KR100632292B1

KR100632292B1 - 직교 주파수 분할 다중 통신 시스템에서 셀 탐색을 위한파일럿 신호 형성 방법과 셀 탐색 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100632292B1
Application number: KR1020040064039A
Authority: KR
Inventors: 이용환; 문준; 이진우
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2006-10-11
Also published as: KR20060015188A

Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 방식의 이동 통신 시스템에서 필수적인 셀 탐색(cell search) 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 일반적으로 각 기지국에서 단말기의 수신기로 전송되는 OFDM 신호는 일정 주기를 가지는 여러 심볼들과 이러한 심볼들로 이루어진 여러 프레임으로 구성되어 있다. OFDM 무선 통신 시스템이 올바르게 동작하기 위해서는 여러 기지국에서 수신기에 전송되는 OFDM 신호들을 분석하여 최적의 기지국을 찾아내는 셀 확인(cell identification) 과정과 함께 선택한 셀에서 전송되는 OFDM 신호의 심볼간의 경계와 프레임간의 경계를 찾는 동기(synchronization) 과정이 필수적이다. 이러한 일련의 과정을 셀 탐색이라고 하며 이를 위해 송신기에서의 적절한 파일럿(pilot) 심볼의 설계가 요구되고 이를 이용해 수신기에서도 적절한 셀 탐색 방법 및 그 장치가 필수적으로 요구된다. 셀 탐색을 위해서 많은 종래의 기법들이 제안되었으나 이들 기법은 파일럿 심볼의 비효율적인 운용, 다중 셀 환경에 대한 취약성, 많은 연산량에 따른 구현의 어려움, 다중경로 채널에 대한 취약성, 높은 불확실성 등의 문제점을 가지고 있다. 본 발명에서는 이러한 종래 기법의 단점들을 극복할 수 있는 파일럿의 설계 방법 및 그 송신기와 이를 이용하여 수신단에서 이루어지는 적절한 셀 탐색 방법 및 그 장치를 제안한다.

다중 접속 OFDM 시스템, 셀 탐색, 동기, 셀 확인

Description

직교 주파수 분할 다중 통신 시스템에서 셀 탐색을 위한 파일럿 신호 형성 방법과 셀 탐색 방법 및 그 장치{DEVICE, METHOD AND PILOT SYMBOL FORMING METHOD FOR CELL SEARCH IN ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING COMMUNICATION SYSTEM}

도 1은 셀 탐색을 위한 송수신기를 나타내는 개략 블록도,

도 2a는 송신기에서 파일럿 심볼을 설계하는 과정의 설명도,

도 2b는 송신기에서 설계된 파일럿이 프레임의 첫 심볼로 삽입되어 송신안테나를 통해 전송되는 전송신호의 프레임 구조도,

도 3은 셀 탐색 과정을 설명하기 위해 수신단에서의 셀 탐색기를 나타내는 개략 블록도,

도 4a는 블록 단위의 자기 상관값 크기 조사를 수행하여 프레임 동기를 검출해 내는 방법 설명도,

도 4b는 프레임 동기 검출기,

도 5a는 자기 상관값의 크기 조사를 수행하여 심볼 동기의 검출해 내는 방법 설명도,

도 5b는 심볼 동기 검출기,

도 6a는 교차 상관값의 크기 조사를 수행하여 셀 코드를 얻어내는 셀 확인 과정의 설명도,

도 6b는 셀 확인기,

도 7a는 교차 상관값의 위상 조사를 수행하여 타이밍 오차를 추정해 타이밍 오차를 보상하는 과정의 설명도,

도 7b는 타이밍 오차 보상기,

도 8은 타이밍 지연 보상기이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

100 ; 송수신기 102 ; 송신기

104 ; 수신기 106 ; 파일럿

108 ; 송신데이터 110, 206 ; IDFT

112 ; 보호구간 삽입 114,300 ; 셀 탐색기

115 ; 프레임, 심볼 동기 및 셀 코드

116 ; 보호구간 삭제 118 ; DFT

120 ; 수신데이터 122 ; 송신안테나

124 ; 수신안테나 200 ; 파일럿 설계 과정

202 ; 주파수 영역에서의 파일럿 204, 316 ; 셀 코드

208, 218 ; 시간 영역에서의 파일럿

210 ; 4번 반복된 신호

212 ; 신호가 삽입되지 않은 파일럿의 보호구간

214 ; 시간 영역에서의 프레임 구조

216 ; 프레임 220 ; 데이터 심볼

222 ; 부반송파의 수 224 ; 보호구간의 길이

226, 606, 706 ; 4번 반복된 신호의 길이

302, 402, 502 ; 수신신호 304, 406 ; 프레임 동기 검출기

306, 506 ; 심볼 동기 검출기

308, 612 ; 셀 확인기

310 ; 타이밍 오차 추적 및 지연 보상기

312 ; 프레임 동기 314 ; 심볼 동기

318 ; 정교한 심볼 동기 400 ; 프레임 동기 검출 방법

404 ; 프레임 동기 추적을 위한 블록 단위의 자기 상관값

500 ; 심볼 동기 검출 방법

504 ; 심볼 동기 추적을 위한 자기 상관값

600 ; 셀 확인 과정

602 ; 각 셀의 파일럿 심볼의 반을 2N_p-point DFT를 한 신호

604, 704 ; 타이밍 오차 608, 708 ; 2N_p-point DFT

610, 710 ; 교차 상관기 700 ; 타이밍 오차 보상 과정

702 ; 추정된 셀 코드에 대해 파일럿 심볼의 반을 2N_p-point DFT 한 신호

712 ; 타이밍 오차 보상기

714, 802 ; 타이밍 오차가 보상된 심볼 동기

800 ; 타이밍 지연 보상기 804 ; 지연 보상

806 ; 지연 보상된 심볼 동기

본 발명은 직교 주파수 분할 다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템에서의 셀 탐색 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파일럿 심볼을 효율적으로 설계 및 운용하여, 다중 셀에서의 적합성을 높이고, 연산량을 최소화하고, 다중경로 채널에 대한 취약성을 극복하며, 불확실성을 최소화한 셀 탐색 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.

직교 주파수 분할 다중 시스템(이하 'OFDM 시스템'이라 함)은 주파수의 직교성을 이용하여 신호를 전송하는 시스템으로써, DVB(Digital Video Broadcasting)와 무선랜 등에서 현재 사용 중에 있으며, 이 방식을 이용하면 고속 이동시에도 부가데이터 서비스를 안정적으로 수신할 수 있어 차세대 이동 통신 시스템의 핵심 기술로 고려되고 있다.

OFDM 시스템은 전체 전송 대역에 다수의 부반송파가 존재하게 되고 서로 다른 부반송파들 사이에 직교성이 성립되므로, 주파수 영역에서 신호를 만들어서 역이산 푸리에 변환(IDFT: inverse discrete Fourier transform)을 통해 시간 영역의 전송신호를 만든 후 채널로 전송한다. 이 때, 채널의 지연으로 인해 직교 주파수 성분들 사이에 간섭이 발생하게 되며, 이러한 간섭 잡음의 영향을 없애기 위해 OFDM 심볼 구간 사이에 보호구간(guard interval)을 삽입한다. 이 보호구간의 신호는 OFDM 심볼 구간의 마지막 천이구간을 순환 확장(cyclic extention)해서 발생시키며, OFDM 심볼 구간의 앞 부분에 삽입하여 전송신호를 형성한다. 수신기에서는 채널을 통해 수신된 신호에서 보호구간의 신호를 제거한 후 이산 푸리에 변환(DFT: discrete Fourier transform)하여 다시 주파수 영역으로 변환한 뒤 자기 신호를 분리해 내고 전송된 메시지 심볼을 복원한다.

이 때 적절한 DFT 구간, 즉 보호구간 내에서 채널 지연에 의해 손상되지 않은 부분에서 DFT가 이루어지지 않으면 심볼간 간섭(ISI: inter symbol interference)이나 부반송파간 간섭(ICI: inter carrier interference)이 발생하며 원하는 수신 신호를 분리해 낼 수 없으므로 적절한 DFT 구간을 찾아내는 심볼 동기는 필수적이며, 채널 추정을 위한 파일럿의 검출과 이후 데이터의 적절한 검출을 위해 프레임 간의 경계를 찾아내는 프레임 동기과정 역시 필수적이다. 또한 일단 OFDM 신호에 동기가 맞추어지면 이 신호가 어느 셀에서 전송된 신호인가를 확인하는 셀 확인 과정도 필수적으로 요구된다.

이러한 일련의 과정을 셀 탐색이라고 하며 OFDM 무선 통신 시스템에서 이를 위해 많은 기법들이 제안되었다. 이러한 기법으로는 크게 보호구간을 사용하는 방식과 파일럿 심볼을 사용하는 방식이 있다.

우선 보호구간을 사용한 방식은 보호구간이 OFDM 심볼 구간의 마지막 천이구간을 순환 확장하여 이루어지는 특성을 이용한 것으로 이들의 상관값을 이용해 심 볼 동기를 먼저 검출하여 심볼간의 경계를 구분한 후 이러한 심볼 중 프레임의 시작 심볼을 검출해 내고 마지막으로 셀 확인 과정을 단계적으로 거침으로써 불확실성을 단계적으로 줄여나가는 장점을 가진다. 그러나 수신된 보호구간 내의 신호는 채널의 지연에 의해 손상된 신호이기에 이 방식을 사용하는 경우 셀 탐색 성능이 저하되는 단점이 있다. 또한 다중 셀, 다중 사용자 환경에서 각 셀에서 수신기에 수신되는 신호의 크기는 각 셀에 속해 있는 사용자의 수에 직접적으로 비례하게 되어 다중 셀, 다중 사용자 환경에서 매우 취약할 수 있다. 신호의 상관값 역시 신호의 크기에 비례하게 되므로 수신기에 가장 가까운 곳에 있는 셀에서 수신되는 신호에 동기가 맞추어지는 것이 가장 적절한 상황에서, 그 셀의 사용자 수가 작을 경우에는 사용자가 많은 먼 곳의 셀에 동기가 맞추어지는 부적합한 상황이 발생할 수 있다. 이러한 상황은 OFDM 시스템을 불안정하게 만들어 원하는 송수신 성능을 기대할 수 없게 한다.

파일럿 심볼을 사용한 방식은 각 프레임의 일정 심볼을 이미 알고 있는 신호를 이용해 셀 탐색을 수행한다. 이 방식은 파일럿에 할당되는 신호의 크기를 각 셀마다 일정하게 둘 수 있으므로 보호구간을 이용한 방식이 가지는 다중 셀, 다중 사용자 환경에서의 문제점을 극복할 수 있다. 대표적인 기법으로 정합필터를 이용한 방식과 Cox가 제안한 방식이 있는데, 그 중 정합필터를 이용한 방식은 파일럿 신호에 대한 정합필터를 수신기에 삽입하여 수신신호의 임의의 지점으로부터 한 샘플씩 이동해 가며 한 프레임 구간 동안 정합필터링을 하여 심볼 동기와 프레임 동기를 동시에 검출하는 방식이다. 이러한 정합필터 방식은 동기 검출 성능면에서는 매우 뛰어나나 수신기에 정합필터의 설계가 필요하고 한 샘플씩 이동해 가며 한 프레임 구간 동안 정합필터링 과정이 필요하므로 구현이 매우 복잡하다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 Cox는 반복된 두 개의 구간을 가지는 파일럿 심볼을 설계하여 이들의 상관값을 조사함으로써 심볼 및 프레임 동기 검출을 하였다. 이 기법은 상관값을 조사하는데 있어서 반복(iteration) 기법을 이용하여 연산량을 줄였으나 한 샘플씩 이동해 가며 한 프레임 구간 동안 상관값을 조사하는 과정이 필요하므로 여전히 많은 연산량을 가지고 단계적으로 불확실성을 줄일 수 없으며, 채널 지연이 있는 경우 성능이 매우 열화되는 단점이 있다.

이러한 방식들을 기반으로 제안된 다른 기법들 역시 이와 유사한 문제점들을 가지며, 이를 해결하기 위해 동기를 위한 파일럿과 셀 확인을 위한 파일럿을 따로 사용하는 등의 변형 설계를 하는 경우, 시스템 자원의 비효율적인 운용과 같은 추가적인 문제점을 가짐으로써 OFDM 무선 통신 시스템에서 만족할만한 셀 탐색 성능을 얻지 못하고 있다.

본 발명은 종래의 기법들이 가지는 파일럿 심볼의 비효율적인 운용, 다중 셀에서의 부적합성, 많은 연산량에 따른 구현의 어려움, 다중경로 채널에 대한 취약성, 높은 불확실성 등으로 인한 셀 탐색 성능 저하를 극복하도록 송신단에서 각 셀마다 파일럿 신호를 설계하고 이를 이용하여 수신단에서 이루어지는 적절한 셀 탐색 방법 및 수신기 구성을 제안하는데 그 목적이 있다.

따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로, 파일럿 심볼의 효율적인 운용을 위해서 각 셀마다 같은 신호의 크기를 가지지만 고유하게 할당된 직교 코드를 r개의 부반송파 간격으로 삽입하여 시간 영역에서 r회 반복(r≥3)되도록 하며 전단에 신호가 삽입되지 않은 보호구간을 가지도록 설계된 파일럿 심볼을 매 프레임 당 하나만 삽입하여, 이 한 개의 파일럿 심볼만을 이용해 셀 탐색의 전 과정을 수행한다.

본 발명의 다른 목적은 종래기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로, 각 셀마다 상기 파일럿 심볼을 사용함으로써 보호구간을 이용한 셀 탐색 방식이 가지는 문제점인 다중 셀, 다중 사용자 환경에서의 부적합성을 해결한 셀 탐색 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 각 셀마다 상기 파일럿 심볼을 이용해 수신기에서 프레임 동기 추적 시 블록 단위로 상관값을 추적함으로서 종래 기법이 가지는 많은 연산량에 따른 구현의 어려움을 크게 개선하는 셀 탐색 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 각 셀마다 상기 파일럿 심볼을 이용해 수신기에서 타이밍 오차 및 지연 보상을 함으로써 종래 기법이 가지는 다중경로 채널에 대한 취약성을 극복한 셀 탐색 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 각 셀마다 상기 파일럿 심볼을 이용해 수신기에서 프레임 동기, 심볼 동기, 셀 확인, 타이밍 오차 및 보상 과정을 단계적으로 수행함으로써 종래 기법이 가지는 큰 불확실성을 단계적으로 줄이는 셀 탐색 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술 사상은 여러 가지의 측면에서 기술될 수 있으며, 본 발명의 한 측면에 따른, 직교 주파수 분할 다중 통신을 위한 송신 장치는, 주파수 영역에서, 셀 식별 코드(P^t _n)를 r개의 부반송파 간격으로 삽입하여 제1 신호를 형성하는 파일럿 발생부(106); 상기 제1 신호를 역 이산 푸리에 변환(IDFT)하여 시간 영역의 제2 신호로 변환하는 IDFT부(110); 및 상기 제2 신호의 전단에 정보가 삽입되지 않은 보호구간을 형성하여 제 3신호로 변환하는 보호구간 삽입부를 포함하며, 여기서 발생된 상기 제 3신호는 시간 영역에서 보호구간 부분에 정보가 삽입되어 있지 않으며 실질적으로 동일한 신호가 r회 반복되는 구간을 갖는 신호이며, 상기 r은 3이상의 정수인 것을 특징으로 한다.

삭제

여기서, 상기 보호구간 및 상기 실질적으로 동일한 신호가 r회 반복되는 구간이 한 단위의 파일럿 심볼을 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 한 단위의 파일럿 심볼은, 매 프레임 당 하나씩 삽입되는 것일 수 있다.

바람직하게는, 상기 r은 4일 수 있다.

여기서, 상기 셀 식별 코드(P^t _n)는, 각 기지국을 구별하기 위해 셀 마다 고유하게 할당된 직교코드이다.

주파수 영역에서, 셀 식별 코드(P^t _n)를 r개의 부반송파 간격으로 삽입하여 제1 신호를 형성하는 단계; 상기 제1 신호를 역 이산 푸리에 변환(IDFT)하여 시간 영역의 제2 신호로 변환하는 단계; 및 상기 제2 신호의 전단에 정보가 삽입되지 않은 보호구간을 형성하여 제 3신호로 변환하는 단계를 포함하며, 여기서 발생된 상기 제 3신호는 시간 영역에서 보호구간 부분에 정보가 삽입되어 있지 않으며 실질적으로 동일한 신호가 r회 반복되는 구간을 갖는 신호이며, 상기 r은 3이상의 정수인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른, 직교 주파수 분할 다중 통신을 위한 파일럿 심볼 형성 방법은, 각각 보호구간을 포함하는 복수개의 심볼이 한 프레임을 이루는--여기서 상기 복수개의 심볼은, 정보가 삽입되어 있지 않은 보호구간 및 그 길이가 Np인 미리 알고 있는 신호가 r회 반복(r≥3)되는 구간을 갖는 파일럿 심볼을 포함함--수신 신호를 처리하는 직교 주파수 분할 다중 통신을 위한 셀 탐색 장치에 있어서, 상기 수신 신호의 임의의 위치에서 N_p의 길이를 갖는 블록에 대하여 자기 상관값을 계산하고, 이후 상기 한 프레임에 대응되는 구간 범위 내에서 위치를 바꾸어 가면서 각각 상기 N_p의 길이를 갖는 블록에 대하여 상기 자기 상관값을 계산하는 과정을 계속 수행하는 프레임 동기 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 자기 상관값의 계산을 위한 각 위치는 상기 한 프레임 내의 구간에서 상기 임의의 위치로부터 2N_p만큼씩 이동한 새로운 위치들인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 프레임 동기 검출부는, 상기 계산이 수행되는 위치들 중에서, 자기 상관값이 미리 정하여진 문턱값을 넘어서는 위치를 프레임 동기 위치로 결정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 얻어진 프레임 동기 위치로부터 심볼 동기 위치를 계산 하는 심볼 동기 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 심볼 동기 검출부는, 상기 수신 신호 중 상기 프레임 동기 위치로부터 r×Np-1 만큼 앞선 샘플로부터 상기 프레임 동기 위치까지에 해당하는 블록에 대하여 자기 상관값의 계산을 수행하고, 이후 상기 프레임 동기 위치로부터 한 샘플씩 이동하면서 상기 블록과 동일한 크기만큼의 블록에 대하여 자기 상관값을 계산하는 과정을 계속 수행하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 심볼 동기 검출부는, 상기 계산이 수행되는 위치들 중에서, 자기 상관값이 미리 정하여진 문턱값을 넘어서는 위치를 심볼 동기 위치로 결정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 심볼 동기 위치를 기준으로 이산 푸리에 변환을 수행하며, 상기 미리 알고 있는 셀 식별 코드와의 교차 상관값의 크기를 이용하여 셀을 식별하는 셀 확인부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 교차 상관값의 위상을 이용하여 상기 심볼 동기 위치의 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 타이밍 오차 보상부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의한 셀 탐색 방법은, 각각 보호구간을 포함하는 복수개의 심볼이 한 프레임을 이루는--여기서 상기 복수개의 심볼은, 정보가 삽입되어 있지 않은 보호구간 및 그 길이가 Np인 미리 알고 있는 신호가 r회 반복(r≥3)되는 구간을 갖는 파일럿 심볼을 포함함--수신 신호를 처리하는 직교 주파수 분할 다중 통신을 위한 셀 탐색 방법이며, 상기 수신 신호의 임의의 위치에서 N_p의 길이를 갖는 블록에 대하여 자기 상관값을 계산하고, 이후 상기 한 프레임에 대응되는 구간 범위 내에서 위치를 바꾸어 가면서 각각 상기 N_p의 길이를 갖는 블록에 대하여 상기 자기 상관값을 계산하는 과정을 계속 수행하는 프레임 동기 검출 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 의한 셀 탐색 장치는, 직교 주파수 분할 다중 통신을 위한 셀 탐색 장치이며, 수신신호의 프레임 동기 및 심볼 동기를 검출하고, 상기 심볼 동기를 기준으로 파일럿 심볼을 이산 푸리에 변환하여 얻어진 신호를 통하여 상기 신호가 어느 셀의 기지국으로부터 송신된 것인지를 확인하기 위하여, 상기 이산 푸리에 변환하여 얻어진 신호

와, 상기 셀 식별 코드 P^t _n에 대하여,

(여기서, *는 공액 복소수 연산자를 의미하며,

는 모든 셀의 코드 번호 집합) 로 정의되는 교차 상관값 A_t를 계산하고, 상기 교차 상관값이 미리 정하여진 임계값 이상인 경우, 상기 신호를 송신한 셀의 기지국인 것으로 판단하는 셀 확인부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 파일럿 심볼은 시간 영역에서 보호구간 부분에 정보가 삽입되어 있지 않으며 실질적으로 동일한 신호가 r회 반복되는 구간(r≥3)을 가지며, 상기 교차 상관값은,

(N_p는 상기 파일럿 심볼 중 반복되는 단위 구간의 길이를 말함) 로 정의되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 r은 4인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 교차 상관값의 위상을 이용하여 상기 심볼 동기 위치의 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 타이밍 오차 보상부를 더 포함하며, 상기 타이밍 오차 보상부는, 상기 교차 상관값의 위상

가,

의 관계를 가짐을 이용하여, 상기 교차 상관값의 위상으로부터 타이밍 오차를 보상하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 파일럿 심볼은 시간 영역에서 보호구간 부분에 정보가 삽입되어 있지 않으며 실질적으로 동일한 신호가 r회 반복되는 구간(r≥3)을 포함하며, 상기 교차 상관값의 위상

와 타이밍 오차

가,

의 관계를 가짐(여기서 N_p는 상기 반복되는 구간의 길이를 말함)을 이용하여, 상기 교차 상관값의 위상으로부터 타이밍 오차를 보상하는 것일 수 있다.

여기서, 상기 r은 4일 수 있다.

또한, 상기 셀 확인부는, 부반송파의 간섭에 의한 영향을 받지 않기 위해서, 상기 파일럿 심볼 중, 상기 심볼 동기 위치로부터 Np 샘플 지연된 지점으로부터 이산 푸리에 변환을 수행한 신호를 사용하여 상기 교차 상관값의 계산을 수행하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 한 측면에 의한, 직교 주파수 분할 다중 통신을 위한 셀 탐색 방법은, 수신신호의 프레임 동기 및 심볼 동기를 검출하고, 상기 심볼 동기를 기준으로 파일럿 심볼을 이산 푸리에 변환하여 얻어진 신호를 통하여 상기 신호가 어느 셀의 기지국으로부터 송신된 것인지를 확인하기 위하여, 상기 이산 푸리에 변환하여 얻어진 신호

와, 상기 셀 식별 코드 P^t _n에 대하여,

(여기서, *는 공액 복소수 연산자를 의미하며,

는 모든 셀의 코드 번호 집합) 로 정의되는 교차 상관값 A_t를 계산하고, 상기 교차 상관값이 미리 정하여진 임계값 이상인 경우, 상기 신호를 송신한 셀의 기지국인 것으로 판단하는 셀 확인 단계를 포함한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 셀 탐색을 위한 송수신기(100)를 나타내는 개략 블록도이다. 송신기(102)에서는 주파수 영역에서 만들어진 OFDM 송신 데이터(108)가 IDFT(110)를 통해 시간 영역의 송신신호로 변환된 후 채널의 지연으로 인한 간섭 잡음의 영향을 없애기 위해 OFDM 심볼 구간의 마지막 천이구간을 순환 확장하여 만든 신호를 보호구간에 삽입(112)하여 송신안테나(122)를 통해 채널로 전송된다. 이 때 매 프레임 당 한 개의 파일럿 심볼(106)이 삽입된다. 이 파일럿 심볼은 모든 셀마다 같은 신호의 크기를 가지지만 고유하게 할당된 직교 코드를 r개의 부반송파 간격으로 삽입하여 시간 영역에서 r회 반복(r≥3, 이하에서는 r=4의 경우를 예시함)되도록 하며 전단에 신호가 삽입되지 않은 보호구간을 가지도록 하여 발생된다.

수신기(104)에서는 수신안테나(124)를 통해 들어온 수신신호가 셀 탐색기(114)를 통과하여 심볼 및 프레임 동기, 셀 확인, 타이밍 오차 및 지연 보상 과정을 거쳐서 셀 탐색이 이루어져 프레임 및 심볼 동기, 셀 코드(115)를 얻어내고 이후 보호구간이 삭제(116)된 다음 DFT(118) 과정을 거쳐서 주파수 영역에서 수신데이터(120)를 복원하게 된다.

도 1의 송신기에서 파일럿 심볼(106)을 설계하는 과정(200)은 도 2a와 같다. 주파수 영역에서 각 셀마다 다른 직교 코드(204)를 4개의 부반송파씩 건너뛰면서 삽입(202)한 후 IDFT(206) 과정을 거치면 시간 영역에서 4번 반복된 신호(210)가 발생된다. 여기서 파일럿 심볼의 보호 구간에는 아무 신호도 삽입하지 않으며(212), 이러한 파일럿(208)은 매 프레임 당 한 심볼씩 삽입되어 다른 여러 데이터 심볼과 함께 도 2b와 같이 시간 영역에서 프레임을 구성하게 된다(214). 여기서 프레임(216)의 첫 번째 심볼은 파일럿 심볼(218)이고 나머지는 데이터 심볼(220)들이다. 또한 (222)는 부반송파의 개수이고 (224)는 보호구간의 길이이며, (226)는 4번 반복되는 신호의 길이로서 의 1/4이다.

도 3은 수신단의 셀 탐색기(300) 블록도이다. 셀 탐색기는 프레임 동기 검출기(304)와 심볼 동기 검출기(306), 셀 확인기(308), 타이밍 오차 추적 및 지연 보상기(310)로 구성된다. OFDM 수신 신호(302)가 셀 탐색기로 들어오면 프레임 동기 검출기에서 블록 단위의 자기 상관값 조사를 통해 프레임 동기(312)를 검출하고 심볼 동기 검출기에서 자기 상관값 조사를 통해 심볼 동기(314)를 검출 한 후 셀 확인기를 이용해 셀 코드를 검출(316)해 내며 이후 타이밍 오차 및 지연 보상기를 이 용해 정교한(fine) 심볼 동기를 검출(318)한다.

도 4a는 수신단에서 프레임 동기 검출 방법(400)을 나타낸다. 프레임 동기 검출기로 수신 신호(402)가 들어오면 임의의 지점

에서 수학식 1로 주어지는 블록 단위 자기 상관값(404)을 수학식 2로 정해진 지점에 대해

만큼씩 건너뛰며 한 프레임 구간 동안 측정하여, 수학식 3과 같이 최대 자기 상관값의 크기가 문턱값

을 넘어서는 상관값 측정 지점으로 프레임 동기 지점을 얻는다.

여기서

이고

이며

는 한 프레임에 있는 샘플 수를 나타내며

는 x 보다 작거나 같은 최대 정수를 의미한다.

도 4b는 프레임 동기 검출기(406)를 나타내고, 이렇게 프레임 동기 검출 과정을 거치고 나면 프레임이 시작되는 심볼 동기 지점을 알 수가 있어, 타이밍 불확 실성이 한 심볼 구간 이내로 줄어들게 된다.

도 5a는 프레임 동기를 검출한 후 심볼 동기 검출 방법(500)을 나타낸다. 수학식 4는 심볼 동기의 추적을 위해 수신신호의 자기 상관값을 구하는 지점을 나타낸 것으로

를 프레임 동기 지점이라고 할 때

보다

샘플 앞, 즉

에서 수학식 5와 같은 자기 상관값(504)을 구하기 시작하여

까지 한 샘플씩 이동하면서 자기 상관값의 크기를 구하고 수학식 6과 같이 최대 자기 상관값의 크기가 문턱값

를 넘어서는 상관값 측정 지점이 심볼 동기 지점이 된다.

도 5b는 심볼 동기 검출기(506)구조를 나타내는 것으로, 심볼 동기의 추적을 위해 자기 상관값을 구하는데 있어 연산량을 줄이기 위해 반복 기법을 이용한다.

도 6a는 셀 확인 과정(600)을 나타내고 도 6b는 셀 확인기(612) 구조를 나타 낸다. 셀 확인 과정은 수학식 7의 파일럿 심볼의 반을

-point DFT 한 알고 있는 주파수 영역의 신호 (602)와 수학식 8의 수신신호의 심볼 동기 지점

에서

(606)만큼 떨어진 지점에서

-point DFT(608)한 신호를 이용하여 수행된다. 여기서 얻어낸 심볼 동기 지점

는 목표로 하는 동기 지점

에서 시간 오차

(604)만큼 떨어져 있게 된다.

파일럿의 반복 특성으로 인해 심볼 동기 지점

에서

만큼 떨어진 지점에서

-point DFT한 신호는 수학식 9와 같이 ICI가 발생하지 않았다고 가정하였을 경우 심볼 동기 지점

에서

-point DFT한 신호와 같으므로 채널 지연에 의한 데이터 왜곡없이 심볼 동기 지점

에서

-point DFT한 신호를 복원할 수 있다.

수학식 10과 같이 표시되는 시간 영역에서의 지연은 주파수 영역에서 위상의 회전과 같으므로 교차상관기(610)에서 수학식 11로 주어지는 모든 셀의 코드 번호 집합에 대해 수학식 12와 같이 교차 상관값의 크기를 구하고 수학식 13과 같이 문턱값

을 넘도록 하는 최대 교차 상관값의 크기를 만드는 코드 번호가 최적의 셀 코드 번호가 된다.

심볼 동기 검출 과정을 통해 얻어낸 심볼 동기 지점

는 간섭 잡음이나 다중경로 채널 지연에 의해 타이밍 오차

(704)가 있는 정교하지 않은(Coarse) 심볼 동기 지점이다. 따라서 이러한 타이밍 오차를 보상해 주어 정교한(fine) 심볼 동기를 얻는 과정이 필요하다. 도 7a는 타이밍 오차 보상 과정(700)을 나타내고 도 7b는 타이밍 오차 보상기(712) 구조를 나타낸다. 셀 확인기에서 얻어낸 셀 코드 번호

에 대해 교차상관기(710)에서 파일럿 심볼의 반을

-point DFT한 알고 있는 주파수 영역의 신호 (702)와 수학식 8로 얻은 심볼 동기 지점

에서

(706) 샘플만큼 떨어진 지점에서

-point DFT(708)한 수신 신호의 교차 상관값의 위상은 수학식 14와 같이 표시되므로 타이밍 오차

는 수학식 15와 같은 방식으로 추정할 수 있다.

따라서 오차가 보상된 심볼 동기 지점 (714)는 수학식 16과 같이 구해진다.

도 8은 타이밍 지연 보상기(800) 구조를 나타낸다. OFDM 무선 통신 시스템에서 DFT가 가능한 구간은 보호구간 내에서 채널에 의한 지연이 없는 부분이다. 즉, 최대 지연 확산(maximum delay spread)을

이라고 하였을 때 DFT가 가능한 구간은

과

사이이다. 하지만 위에서와 같은 셀 탐색 작업은 정확한 동기 지점

의 추정을 목표로 하고 있고 이렇게 추정된 심볼 동기 지점

(802)는 채널의 지연 확산 특성에 의해서 이보다 약간 지연된 타이밍을 갖는 위치가 검출될 확률이 매우 높다. 따라서 수학식 17과 같이 타이밍 오차가 보상된 심볼 동기 지점

(802)에서 일정한 시간

만큼의 지연 보상(804)이 필요하다.

이렇게 지연 보상을 하게 되면 최종적으로 프레임의 가장 앞 심볼의 DFT가 가능한 부분에서 타이밍 동기

(806)가 검출되고 셀 코드를 인식하였으므로 셀 탐색 과정이 끝나게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예 및 도면에 한정되지 아니하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이므로, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 그와 균등한 범위에 의해 결정되어야 할 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 다중 접속 OFDM 시스템을 이동 셀룰러 환경에서 운용하는데 있어서 셀 탐색 시 종래 기법들이 가지는 파일럿 심볼의 비효율적인 운용, 다중 셀에서의 부적합성, 많은 연산량에 따른 구현의 어려움, 다중경로 채널에 대한 취약성, 높은 불확실성 등으로 인한 셀 탐색 성능 저하를 극복하도록 각 셀마다 같은 신호의 크기를 가지지만 고유하게 할당된 직교 코드를 r개의 부반송파 간격으로 삽입하여 시간 영역에서 r회(r≥3) 반복된 부분이 되도록 하며 전단에 신호가 삽입되지 않은 보호구간을 가지는 파일럿 신호를 송신하며, 이를 이용하여 수신단에서 이루어지는 적절한 셀 탐색 방법 및 그 수신기를 제안함으로써 향상된 셀 탐색 성능을 얻을 수 있도록 한다.

Claims

직교 주파수 분할 다중 통신을 위한 송신 장치에 있어서,

주파수 영역에서, 셀 식별을 위해 셀 마다 고유하게 할당된 직교 코드(P^t _n)를 r개의 부반송파 간격으로 삽입하여 제1 신호를 형성하는 파일럿 발생부;

상기 제1 신호를 역 이산 푸리에 변환(IDFT)하여 시간 영역의 제2 신호로 변환하는 IDFT부; 및

상기 제2 신호의 전단에 정보가 삽입되지 않은 보호구간을 형성하여 제3 신호로 변환하는 보호구간 삽입부를 포함하며,

여기서 상기 제3 신호는 시간 영역에서 보호구간에 정보가 삽입되어 있지 않으며 실질적으로 동일한 신호가 r회 반복되는 구간을 갖는 신호이며,

상기 r은 3 이상의 정수인 것을 특징으로 하는 송신 장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 보호구간 및 상기 실질적으로 동일한 신호가 r회 반복되는 구간이 한 단위의 파일럿 심볼을 구성하는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
제3항에 있어서,

상기 한 단위의 파일럿 심볼은, 매 프레임 당 하나씩 삽입되는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 직교 코드(P^t _n)는, 각 셀의 기지국을 구별하기 위해 할당된 고유 코드인 것을 특징으로 하는 송신 장치.
직교 주파수 분할 다중 통신을 위한 파일럿 심볼 형성 방법에 있어서,

주파수 영역에서, 셀 식별을 위해 셀 마다 고유하게 할당된 직교 코드(P^t _n)를 r개의 부반송파 간격으로 삽입하여 제1 신호를 형성하는 단계;

상기 제1 신호를 역 이산 푸리에 변환(IDFT)하여 시간 영역의 제2 신호로 변환하는 단계; 및

상기 제2 신호의 전단에 정보가 삽입되지 않는 보호구간을 형성하여 제3 신호로 변환하는 단계를 포함하며,

여기서 상기 제3 신호는 시간 영역에서 보호구간에 정보가 삽입되어 있지 않으며 실질적으로 동일한 신호가 r회 반복되는 구간을 갖는 신호이며,

상기 r은 3 이상의 정수인 것을 특징으로 하는 파일럿 심볼 형성 방법.
각각 보호구간을 포함하는 복수개의 심볼이 한 프레임을 이루는--여기서 상기 복수개의 심볼은, 정보가 삽입되지 않은 보호구간 및 그 길이가 N_p인 미리 알고 있는 신호가 r회 반복(r≥3)되는 구간을 갖는 파일럿 심볼을 포함함--수신 신호를 처리하는 직교 주파수 분할 다중 통신을 위한 셀 탐색 장치에 있어서,

상기 수신 신호의 임의의 위치에서 N_p의 길이를 갖는 블록에 대하여 자기 상관값을 계산하고, 이후 상기 한 프레임에 대응되는 구간 범위 내에서 위치를 바꾸어 가면서 각각 상기 N_p의 길이를 갖는 블록에 대하여 상기 자기 상관값을 계산하는 과정을 계속 수행하는 프레임 동기 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 장치.
제8항에 있어서,

상기 자기 상관값의 계산을 위한 각 위치는 상기 한 프레임 내의 구간에서 상기 임의의 위치로부터 2N_p만큼씩 이동한 새로운 위치들인 것을 특징으로 하는 셀 탐색 장치.
제8항에 있어서,

상기 프레임 동기 검출부는, 상기 계산이 수행되는 위치들 중에서, 자기 상 관값이 미리 정하여진 문턱값을 넘어서는 위치를 프레임 동기 위치로 결정하는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 장치.
제7항에 있어서,

상기 얻어진 프레임 동기 위치로부터 심볼 동기 위치를 계산하는 심볼 동기 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 장치.
제11항에 있어서,

상기 심볼 동기 검출부는, 상기 수신 신호 중 상기 프레임 동기 위치로부터 r×Np-1 만큼 앞선 샘플로부터 상기 프레임 동기 위치까지에 해당하는 블록에 대하여 자기 상관값의 계산을 수행하고, 이후 상기 프레임 동기 위치로부터 한 샘플씩 이동하면서 상기 블록과 동일한 크기만큼의 블록에 대하여 자기 상관값을 계산하는 과정을 계속 수행하는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 장치.
제12항에 있어서,

상기 심볼 동기 검출부는, 상기 계산이 수행되는 위치들 중에서, 자기 상관값이 미리 정하여진 문턱값을 넘어서는 위치를 심볼 동기 위치로 결정하는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 장치.
제13항에 있어서,

상기 심볼 동기 위치를 기준으로 이산 푸리에 변환을 수행하며, 상기 미리 알고 있는 직교 코드와의 교차 상관값의 크기를 이용하여 셀을 식별하는 셀 확인부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 장치.
제14항에 있어서,

상기 교차 상관값의 위상을 이용하여 상기 심볼 동기 위치의 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 타이밍 오차 보상부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 장치.
각각 보호구간을 포함하는 복수개의 심볼이 한 프레임을 이루는--여기서 상기 복수개의 심볼은, 정보가 삽입되지 않은 보호구간 및 그 길이가 N_p인 미리 알고 있는 신호가 r회 반복(r≥3)되는 구간을 갖는 파일럿 심볼을 포함함--수신 신호를 처리하는 직교 주파수 분할 다중 통신을 위한 셀 탐색 방법에 있어서,

상기 수신 신호의 임의의 위치에서 N_p의 길이를 갖는 블록에 대하여 자기 상관값을 계산하고, 이후 상기 한 프레임에 대응되는 구간 범위 내에서 위치를 바꾸어 가면서 각각 상기 N_p의 길이를 갖는 블록에 대하여 상기 자기 상관값을 계산하는 과정을 계속 수행하는 프레임 동기 검출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 방법.
직교 주파수 분할 다중 통신을 위한 셀 탐색 장치에 있어서,

수신신호의 프레임 동기 및 심볼 동기를 검출하고, 상기 심볼 동기를 기준으로 파일럿 심볼을 이산 푸리에 변환하여 얻어진 신호를 통하여 상기 신호가 어느 셀의 기지국으로부터 송신된 것인지를 확인하기 위하여,

상기 이산 푸리에 변환하여 얻어진 신호
와, 상기 셀 식별을 위해 셀 마다 고유하게 할당된 직교 코드 P^t _n에 대하여,
(여기서, *는 공액 복소수 연산자를 의미하며,
는 모든 셀의 코드 번호 집합) 로 정의되는 교차 상관값 A_t를 계산하고, 상기 교차 상관값이 미리 정하여진 임계값 이상인 경우, 상기 신호를 송신한 셀의 기지국인 것으로 판단하는 셀 확인부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 장치.
제17항에 있어서,

상기 파일럿 심볼은 시간 영역에서 보호구간에 정보가 삽입되어 있지 않으며 실질적으로 동일한 신호가 r회 반복되는 구간(r≥3)을 가지며, 상기 교차 상관값은,
(N_p는 상기 파일럿 심볼 중 반복되는 단위 구간의 길이를 말함) 로 정의되는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 장치.
삭제
제17항에 있어서,

상기 교차 상관값의 위상을 이용하여 상기 심볼 동기 위치의 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 타이밍 오차 보상부를 더 포함하며,

상기 타이밍 오차 보상부는,

상기 교차 상관값의 위상
가,
의 관계를 가짐을 이용하여, 상기 교차 상관값의 위상으로부터 타이밍 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 장치.
제20항에 있어서,

상기 파일럿 심볼은, 시간 영역에서 보호구간에 정보가 삽입되어 있지 않으며 실질적으로 동일한 신호가 r회 반복되는 구간(r≥3)을 포함하며, 상기 교차 상관값의 위상
와 타이밍 오차
가,
의 관계를 가짐(여기서 N_p는 상기 반복되는 구간의 길이를 말함)을 이용하여, 상기 교차 상관값의 위상으로부터 타이밍 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 장치.
삭제
제17항에 있어서,

상기 셀 확인부는,

부반송파의 간섭에 의한 영향을 받지 않기 위해서, 상기 파일럿 심볼 중, 상기 심볼 동기 위치로부터 Np 샘플 지연된 지점으로부터 이산 푸리에 변환을 수행한 신호를 사용하여 상기 교차 상관값의 계산을 수행하는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 장치.
직교 주파수 분할 다중 통신을 위한 셀 탐색 방법에 있어서,

수신신호의 프레임 동기 및 심볼 동기를 검출하고, 상기 심볼 동기를 기준으로 파일럿 심볼을 이산 푸리에 변환하여 얻어진 신호를 통하여 상기 신호가 어느 셀의 기지국으로부터 송신된 것인지를 확인하기 위하여,

상기 이산 푸리에 변환하여 얻어진 신호
와, 셀 식별을 위해 셀 마다 고유하게 할당된 직교 코드 P^t _n에 대하여,
(여기서, *는 공액 복소수 연산자를 의미하며,
는 모든 셀의 코드 번호 집합) 로 정의되는 교차 상관값 A_t를 계산하고, 상기 교차 상관값이 미리 정하여진 임계값 이상인 경우, 상기 신호를 송신한 셀의 기지국인 것으로 판단하는 셀 확인 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 탐색 방법.