수를 측정하므로 도플러 주파수에 따라 그 성능이 달라지는 다른 여러 시스템에 적용 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면, 채널 추정기의 출력 변화 특성에 따른 도플러 주파수를 추정함으로써 채널 추정기의 대역폭을 조정하여 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 서로 다른 수신 경로의 각 채널 추정기의 출력값을 이용하여 슬롯 단위의 파일롯 평균값의 변화량(경도)를 구하는 단계;

   상기 구해진 경도값을 원하는 주파수 대역으로 필터링시키는 단계;

   상기 필터링된 신호를 일정 시간 단위로 정규화하는 단계;

   상기 정규화된 값의 절대값을 구하는 단계;

   상기 절대값의 확률 분포를 이용하여 도플러 주파수를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 시스템의 주파수 추정방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 슬롯 단위의 파일롯 평균값의 변화량은 채널 추정기의 출력 값을 미분하여 구해지는 것을 특징으로 하는 무선통신 시스템의 주파수 추정방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 구해진 경도값을 원하는 주파수 대역으로 필터링시키는 것은 상기 경도값을 추정하고자 하는 최대 도플러 주파수의 주파수 대역으로 필터링하는 것을 특징으로 하는 무선통신 시스템의 주파수 추정방법.
4. 서로 다른 수신 경로에 구비되는 채널 추정기와;

   상기 각 채널 추정기의 출력 값들을 미분하여 경도를 추정하는 경도 추정기와;

   상기 경도 추정기의 출력 값을 추정하고자 하는 최대 도플러 주파수의 주파수 대역으로 필터링하는 필터와;

   상기 필터링된 주파수 대역의 신호를 일정 시간 단위로 정규화하는 정규화부와;

   상기 정규화된 값의 절대값을 구하는 절대값 검출부와;

   상기 구해진 절대값의 확률 분포를 이용하여 도플러를 추정하는 확률밀도함수 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 시스템의 주파수 추정장치.