KR100647079B1 - 주파수 다중 분할 방식 무선 모뎀의 이산 푸리에 변환 기반채널 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주파수 다중 분할(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식 무선 모뎀의 채널 추정 기술에 관한 것으로, 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform) 기반 채널 추정 성능을 향상시키기 위한 것이다. DFT 기반의 채널 추정 방법은 채널의 시간 영역 특성인 채널의 임펄스 응답을 이용한다. 이때, 채널 추정 성능은 채널의 임펄스 응답 길이에 의해 결정되는데, 일반적으로 채널 임펄스 응답 길이는 수신단에 알려져 있는 값이 아니고, 채널 임펄스 응답 길이를 잘못 설정할 경우에 수신단의 성능 열화가 발생할 수 있다. 따라서 본 발명은 효과적으로 채널의 임펄스 응답 길이를 추정하기 위해 유효 채널 추정기를 두었다. 유효 채널 추정기는 채널의 임펄스 응답을 추정하기 위해 특정한 임계값을 사용하는데, 이 임계값은 유효 채널 구간에 채널의 평균 자승오차값(Mean Square Error : 이하 MSE라 함)을 최소화시키기 위한 채널 전력과 잡음 전력의 관계에서 구할 수 있으며, 그 값은 시간 영역의 잡음 전력의 두 배로 나타난다. 시간 영역의 잡음 전력은 본 발명의 채널 추정기의 잡음 추정기를 통해 구할 수 있다. 제안한 채널 추정 방법을 사용할 경우 채널의 최대 지연 시간이 유동적으로 변화하는 채널환경에서도 채널의 최대 지연 시간에 적응적으로 변화하며 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있다.

OFDM, 채널 추정, ML. DFT 기반

Description

주파수 다중 분할 방식 무선 모뎀의 이산 푸리에 변환 기반 채널 추정 방법{METHOD FOR PROVIDING DFT-BASED CHANNEL ESTIMATION OF OFDM SYSTEM}

도 1은 전형적인 주파수 다중 분할(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템 및 최소자승 채널 추정 시스템에 대한 구성 블록도,

도 2a 및 도 2b는 rms(root mean square) 지연 시간에 따른 채널 임펄스 응답 변화 특성을 나타낸 그래프,

도 3은 종래의 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform) 기반의 채널 추정 시스템에 대한 구성 블록도,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 유효 채널 추정 방법을 이용한 DFT 기반 채널 추정 시스템에 대한 구성 블록도,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유효 채널 추정 방법을 설명하기 위한 도면,

도 6은 도 5의 채널을 이용했을 때 종래의 DFT 기반 채널 추정 방법과 본 발명에 따른 DFT 기반 채널 추정 방법의 성능을 비교한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

40 : LS 채널 추정기 42 : N-포인트 IDFT

43 : 잡음 전력 추정기 44 : 유효 채널 추정기

46 : 채널값 변환기 48 : N-포인트 DFT

본 발명은 주파수 다중 분할(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : 이하 OFDM이라 칭함) 전송 방식 무선 모뎀의 채널 추정 기술에 관한 것으로, 특히 무선 채널을 통과하여 수신된 신호의 통과 채널에 대한 정보를 추정하는데 적합한 OFDM 무선 모뎀의 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform : 이하 DFT라 칭함) 기반 채널 추정 방법에 관한 것이다.

OFDM 전송 방식은 여러 개의 반송파를 사용하는 다수 반송파 전송방식의 일종으로 입력 데이터를 상호 직교성을 갖는 다수의 부반송파에 실어 병렬로 전송하는 방식이다. 이러한 OFDM 전송 방식은 반송파의 수만큼 각 채널에서 전송 주기가 증가하게 되는데, 이 경우 고속 데이터의 전송시 광대역을 사용함으로써 나타나게 되는 주파수 선택적 채널 특성이 협대역화 된 채널에 의해 주파수 비선택적 채널로 근사화된다. 따라서 단일 반송파 시스템보다 간단한 단일 샘플의 등화기만으로도 채널에 의한 왜곡 보상이 가능하게 되어 멀티미디어 데이터 전송 등 여러 분야의 고속 데이터 전송 시스템에 널리 이용되고 있다.

일반적으로 OFDM 전송 방식에서 코히런트 하지 않게(non-coherent) 신호를 복조할 경우, 채널 정보와 채널 추정이 필요치 않기 때문에 수신기 구조가 간단해 질 수 있으며, 또한 채널 추정을 위한 훈련심벌(training symbol) 이나 파일럿 톤 (pilot tone)을 사용하지 않으므로 전송 효율이 코히런트 방식에 비해 우수하다는 이점이 있다.

그러나 이러한 전송 방식은 잡음의 영향으로 인해 코히런트 방식에 비해 3∼4[dB] 정도 검출 성능이 저하된다는 문제가 제기된다. 따라서 OFDM 시스템의 성능을 높이기 위해서 코히런트 방식을 이용한 신호 검출 기법이 사용될 수밖에 없으며, 이를 위해서는 정확한 채널 추정과 등화가 필수적으로 요구된다.

OFDM 전송 방식에서의 채널 추정은 기본적으로 도 1에서와 같이 수신된 신호를 DFT한 후 출력되는 각 부반송파(f₀∼f_N-1)에 각각에 대해 추정이 이루어진다. 이러한 OFDM 방식 채널 추정 방법은 그 특징에 따라 크게 두 가지로 분류할 수 있다.

첫 번째 OFDM 방식 채널 추정 방법은 주파수 영역에서 채널 특성을 추정하는 방식이다. 도 1에서와 같이 수신된 신호를 DFT한 후, 출력된 각 부반송파(f₀∼f_N-1)에 대해 최소 자승(Least Square : LS)법으로 채널을 추정하는 방법과 주파수 영역의 채널의 상관성을 이용하는 최소 평균 자승오차(Linear Minimum Mean Square Error : 이하 LMMSE라 칭함) 추정 방식이 대표적이다.

두 번째 OFDM 방식 채널 추정 방법은 시간 영역의 채널 특성을 이용하여 채널을 추정하는 방식이다. 시간 영역의 채널 추정은 도 2a 및 도 2b에서와 같이, 우선 최소 자승법으로 추정된 채널 값을 DFT를 이용하여 다시 시간 영역으로 환원하여 채널의 임펄스 응답을 추정한다.

이때 추정한 채널의 임펄스 응답은 도 2a 및 도 2b와 같이 채널 환경에 따라 다양하게 나타난다. 예를 들어 도 2a에서와 같이 rms(root mean square) 지연 시간이 짧은 경우 128 샘플 중 5 샘플까지 채널의 임펄스 응답이 나타날 수도 있고, 도 2b에서와 같이 rms 지연 시간이 긴 경우 128 샘플 중 32 샘플까지도 지연된 채널 샘플이 나타날 수도 있다. DFT 기반 채널 추정 방법은 이와 같은 채널 특성, 즉 채널 환경에 따라 임펄스 응답 길이가 다르게 나타나는 특성을 이용한다.

도 3은 종래의 DFT 기반 채널 추정 시스템에 대한 블록 구성도로서, 데이터를 추정하는 LS 채널 추정기(30), 추정된 데이터를 크기 N의 역 푸리에 변환을 통해 채널의 임펄스 응답으로 변환하는 N-포인트 IDFT(32)(역 이산 푸리에 변환기 : Inverse Discrete Fourier Transform), 변환된 데이터를 크기 N의 푸리에 변환을 통해 최종 주파수 영역의 추정 채널 값을 구하는 N-포인트 DFT(34)를 포함한다.

이와 같은 구성을 갖는 DFT 기반 채널 추정 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 다중 경로 채널의 임펄스 응답 중 가장 긴 샘플을 L번째 샘플이라 하면, LS 채널 추정기(30)를 통해 추정된 임펄스 응답 중 N-L의 구간은 순수 잡음만이 존재한다. 따라서 이 구간의 값을 0으로 바꾼 뒤 이산 푸리에 변환을 통해 다시 주파수 영역의 채널로 변환시키면 기존의 최소 자승법을 통해 추정한 채널에 비해 L/N만큼 적은 추정 오차를 가지게 된다.

즉, 기존의 최소 자승법을 통한 평균 자승 오차(Mean Square Error : 이하 MSE라 칭함)가 다음 [수학식 1]과 같다고 할 때, 도 3의 DFT 기반의 채널 추정 방법의 평균 자승 오차는 다음 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

여기서, N은 OFDM 시스템의 부반송파 개수를 의미하고, SNR은 수신 신호의 평균 신호대 잡음비를 나타내며, ??는 전송 신호의 성상도에 의해 결정되는 상수를 각각 나타낸다.

따라서 도 2a의 MSE 성능은

이 되고, 도 2b의 MSE 성능은

가 된다.

이상 설명한 바와 같이, 종래의 DFT 기반 채널 추정 방법은 그 성능이 L과 N의 비율에 따라 정해짐을 알 수 있다.

그런데 일반적으로 추정해야 하는 채널의 L값은 수신단에 알려져 있지 않으며, 또한 만약 도 3에서 L값을 실제 채널의 값보다 작게 설정한다면 채널 추정기의 성능에 심각한 성능 열화가 발생할 수 있기 때문에, DFT 기반 채널 추정기에는 이 L값을 어떻게 설정하느냐가 매우 중요한 사안으로 다루어지고 있다.

일반적으로, 수신단에서는 위와 같이 L값이 실제 채널의 최대 지연 샘플보다 작기 때문에 발생 가능한 성능 열화를 방지하기 위해 다양한 채널 환경을 고려하여 충분히 큰 값으로 L을 설정해 두고 사용한다. 예를 들어, 도 2의 경우에, 고려하 고 있는 채널 환경 중 채널의 임펄스 응답 중 가장 긴 경우가 도 2b의 경우라면, 채널 추정기의 L값은 32로 설정해 두고 사용한다. 하지만 이런 경우 도 2a와 같이 채널의 최대 지연 샘플이 짧은 경우에도 성능은 L=32일 경우와 동일하게 나타난다.

즉, 종래의 DFT 기반 채널 추정 방법에서는 수신 성능을 향상시키는데 많은 기술적 제약이 따른다는 한계가 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 기술적 한계를 극복하기 위한 것으로, DFT 기반의 채널 추정 방법에서 시간 영역의 유효 채널을 효과적으로 추정하여 DFT 기반 채널 추정 방법의 성능을 향상시키고, 동시에 잘못된 유효 채널 구간의 설정으로 인해 발생할 수 있는 채널 추정 성능의 열화를 막을 수 있는 OFDM 무선 모뎀의 DFT 기반 채널 추정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 최소 자승법에 의거하여 주파수 다중 분할 방식 수신기의 다수의 부채널들의 주파수 응답을 추정하는 단계와, 상기 추정된 주파수 응답을 입력받아 역 이산 푸리에 변환하여 상기 부채널들의 임펄스 응답을 구하는 단계와, 상기 임펄스 응답에 대한 유효 채널을 추정하는 단계와, 상기 유효 채널을 입력받아 이산 푸리에 변환하여 최종적인 각 채널의 주파수 응답을 추정하는 단계를 포함하는 주파수 다중 분할 방식 무선 모뎀의 이산 푸리에 변환 기반 채널 추정 방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하 게 설명한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 유효 채널 추정 방법을 이용한 DFT 기반 채널 추정 시스템에 대한 구성 블록도로서, LS 채널 추정기(40), N-포인트 IDFT(42), 잡음 전력 추정기(43), 유효 채널 추정기(44), 채널값 변환기(46), N-포인트 DFT(48)를 포함한다.

LS 채널 추정기(40)는 각 부채널들의 주파수 응답을 추정하며, N-포인트 IDFT(42)는 LS 채널 추정기(40)를 통해 추정된 데이터를 크기 N의 역 푸리에 변환을 통해 채널의 임펄스 응답으로 변환하는 역할을 수행한다.

잡음 전력 추정기(43)는 N-포인트 IDFT(42)를 통해 임펄스 응답으로 변환된 데이터에서 순수 잡음만이 존재하는 N-L∼N 구간에서의 평균 잡음 전력을 산출하며, 이렇게 산출된 잡음 전력의 2배값이 임계값으로 유효 채널 추정기(44)에 전달된다.

유효 채널 추정기(44)는 이 임계값을 기준으로 0∼L-1 구간의 샘플에 대해 유효 채널 여부를 판단하는 기능을 수행한다.

채널값 변환기(46)는 최종적으로 선택된 유효 채널 이외의 값에 대해서 영(0)으로 변환시킨 후 그 결과를 N-포인트 DFT(48)로 제공하는 역할을 수행한다.

N-포인트 DFT(48)에서는 이러한 채널값 변환기(46)를 통해 변환된 데이터를 크기 N의 푸리에 변환을 통해 최종 주파수 영역의 추정 채널 값을 구한다.

도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 채널 추정기는 잡음 전력 추정기(43) 및 유효 채널 추정기(44)의 두 가지 추가 연산기를 구비한 것을 특징으로 한 다. 이하에서는 이러한 특징을 기반으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OFDM 무선 모뎀의 DFT 기반 채널 추정 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 유효 채널 추정기(44)는 IDFT 변환을 통해 추정한 N 개의 채널의 임펄스 응답 샘플

각각에 대해 유효한 정보의 채널인지를 결정하는 기능을 수행한다. 또한, 유효 채널 결정기(44)는 추정 채널 임펄스 응답 샘플 각각에 대해 그 전력이 특정 임계값 λ보다 클 경우, 그 추정값을 유효 채널 정보로 간주한다. 즉, 유효 채널의 결정 여부는 다음 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 3]

여기서

은 N 개의 샘플 중 n 번째 샘플의 전력을 나타낸다. 즉,

은 아래 [수학식 4]와 같이 구할 수 있다.

[수학식 4]

따라서 유효 채널 샘플 결정기의 성능은 특정 임계값 ??에 따라 그 성능이 결정된다.

본 발명에 사용된 임계값 ??는 수학적 유도를 통해 구할 수 있으며, 그 값은 2배의 잡음전력으로 나타난다. 잡음전력은 수신단에 따라 변화될 수 있으며 이는 다음 [수학식 5]와 같이 구할 수 있다.

[수학식 5]

따라서 본 발명의 신호 처리 순서를 요약하면 다음과 같다.

우선 LS 채널 추정기(40)를 통해 추정한 부채널들의 주파수 응답 데이터는 크기 N의 역 푸리에 변환을 통해 채널의 임펄스 응답으로 변환된다.

다음으로 잡음 추정기(43)에서 순수 잡음만이 존재하는 N-L∼N까지의 구간을 통해 수산단의 평균 잡음 전력을 구한다.

이 추정한 잡음 전력의 2배값이 임계값으로 유효 채널 추정기(44)에 전달된다.

유효 채널 추정기(44)는 이 임계값을 기준으로 0∼L-1 구간의 샘플에 대해 유효 채널 여부를 판단한다.

이후 채널값 변환기(46)에서는 최종적으로 선택된 유효 채널 이외 값에 대해서는 영(0)으로 변환시킨 후 크기 N의 푸리에 변환을 통해 최종적인 주파수 영역의 추정 채널값을 구할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 주파수 분할 다중 접속 방식 통신 시스템의 채널 추정 장치에서, 시간 영역의 대표적인 채널 추정 장치인 DFT 기반 채널 추정 방법의 성능을 향상시키도록 구현한 것이다.

예컨대, 채널의 전력이 지수적으로 감소하는 채널의 rms 지연 시간에 대한 채널 임펄스 응답이 도 5와 같은 채널 환경일 경우, 본 발명에 따른 채널 추정 방 법을 통해 채널을 추정하였다.

그 결과, 도 6과 같이 채널이 30ns인 경우에는 종래의 방법에 비해 약 5dB의 성능 향상을 가짐을 알 수 있고, 세 가지 채널 환경(30ns, 80ns, 150ns)에 대해 모두 MSE 오류와 같은 성능 열화는 발생하지 않았다.

이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 후술하는 특허청구범위의 범주 내에서 여러 가지 변형이 가능한 것은 물론이다.

본 발명에 의하면, 다양한 채널 환경에 대해 그 채널의 유효 임펄스 응답을 추정하여 다양한 채널 환경에 대해 적응적으로 대처할 수 있다. 특히, 채널의 임펄스 샘플이 짧은 채널일 경우 그 성능을 현저히 향상시킬 수 있으며, 채널이 드문드문 존재하는 스파스 채널(sparse channel)에 대해 보다 더 좋은 수신 성능을 가질 수 있다.

Claims (6)

1. 최소 자승법에 의거하여 주파수 다중 분할 방식 수신기의 다수의 부채널들의 주파수 응답을 추정하는 단계와,

   상기 추정된 주파수 응답을 입력받아 역 이산 푸리에 변환하여 상기 부채널들의 임펄스 응답을 구하는 단계와,

   상기 임펄스 응답에 대한 유효 채널을 추정하는 단계와,

   상기 유효 채널을 입력받아 이산 푸리에 변환하여 최종적인 각 채널의 주파수 응답을 추정하는 단계

   를 포함하는 주파수 다중 분할 방식 무선 모뎀의 이산 푸리에 변환 기반 채널 추정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 유효 채널 추정 단계는,

   시간 영역의 잡음 전력을 측정하는 단계와,

   임계값에 의한 유효 채널을 결정하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 다중 분할 방식 무선 모뎀의 이산 푸리에 변환 기반 채널 추정 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 잡음 전력은 특정된 구간(N∼L)에 대해 각 샘플에 대해 평균을 취하여 측정되는 것을 특징으로 하는 주파수 다중 분할 방식 무선 모뎀의 이산 푸리에 변환 기반 채널 추정 방법.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 임계값은 상기 측정되는 잡음 전력의 두 배 값을 가지는 것을 특징으로 하는 주파수 다중 분할 방식 무선 모뎀의 이산 푸리에 변환 기반 채널 추정 방법.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 L은 채널이 갖는 최고 임펄스 응답 길이에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 주파수 다중 분할 방식 무선 모뎀의 이산 푸리에 변환 기반 채널 추정 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 채널의 주파수 응답을 추정하는 단계는 상기 추정된 유효 채널 이외의 구간에 대해서 그 값을 "0"으로 삽입하는 것을 특징으로 하는 주파수 다중 분할 방식 무선 모뎀의 이산 푸리에 변환 기반 채널 추정 방법.

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