KR100668669B1 - 직교 주파수분할 다중접속 무선 통신 시스템의 단말에서의초기 프레임 동기 획득 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템의 단말에서의 초기 프레임 동기 획득 장치에 관한 것이다. 이 장치는 OFDMA 프리앰블 신호의 높은 전송 파워 특성을 이용하며, 이 장치의 정규화부는 수신 신호의 샘플들의 전력을 계산하여 정규화하고, 크로스 파워 계산부는 수신 신호의 샘플들간의 곱을 구하고 절대값을 취하여 크로스 파워를 계산한다. 나눗셈부는 크로스 파워 계산부에 의해 계산된 크로스 파워를 정규화부에 의해 정규화된 값으로 나눗셈 연산하여 출력하고, 피크값 검출부는 관찰구간 내의 특정 윈도우 구간동안의 수신 신호들의 샘플들에 대해 나눗셈부에 의해 수행된 값들 중에서 최대값을 갖는 샘플을 찾아서 출력한다. 이 때 피크값 검출부에서 출력되는 샘플의 다음 샘플이 프레임의 시작점으로 설정된다. 본 발명에 따르면, 세 개의 기지국으로부터 전송된 신호가 동시에 수신될 경우에도 초기 프레임 동기 획득에 성공할 수 있다.

OFDMA, 와이브로(WiBro), 프리앰블, 동기 획득, 프레임 동기

Description

직교 주파수분할 다중접속 무선 통신 시스템의 단말에서의 초기 프레임 동기 획득 장치{APPARATUS FOR ACQUIRING FRAME TIMING FOR OFDMA MOBILE COMMUNICATION SYSTEM}

도 1은 일반적인 OFDMA 시스템의 프레임 구조를 나타낸 도면이다.

도 2는 세그먼트 ID가 0인 섹터에서의 프리앰블 부반송파 할당 예를 나타낸 도면이다.

도 3은 일반적인 자기 상관 기반 동기 알고리즘 구현을 위한 블록도이다.

도 4는 수신기에서의 수신 샘플을 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초기 프레임 동기 획득 장치의 블록도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 원샷(One shot) 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가우시안 채널에서의 성능 분포도이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 페이딩과 가우시안 채널에서의 성능 분포도이다.

본 발명은 프리앰블을 사용하는 직교 주파수분할 다중접속(OFDMA:Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access, 이하 "OFDMA"라고 함) 시스템에 관한 것으로, 특히 프리앰블을 이용하여 OFDMA 시스템의 단말에서 초기 프레임 동기를 획득하는 장치에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 와이브로 규격에서 OFDMA 시스템의 프레임 구조를 나타낸 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, OFDMA 시스템의 각 프레임은 42개의 OFDMA 심볼들로 구성된다. 이 중 맨 처음 심볼로는 프리앰블 심볼이 위치하는데, 이는 초기 동기 획득, 주파수 오프셋 계산, 셀 아이디(Cell ID) 인식 등에 이용된다. 또한 총 1024개의 부반송파 중에서 172개의 보호 밴드(guard band)용 부반송파와 1개의 중심(DC) 부반송파를 제외한 851개의 부반송파가 프리앰블 신호 전송에 사용되며, 이는 주파수 차원에서 3 부반송파의 간격으로 일정하게 분포된 부반송파들로 구성된다. 그리고 셀(cell) 또는 세그먼트(segment)마다 다르게 주어지는 프리앰블 패턴이 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 변조되어, 사용되는 부반송파에 할당된다.

도 2는 세그먼트 ID가 0인 섹터에서의 프리앰블 부반송파 할당의 예를 보여주고 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 프리앰블 부반송파 할당은 시간 영역에서의 361 샘플 주기를 가지는 동일 신호의 세 번 반복 특성을 보인다. 종래의 초기 동기 알고리즘은 이러한 세 번 반복된 신호의 자기상관 특성을 이용하여 초기 프레임 동기를 획득하였다.

한편, 종래 기술로서 국내 공개특허 제2005-66562호에는 OFDMA 시스템에서 프리앰블 구성 방법 및 그 프리앰블을 이용한 프레임 동기 획득 및 셀 검색방법이 개시되어 있다. 선행특허는 단일 셀 환경에서 자기상관 기법을 이용한 초기 프레임 동기 방법에 관하여 기술하고 있다. 그런데 와이브로 OFDMA 시스템에서 셀 가장자리에 위치한 단말기에 서로 다른 세그먼트 번호를 가진 세 개의 기지국으로부터 전송된 신호가 동시에 수신될 경우, 단일 셀 내의 시간영역에서 프리앰블 신호가 세 번 반복되는 특성이 사라지게 된다. 이와 같은 이유로 종래의 자기상관 기반 기법을 초기 프레임 동기 획득에 사용하게 되면 동기 획득에 실패할 수 있다.

그러므로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 와이브로 OFDMA 프리앰블 신호의 높은 전송 파워 특성을 이용하여 단말기가 셀 가장자리에 위치해서 서로 다른 세그먼트 번호를 가진 세 개의 기지국으로부터 신호가 동시에 수신될 경우에도 초기 프레임 동기 획득에 성공할 수 있는 초기 프레임 동기 장치를 제공하는 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 초기 프레임 동기 획득 장치는,

OFDMA 시스템의 단말에서 초기 프레임 동기를 획득하는 장치로서,

수신 신호의 샘플들의 전력을 계산하여 정규화하는 정규화부; 상기 수신 신호의 샘플들간의 곱을 구하고 절대값을 취하여 크로스 파워(cross power)를 계산하 는 크로스 파워 계산부; 상기 크로스 파워 계산부에 의해 계산된 크로스 파워를 상기 정규화부에 의해 정규화된 값으로 나눗셈 연산하여 출력하는 나눗셈부; 및 관찰구간 내의 특정 윈도우 구간동안의 수신 신호들의 샘플들에 대해 상기 나눗셈부에 의해 수행된 값들 중에서 최대값을 갖는 샘플을 찾아서 출력하는 피크값 검출부를 포함하며, 상기 피크값 검출부에서 출력되는 샘플의 다음 샘플을 프레임의 시작점으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

도 3은 일반적인 자기 상관 기반의 초기 프레임 동기 알고리즘 구현을 위한 블록도를 나타낸 것이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 자기 상관 기반의 초기 프레임 동기 방법은 1152 샘플들의 관찰구간(128 CP(Cyclic Prefix) + 1024 IFFT output)동안 811 샘플 크기의 윈도우 안에서 다음의 수학식 1의 메트릭을 계산하고, 관찰구간을 오른쪽으로 옮겨가면서 계속 수학식 1의 메트릭들을 계산하면서 어느 일정 구간 동안의 메트릭 연산값들

로부터 피크(peak)값을 갖는 샘플의 다음 샘플을 프레임의 시작점으로 설정한다.

위의 수학식 1에서

는 i번째 샘플의 복소수 신호이다.

그런데, 앞서 기술한 바와 같이 자기 상관 기법을 이용한 초기 프레임 동기 방법은 다중 셀 환경에 적용하기에 부적당하다.

따라서 본 발명의 실시예에서는 와이브로 OFDMA 프리앰블 신호의 높은 전송 파워 특성을 이용하여 단일 셀뿐만 아니라 다중 셀에서도 초기 프레임 동기를 획득할 수 있는 방법을 제안한다.

먼저, 수신된 신호의 샘플들을

(여기서

는 복소수 신호임)라고 할 때, 각 샘플들의 파워는

으로 구할 수 있다. 각각의 샘플들은 크기와 위상으로 나눌 수 있고, 다른 샘플들간의 곱에 절대값을 취한 경우는 다음의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다. 이하에서는 이와 같이 다른 샘플들간의 곱에 절대값을 취한 값을 크로스 파워(Cross power)라고 정의한다.

다음, 도 4와 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 초기 프레임 동기 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

도 4는 수신기의 수신 샘플을 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 관찰구간은 CP(Cyclic Prefix)를 포함한 OFDMA 시스템의 한 심볼 크기인 1152 샘플들로 구성되어 있으며, 윈도우 크기는 811 샘플들이다. 관찰구간과 윈도우 크기의 설정은 종래의 자기상관 기반 알고리즘을 크게 변형시키지 않는 범위에서 설정한 것이며, 다른 크기의 샘플들로 구성할 수도 있다. 예를 들어, 관찰구간을 1152로 하고 윈도우 사이즈를 576으로 하여 576 샘플 간격의 샘플들 값의 크로스 파워를 계산할 수도 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 초기 프레임 동기 알고리즘을 설명하면, 수신기가 도 4와 같은 수신 샘플들을 수신하였을 때 먼저 1152 샘플들의 관찰구간동안 811 샘플 크기의 윈도우 안에서 다음의 수학식 3의 행렬을 계산한다.

이때 관찰구간을 오른쪽으로 옮겨가면서 수학식 3의 행렬을 계속 계산하여 어느 일정 구간 동안의 가장 큰 행렬 값을 갖는 샘플의 다음 샘플을 프레임의 시작점으로 설정한다.

한편 위의 수학식 3의 행렬을 계산하기 위해서 슬라이딩 윈도우 방법을 사용할 수 있다. 다시 말해,

은 미리 계산된

으로부터 다음의 수 학식 4와 같이 간단하게 구할 수 있다.

상기한 알고리즘을 구현하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 장치는 도 5에 도시되어 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초기 프레임 동기 장치의 블록도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초기 프레임 동기 장치는 샘플 지연부(510), 정규화부(520), 크로스 파워 계산부(530), 나눗셈부(540) 및 피크값 검출부(550)를 포함한다.

샘플 지연부(510)는 수신 샘플이 윈도우 내에 포함되도록 지연하여 출력한다. 여기에서 윈도우가 811 샘플 크기이고, 관찰구간이 1152 샘플 크기이므로, 윈도우 내에 포함되려면 341개의 샘플동안 지연되어야 하므로, 샘플 지연부(510)는 구체적으로는 341개의 샘플 동안 지연하여 출력한다.

정규화부(520) 수신된 신호의 샘플들을 정규화(normalization) 하는데, 구체적으로는 수신 샘플들의 전력을 계산하여 평균함으로써 정규화를 수행한다.

이를 위해 정규화부(520)는 제1 정규화기(511), 제2 정규화기(513), 덧셈기(515) 및 슬라이딩 윈도우 합산기(517)를 포함한다.

제1 정규화기(511)는 수신 샘플을 직접 제곱한 후 그 절대값의 1/2을 출력하 고, 제2 정규화기(513)는 샘플 지연부(510)에서 출력되는 지연 샘플을 제곱한 후 그 절대값의 1/2을 출력한다.

덧셈기(525)는 제1 정규화기(511)와 제2 정규화기(513)의 각 출력을 더하여 출력하고, 슬라이딩 윈도우 합산기(527)는 관찰구간동안의 정규화 값을 구하기 위해 관찰구간을 이동시켜서 덧셈기(525)에서 출력되는 값을 출력한다.

한편, 크로스 파워 계산부(530)는 수신 샘플들의 크로스 파워를 계산하여 출력한다.

이를 위해, 크로스 파우 계산부(530)는 곱셈기(531), 절대값 계산기(533) 및 슬라이딩 윈도우 합산기(535)를 포함한다.

곱셈기(531)는 수신 샘플과 샘플 지연부(510)에서 출력되는 지연 샘플을 곱하여 출력하고, 절대값 계산기(533)는 곱셈기(531)에서 출력되는 값의 절대값을 계산하여 출력한다.

슬라이딩 윈도우 합산기(535)는 관찰구간동안의 크로스 파워값을 구하기 위해 관찰구간을 이동시켜서 절대값 계산기(533)에서 출력되는 값을 출력한다.

한편, 나눗셈부(540)는 크로스 파워 계산부(530)에서 출력되는 값을 정규화부(520)에서 출력되는 값으로 나누어서 그 결과값을 출력한다.

피크값 검출부(550)는 관찰구간동안 나눗셈부(540)에서 출력되는 나눗셈 결과값 중에서 가장 큰 값인 피크값을 검출하여 해당 샘플을 나타내는 값을 출력한다. 따라서, 초기 프레임 동기에 의한 프레임 시작점은 피크값 검출부(550)에서 출력되는 샘플의 다음 샘플이 된다.

상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 초기 프레임 동기 장치와 해당 알고리즘의 성능을 보이기 위해 다음과 같은 시뮬레이션을 실행하였다.

세 개의 셀 가장자리에 단말을 위치시켰다. 여기서, 단말의 위치와 관련된 세 개의 섹터들은 서로 다른 세그먼트 번호를 갖는다. OFDMA 신호의 생성은 와이브로 규격을 따라서, 9 OFDMA UL PUSC 심볼, RTG, 프리앰블, 그리고 4 DL PUSC 심볼들을 생성하였다. 하나의 OFDMA 심볼이 1152 샘플들을 가지므로 11925번째 샘플에서 DL PUSC 심볼이 시작하는 것을 알 수 있었다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초기 프레임 동기 장치의 성능을 나타내는 원샷(One??shot) 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, (a)는 종래의 자기상관 특성을 이용한 방법을 적용했을 때의 결과이고, (b)는 본 발명의 실시예에 따른 초기 프레임 동기 방법을 적용했을 때의 결과를 나타낸 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 단말에 서로 다른 세그먼트 번호를 가진 세 개의 기지국으로부터 신호가 동시에 수신될 경우에, 도 6의 (a)에서와 같은 종래의 방법에서는 초기 프레임 동기에 실패하지만, 도 6의 (b)에서와 같은 본 발명의 실시예에 따른 초기 프레임 동기 방법을 이용하면 쉽게 피크점을 갖는 샘플 값을 찾아내는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 가우시안(Gaussian) 채널 환경아래서의 수신 SNR이 10dB 일때 성능 분포를 나타낸 것으로, (a)는 종래의 방법을 이용했을 때의 결과이고, (b)는 본 발명의 실시예에 따른 초기 프레임 동기 방법을 이용했을 때의 결과이다.

정확한 샘플 값으로부터 30번째 샘플까지를 초기 프레임 동기 획득 성공이라 고 가정했을 때, 도 7에 도시한 바와 같이, 종래의 자기상관 특성을 이용한 초기 프레임 동기 알고리즘을 사용할 경우에는 25% 정도의 성공 확률을 보이며, 본 발명의 실시예에 따른 초기 프레임 동기 방법을 사용할 경우에는 99% 이상의 성공 확률을 보임을 알 수 있다.

또한, 도 8은 가우시안과 페이딩(Fading)이 있는 환경에서의 수신 SNR이 10dB일때 성능 분포도를 나타낸 것으로, (a)는 종래의 방법을 이용했을 때의 결과이고, (b)는 본 발명의 실시예에 따른 초기 프레임 동기 방법을 이용했을 때의 결과이다.

정확한 샘플 값으로부터 앞으로 30번째 샘플까지를 초기 프레임 동기 획득 성공이라고 가정했을 때, 도 8에 도시한 바와 같이, 종래의 알고리즘을 사용할 경우 30% 정도의 성공 확률을 보이며, 본 발명의 실시예에 따른 초기 프레임 동기 방법을 이용하면 90% 정도의 성공 확률을 보인다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

본 발명에 따르면, 와이브로 OFDMA 시스템에서의 프리앰블 신호의 특성인 높은 전송파워를 이용하여 초기 프레임 동기를 획득한다. 이와 같이 하면 세 개의 기지국으로부터 전송된 신호가 동시에 수신될 경우에도 초기 프레임 동기 획득에 성 공할 수 있다.

또한 휴대 단말 인터넷 서비스 및 기타 다양한 OFDMA 기반의 무선 통신 시스템에서 초기 프레임 동기를 획득하는데 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (7)

1. 직교 주파수분할 다중접속 시스템의 단말에서 초기 프레임 동기를 획득하는 장치에 있어서,

   수신 신호의 샘플들의 전력을 계산하여 정규화하는 정규화부;

   상기 수신 신호의 샘플들간의 곱을 구하고 절대값을 취하여 크로스 파워(cross power)를 계산하는 크로스 파워 계산부;

   상기 크로스 파워 계산부에 의해 계산된 크로스 파워를 상기 정규화부에 의해 정규화된 값으로 나눗셈 연산하여 출력하는 나눗셈부; 및

   관찰구간 내의 특정 윈도우 구간동안의 수신 신호들의 샘플들에 대해 상기 나눗셈부에 의해 수행된 값들 중에서 최대값을 갖는 샘플을 찾아서 출력하는 피크값 검출부

   를 포함하며,

   상기 피크값 검출부에서 출력되는 샘플의 다음 샘플을 프레임의 시작점으로 설정하는

   것을 특징으로 하는 초기 프레임 동기 획득 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 정규화부가,

   상기 수신 신호의 샘플의 전력값을 산출한 후 평균하여 출력하는 제1 정규화 기;

   특정 샘플 시간동안 지연된 상기 수신 신호의 샘플의 전력값을 산출한 후 평균하여 출력하는 제2 정규화기;

   상기 제1 정규화기와 제2 정규화기에서 출력되는 값을 더하여 출력하는 덧셈기; 및

   상기 제1 정규화기, 제2 정규화기 및 덧셈기가 상기 특정 윈도우 구간동안 상기 수신 신호의 샘플들에 대한 정규화를 수행하여 값을 출력하도록 제어하는 슬라이딩 윈도우 합산기

   를 포함하는 초기 프레임 동기 획득 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 크로스 파워 계산부가,

   상기 수신 신호의 샘플과 특정 샘플 시간동안 지연된 상기 수신 신호의 샘플을 곱하여 출력하는 곱셈기;

   상기 곱셈기에서 출력되는 값의 절대값을 계산하여 출력하는 절대값 계산기; 및

   상기 곱셈기 및 절대값 계산기가 상기 특정 윈도우 구간동안 상기 수신 신호의 샘플들에 대한 크로스 파워를 계산하여 출력하도록 제어하는 슬라이딩 윈도우 합산기

   를 포함하는 초기 프레임 동기 획득 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 정규화부에 의해 출력되는 값(A_n)은 다음의 관계식

   

   여기서,

   

   는 상기 관찰 구간동안에서 I번째 샘플값이고,

   n은 임의의 자연수이며,

   상기 특정 윈도우 구간은 811개의 샘플 크기이고,

   상기 관찰 구간은 1152개의 샘플 크기임

   을 따라 산출되는 초기 프레임 동기 획득 장치.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 크로스 파워 계산부에 의해 출력되는 값(B_n)은 다음의 관계식

   

   여기서,

   

   는 상기 관찰 구간동안에서 I번째 샘플값이고,

   n은 임의의 자연수이며,

   상기 특정 윈도우 구간은 811개의 샘플 크기임

   상기 관찰 구간은 1152개의 샘플 크기임

   을 따라 산출되는 초기 프레임 동기 획득 장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 특정 윈도우를 슬라이딩시키면서 슬라이딩된 윈도우에서의 상기 정규화부에서 출력되는 값(A_n+1)은 슬라이딩 전의 윈도우에서 산출된 값(A_n)을 이용하여 다음의 관계식

   

   을 따라 산출되는 초기 프레임 동기 획득 장치.
7. 제5항에 있어서,

   상기 특정 윈도우를 슬라이딩시키면서 슬라이딩된 윈도우에서의 상기 정규화부에서 출력되는 값(B_n+1)은 슬라이딩 전의 윈도우에서 산출된 값(B_n)을 이용하여 다음의 관계식

   

   을 따라 산출되는 초기 프레임 동기 획득 장치.

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