KR100452102B1 - The efficient design method of an equalizer for a high speed wireless LAN - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고속 무선 LAN(Local Area Network) 용 채널 등화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a channel equalization method for a high speed wireless local area network (LAN).
본 발명에서는 고속 무선 LAN 용 무선 채널의 경우는 상대적으로 유선에 비하여 채널에 의한 왜곡현상 및 데이터 전송속도 저하등의 현상이 심각한 것을 해결하기 위하여, LS(Least Square) 방식의 채널추정을 통하여 채널의 지연 확산값을 구한 뒤 이를 이용하여 LMMSE(Linear Minimum Mean Square Error) 방식으로 채널 지연을 보정하여, 채널 등화를 구현한다.In the present invention, a wireless channel for a high-speed wireless LAN has a relatively low channel distortion through LS (Least Square) channel estimation in order to solve a serious problem such as distortion due to a channel and a decrease in data transmission rate compared to a wire. After the delay spread value is obtained, the channel delay is corrected using LMMSE (Linear Minimum Mean Square Error) method to implement channel equalization.
이러한 본 발명에 따르면, 채널에 의한 왜곡현상 및 데이터 전송속도 저하등의 현상을 효과적으로 해결할 수 있다.According to the present invention, it is possible to effectively solve the phenomenon such as distortion caused by the channel and data transmission speed decrease.
Description
본 발명은 채널 등화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면 고속 무선 LAN 용 무선 채널에서의 왜곡현상 및 전송 속도 저하 등을 해소하기 위한 채널 등화 방법에 관한 것이다.일반적으로 OFDM 시스템에서는 데이터 비트를 PSK이나 QAM방식을 이용하여 변조를 수행하고 변조된 데이터 비트를 수신단에서 추정하기 위하여 주파수 영역 채널 보상 방법, 시간 영역 채널 보상 방법, 훈련 심볼을 이용한 보상 방법 등 다양한 등화 기법을 수행하고 있다.그러나 고속 무선 LAN 시스템과 같이 패킷 전송 방식을 사용하는 시스템에서는 패킷 전송시간 동안 채널의 상태가 유지된다고 가정할 수 있을 정도로 패킷의 길이가 상대적으로 짧아 간단한 채널 등화가 가능하며 전체 대역에 주파수 선택적 페이딩이 발생하지만 각 협대역 부반송파 내에서 동일한 크기와 위상 감쇠가 일어나기 때문에 각 부반송파별로 단일 탭 등화 적용이 가능하여 훈련 신호를 이용한 단일 탭 등화를 수행하고 있다.OFDM 방식을 적용한 고속 무선 LAN 시스템은 표준안에 따른 긴 훈련 신호를 이용하여 채널에 의한 열화를 보상한다. 만약 긴 훈련 신호를 다수 개 전송한다면 전송 심볼에 주기적으로 보호구간을 삽입할 필요가 없어지고 전송 효율에 문제가 되므로 보다 더 효과적인 방법으로 표준안에 따라 도 1의 긴 훈련 심볼( T1, T2)두개의 평균을 구하여 채널을 추정하고 감쇠를 보상한다. 이러한 긴 훈련 심볼 두 개는 도 2의 고속 무선 LAN 시스템 모델과 채널을 적용하고 수신단의 FFT 후에 채널에 의한 열화를 보상한다. 추정치 에러의 자승을 추정 채널에 대해 최소화하는 방법인 LS 방법을 이용하여 단일 탭 등화를 수행한다.그러나, 이러한 종래 방법은 채널 추정에 있어서 많은 오차가 발생할 수 있는 단점을 가지고 있다. 따라서 성능 개선을 위해서는 LMMSE 방법의 적용이 훨씬 바람직하나, 채널 추정 및 보상을 위해 많은 연산량을 필요로 하기 때문에 채널 등화기의 구조가 복잡해지고 신호 처리 속도가 지연되는 문제점이 발생한다.The present invention relates to a channel equalization method, and more particularly, to a channel equalization method for solving distortion and a drop in transmission speed in a wireless channel for a high-speed wireless LAN. In order to perform modulation using the QAM scheme and to estimate the modulated data bits at the receiver, various equalization techniques such as frequency domain channel compensation, time domain channel compensation, and training symbol compensation are performed. In a system using a packet transmission method such as a system, the length of the packet is relatively short enough to assume that the channel state is maintained during the packet transmission time, so that simple channel equalization is possible and frequency selective fading occurs in the entire band. The same size and within the band subcarriers Because the phase attenuation occurs, single tap equalization can be applied to each subcarrier, and a single tap equalization using a training signal is performed. To compensate. If a large number of long training signals are transmitted, the long training symbol (T 1 , T 2 ) of FIG. The two averages are calculated to estimate the channel and compensate for the attenuation. These two long training symbols apply the high speed wireless LAN system model and channel of FIG. 2 and compensate for channel degradation after the FFT of the receiver. Single tap equalization is performed using the LS method, which minimizes the square of the estimate error for the estimated channel. However, this conventional method has a disadvantage in that a large number of errors can occur in channel estimation. Therefore, the application of the LMMSE method is much more desirable to improve the performance. However, since a large amount of computation is required for channel estimation and compensation, the structure of the channel equalizer is complicated and the signal processing speed is delayed.
그러므로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래 기술의 LS 기법을 이용한 채널 추정에 따라 발생되는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고속 무선 LAN에서 채널 추정을 더욱 정확히 하여 무선채널의 상태변화로 인한 왜곡현상을 줄임으로서 데이터 전송율을 높이고자 하는데 있다.Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is to solve the problems caused by the channel estimation using the LS technique of the prior art, to more accurately estimate the channel in a high-speed wireless LAN to correct the distortion caused by the change of state of the wireless channel The goal is to increase the data rate by reducing it.
도 1은 OFDM 훈련심볼의 형태를 나타낸 도이다.1 is a diagram illustrating a form of an OFDM training symbol.
도 2는 IEEE 802.11a 고속 무선 LAN 시스템 블럭도이다.2 is a block diagram of an IEEE 802.11a high speed wireless LAN system.
도 3은 CB 채널에서의 성능분석을 나타낸 그래프이다.3 is a graph illustrating performance analysis in a CB channel.
도 4는 CTB 채널에서의 성능분석을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the performance analysis in the CTB channel.
도 5는 실내 상업지역 채널 모델에서의 성능분석을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the performance analysis in the indoor commercial area channel model.
도 6은 실외 도시/교외 저층지역 채널에서의 성능분석을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the performance analysis in the outdoor urban / suburban low-rise channel.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 경제적이며 신뢰성있는 채널등화를 위하여 2단계의 기술적 과정을 거쳐서 등화기를 구현한다. 즉, 1단계로 LS 추정기법을 이용하여 채널의 지연 확산시간을 구한 뒤 이러한 파라메터를 이용하여 LMMSE(Linear Minimum Mean Square Error) 방법으로 채널에 의한 영향을 좀 더 정확히 알아내어 보상해주는 2단계를 수행한다.이를 위하여 본 발명의 특징에 따른 채널 등화 방법은, 고속 무선 LAN 시스템에서의 무선 채널 등화를 구현하기 위한 방법으로, a) 상기 무선 채널을 통하여 수신된 신호의 벡터를 토대로 하여 LS 방식을 적용하여 제1 채널 추정치를 산출하는 단계; b) 상기 제1 채널 추정치를 역이산푸리에 변환하여 채널의 임펄스 응답을 추정하여 지연 확산 시간을 산출하는 단계; c) 상기 지연 확산 시간을 이용하여 수신 신호의 각 부반송파간의 주파수 상관 함수를 산출하는 단계; 및 d) 상기 주파수 상관 함수와 상기 제1 채널 추정치를 토대로 하여 LMMSE를 수행하여 상기 무선 채널에 대한 지연을 보상하는 단계를 포함한다.이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.In order to achieve this technical problem, the present invention implements an equalizer through a two-step technical process for economical and reliable channel equalization. That is, in step 1, the delay spreading time of the channel is obtained by using the LS estimation method, and then the second step of more accurately detecting and compensating the effect of the channel by the LMMSE method using the parameters is performed. To this end, the channel equalization method according to an aspect of the present invention is a method for implementing wireless channel equalization in a high-speed wireless LAN system, and a) applying an LS scheme based on a vector of a signal received through the wireless channel. Calculating a first channel estimate; b) transforming the first channel estimate by inverse discrete Fourier to estimate an impulse response of the channel to calculate a delay spread time; c) calculating a frequency correlation function between each subcarrier of a received signal using the delay spread time; And d) performing LMMSE based on the frequency correlation function and the first channel estimate to compensate for the delay for the wireless channel. Hereinafter, a person skilled in the art will appreciate. Best Mode for Carrying Out the Invention The present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 일반적인 고속 무선 LAN 시스템에서 채널 등화를 위하여 각 협대역 부반송파별로 훈련 신호를 이용하여 단일 탭 등화를 수행하는 것에 대하여 설명한다.First, a single tap equalization using a training signal for each narrowband subcarrier for channel equalization in a general high speed wireless LAN system will be described.
1. LS (Least Square) 등화 기법LS (Least Square) equalization technique
OFDM 방식을 적용한 고속 무선 LAN 시스템은 표준안에 따른 긴 훈련 신호를 이용하여 채널에 의한 열화를 보상한다. 만약 긴 훈련 신호를 다수 개 전송한다면 전송 심볼에 주기적으로 보호구간을 삽입할 필요가 없어지고 전송 효율에 문제가 되므로 보다 더 효과적인 방법으로 표준안에 따라 도 1의 긴 훈련 심볼( T1, T2)두개의 평균을 구하여 채널을 추정하고 감쇠를 보상한다. 이러한 긴 훈련 심볼 두개는 도 2의 고속 무선 LAN 시스템 모델과 채널을 적용하고 수신단의 FFT 후에 채널에 의한 열화를 보상한다. 추정치 에러의 자승을 추정 채널에 대해 최소화하는 방법인 LS 방법을 이용하여 단일 탭 등화를 수행한다.A high-speed wireless LAN system using the OFDM scheme compensates for channel degradation by using a long training signal according to the standard. If a large number of long training signals are transmitted, the long training symbol (T 1 , T 2 ) of FIG. The two averages are calculated to estimate the channel and compensate for the attenuation. These two long training symbols apply the channel and the high speed wireless LAN system model of FIG. 2 and compensate for channel degradation after the FFT of the receiver. Single tap equalization is performed using the LS method which minimizes the square of the estimate error for the estimated channel.
우선 수신되는 훈련심볼은 다음과 같이 표시될수 있다.The training symbol received first may be displayed as follows.
여기서 Y는 수신 신호벡터, H는 채널, X는 송신 신호벡터이며 N은 부가백색잡음이고 다음과 같은 행렬식으로 쓸 수 있다.Here, Y is a reception signal vector, H is a channel, X is a transmission signal vector, N is additional white noise, and can be written as the following determinant.
잡음전력, 즉 오차의 제곱에 대하여 표시하면 다음 식과 같이 정리할 수 있다.The noise power, that is, the square of the error, can be expressed as follows.
식 (4)로 표시되는 오차의 제곱항을 최소화하기 위한 미분을 행하여 Hi에 대한 추 정치를 얻으면 다음과 같다.The derivative of H i can be estimated by minimizing the squared term of the error represented by equation (4) as follows.
여기서는 LS 방법으로 추정한 채널을 의미하며 xi및 yi는 각각 고속 무선 LAN 시스템에서의 송신 및 수신된 긴 훈련 심볼을 표시한다.here Denotes a channel estimated by the LS method, and x i and y i denote long training symbols transmitted and received in a high-speed wireless LAN system, respectively.
2. LMMSE 등화 기법2. LMMSE Equalization Technique
IEEE 802.11a 고속 무선 LAN 표준안에 따르면 두 개의 긴 훈련 신호를 이용하여 채널에 의한 열화를 앞서 제시된 LS 방식에 따라 보상하여야 한다. 그러나 시스템의 성능 향상을 얻기 위하여 추정치 에러 자승의 평균을 작게하는 LMMSE 방법을 사용할 수 있다. LS 방법이 실제 채널과 다음과 같은 직교 성질을 만족한다고 가정하면 추정 채널과 실제 채널 오차의 기대값이 '0'이므로 다음과 같이 쓸 수 있다.According to the IEEE 802.11a high speed wireless LAN standard, two long training signals should be used to compensate for channel degradation according to the LS scheme. However, we can use the LMMSE method to reduce the mean of the squared error estimates to improve the performance of the system. Assuming that the LS method satisfies the following orthogonal properties with the real channel, since the expected value of the estimated channel and the real channel error is '0', it can be written as follows.
H는 실제 채널이고는 LS 방법으로 추정한 채널이며 T는 Hermitian Transpose 이다.H is the actual channel Is the channel estimated by LS method and T is Hermitian Transpose.
식 (7)을 다시 쓰면 기대값은 상관 함수로 표시할 수 있으므로 다음과 같이 쓸 수 있다.If we rewrite Eq. (7), the expected value can be expressed as a correlation function, so we can write
즉, 오차를 작게하는 계수 K는 다음과 같다.That is, the coefficient K for reducing the error is as follows.
LS 방법으로 추정한 채널에 실제 채널과의 오차를 작게하는 계수K를 곱하면 LMMSE 추정 채널은 다음과 같이 쓸 수 있다.If the channel estimated by the LS method is multiplied by a coefficient K for reducing the error with the actual channel, the LMMSE estimated channel can be written as follows.
는 LMMSE방식으로 추정한 채널이고은 H와의 상호 상관함수로 다음과 같이 정의된다. Is the channel estimated by LMMSE method With H The cross-correlation function of is defined as
은의 자기 상관 함수이며 다음 식으로 정리할 수 있다. silver The autocorrelation function of can be summarized by
사용하는 주파수 대역에서 신호가 동일한 전력을 가진다고 가정하면은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.Assume that the signals have the same power in the frequency band used Can be rewritten as:
SNR(Signal to Noise Ratio)은 신호대 잡음비이고 I는 단위 행렬이다. 따라서 식(10)을 다시 쓰면 아래와 같다.Signal to Noise Ratio (SNR) is the signal-to-noise ratio and I is the identity matrix. Therefore, if we rewrite Eq. (10):
와는 각부반송파의 주파수 상관 함수로 다음과 같이 나타낼 수 있다. Wow Is a frequency correlation function of each subcarrier.
k와 k'는 k번째, k'번째 부반송파를 의미하고, r(.)는 주파수 상관함수이다.k and k 'denote kth and k'th subcarriers, and r (.) is a frequency correlation function.
종래에는 LMMSE 방식으로 채널 등화를 구현하기 위하여, 위의 식 (14)를 이용하는데, 이를 위해서는 식 (15) 및 식 (16)과 같이 주파수 상관 함수를 위한 많은 복소 계산이 필요하게 된다. 이에 따라 채널 추정을 위한 연산량이 증가되어 처리 속도가 지연되는 등의 문제가 발생하게 되며, 또는 오차 누적 등의 문제가 발생할 수 있다.다음과 같이 다중 경로 채널에서 신호의 주파수 응답으로부터 주파수 상관 함수를 얻어서 채널 등화를 수행한다. 먼저, 위에서 설명한 바와 같은 LS 추정기법을 이용하여 채널의 지연 확산시간을 구한다. 다음에 이러한 파라메터를 이용하여 LMMSE(Linear Minimum Mean Square Error) 방법으로 채널에 의한 영향을 알아내어 신호를 보상해준다.구체적으로 설명하면, 상대적으로 적은 수의 긴 훈련 신호의 기대값을 얻는 것이 용이하지 않기 때문에 신호의 크기가 지수 함수적으로 감쇠하는 다중 경로 채널에서 신호의 주파수 응답으로부터 주파수 상관 함수는 다음과 같이 얻을 수 있다.Conventionally, in order to implement channel equalization in the LMMSE scheme, the above Equation (14) is used, which requires many complex calculations for the frequency correlation function as shown in Equations (15) and (16). As a result, a computational amount for channel estimation may increase, causing a delay in processing speed, or an error accumulation may occur. A frequency correlation function may be derived from a frequency response of a signal in a multipath channel as follows. Obtain channel equalization. First, a delay spread time of a channel is obtained by using the LS estimation technique as described above. This parameter is then used to compensate for the signal by detecting the effect of the channel using the Linear Minimum Mean Square Error (LMMSE) method. Specifically, it is not easy to obtain the expected value of a relatively small number of long training signals. Therefore, the frequency correlation function can be obtained from the frequency response of a signal in a multipath channel in which the magnitude of the signal is exponentially attenuated.
1/TFFT는 부반송파의 이격 간격을 나타낸다.1 / T FFT represents the spacing of subcarriers.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 주파수 상관 함수를 식 (17)과 같이 유도한다. 식 (17)에서 실제 채널의 rms 지연 확산 τrms는 수신단에서 정확한 값을 알 수 없기 때문에 LS 방식을 이용하여 추정한 채널로부터 산출한다. 즉,를 역이산푸리에 변환하여 채널의 임펄스 응답을 추정하여 지연 확산 시간 τrms을 다음과 같이 산출한다.As described above, in the embodiment of the present invention, the frequency correlation function is derived as in Equation (17). In equation (17), the rms delay spread τ rms of the actual channel is estimated by the LS method because the exact value is not known at the receiver. Calculate from In other words, Inverse Discrete Fourier transform to estimate the impulse response of the channel to calculate the delay spread time τ rms as follows.
βi와 τi는 i번째 경로로 들어오는 신호 크기와 전송 지연 시간이다.β i and τ i are the signal magnitude and transmission delay time coming into the i th path.
이와 같이 복소 계산 없이 식 (17)에 따른 주파수 상관 함수를 LS 방법으로 추정한 채널을 이용하여 산출된 지연 확산 시간 τrms을 적용하여 산출하며, 산출된 주파수 상관 함수를 위의 식(10)에 적용시켜, 실제 채널과의 오차를 작게 하는 계수 K를 곱한 LMMSE 추정 채널을 산출할 수 있다.위에서 제안한 유사 LMMSE 방식을 이용하면 식 (14)와 같이 많은 복소 계산량이 필요한 추정을 수행하지 않아도, LS 방식으로부터 rms 지연 확산 시간을 구해냄으로써 손쉽게 유도 할 수 있고, LS 방식으로 산출된 채널 추정보다 실제 채널과의 오차가 작은 채널 추정치를 얻어서 채널 열화를 보정할 수 있다.다음에는 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 채널 등화 방법을 적용한 결과에 대해서 예를 들어 설명한다.As described above, the frequency correlation function according to Equation (17) is calculated by applying the delay spread time τ rms calculated using the channel estimated by the LS method without complex calculation. Can be applied to Equation (10) above to calculate the LMMSE estimated channel multiplied by the coefficient K, which reduces the error with the actual channel. It is possible to easily derive the rms delay spread time from the LS method by performing the necessary estimation, and to compensate for the channel degradation by obtaining a channel estimate having a smaller error with the actual channel than the channel estimation calculated by the LS method. Next, the result of applying the channel equalization method according to an embodiment of the present invention will be described with an example.
그러므로 개선정도의 차이는 채널상태에 따라 다소 다르지만 실험한 결과들에서 알 수 있는 것처럼 거의 모든 경우에서 본 특허에서 제안한 방법, 즉 LS 기법으로 채널의 지연확산 추정후 LMMSE 방법을 적용하는 등화기의 성능이 훨씬 좋다는 것을 확인할 수 있다.Therefore, the difference in the degree of improvement is somewhat different depending on the channel condition, but as can be seen from the experimental results, the performance of the equalizer applied to the LMMSE method after estimating the delay spread of the channel by the LS method, that is, the LS method in almost all cases. You can see that this is much better.
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| OFDM 시스템에서 SER의 성능향상을 꿰하기 위해 채널추정을 LMMSE 알고리즘을 사용한 OFDM의 채널추정 page 923,926 * |
| OFDM 시스템을 통한 무선통신 시스템에 있어서 보다 효율적인 SER의 개선과 채널 추정을위하여 LMMSE나 MSE 알고리즘을 사용한 채널추정 page 678,679,681 * |
| 멀티패스 무선 채널에서의 무선 통신 송신을 위한 OFDM에 있어서 BER의 성능 향상을 위하여 LMMSE 채널 추정기를 사용한 방법 page 1,2,3,5 * |
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