KR100717847B1 - 시간 주파수 호핑 방식을 사용하는 다중대역 ｏｆｄｍ초광대역 시스템에서의 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법과,그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시간 주파수 호핑 방식을 사용하는 MB-OFDM UWB 시스템의 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법과, 그 장치에 관한 것으로,

시간 주파수 호핑 방식을 사용하는 다중대역 직교 주파수 분할 다중 초광대역 시스템에서의 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법에 있어서, 주파수 호핑에 사용된 다수개의 주파수 대역 중 하나의 주파수 대역에 대한 동일 주파수 대역으로 전송된 PS 심볼들을 이용해 탄젠트 입력이 될 제1 값(X)과 제2 값(Y)을 계산하는 제1 단계; 상기 제1 값(X)과 상기 제2 값(Y)을 이용하여 tan(X/Y) 값을 구하고, 중심 주파수에 대한 상대적 주파수 옵셋을 반영하여 구성된 변환 룩업 테이블로부터 tan(X/Y)값에 해당하는 인덱스를 계산하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 계산된 인덱스를 이용해 상기 변환 룩업 테이블로부터 주파수 호핑에 사용된 나머지 주파수 대역에 대한 추정된 주파수 옵셋 량을 나타내는 인덱스들을 계산하는 제3 단계; 상기 제3 단계에서 계산된 인덱스들을 이용하여 다수개의 주파수 대역 각각에 대해 보상 위치에 따른 수치제어발진기 인덱스를 추출하는 제4 단계; 및 상기 제4 단계에서 추출된 수치제어발진기 인덱스들을 이용하여 시간 주파수 패턴에 따라 추정된 주파수 옵셋 량을 수치제어발진기 테이블을 이용하여 보상하는 제5 단계를 포함한다.

시간, 주파수, 호핑. 초광대역, OFDM, UWB, 옵셋, 추정, 보상

Description

시간 주파수 호핑 방식을 사용하는 다중대역 ＯＦＤＭ 초광대역 시스템에서의 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법과, 그 장치{Estimation and Compensation of Frequency Offset in MB-OFDM UWB System using Time Frequency Hopping}

도 1은 IEEE 802.11a 무선랜의 프리앰블 구조를 이용한 1차와 2차 주파수 옵셋 추정 및 보상 과정을 설명하기 위한 도면.

도 2는 IEEE 802.15.3a에서 표준화 진행중인 MB-OFDM UWB 시스템의 프리앰블 구조를 나타낸 도면.

도 3은 MB-OFDM UWB 시스템의 주파수 할당 예를 설명하기 위한 도면.

도 4는 MB-OFDM 시스템에서의 시간 주파수(TF) 코드들을 설명하기 위한 도면.

도 5는 MB-OFDM UWB 시스템의 전송 규칙을 설명하기 위한 도면.

도 6은 MB-OFDM 프리앰블 심볼들을 사용하여 MLE 방식으로 3개 주파수 대역 별로 주파수 옵셋을 추정하고 보상하는 방법을 설명하기 위한 도면.

도 7은 본 발명에 따른 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법을 설명하기 위한 도면.

도 8은 대역 그룹 #1의 3개 주파수 대역간 중심 주파수의 상대적인 비율을 설명하기 위한 도면.

도 9a 및 도 9b는 발명에 이용되는 룩업 테이블의 예를 나타낸 도면.

도 10은 본 발명에 따른 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법을 설명하기 위한 도면.

본 발명은 시간 주파수(TF: Time Frequency) 호핑 방식을 사용하는 다중 대역 직교 주파수 분할 다중 초광대역(MB-OFDM UWB) 시스템에서의 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법과 그 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 MB-OFDM UWB 시스템에서 시간 주파수(TF)에 사용된 3개 주파수 대역 중 하나에 대한 주파수 옵셋을 추정한 후 간단하게 변환 룩업 테이블을 통해 3개 주파수 대역 모두에 대한 주파수 옵셋을 추정하고 보상하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

초광대역(UWB) 기술은 기존의 협대역 시스템 및 3세대 셀룰러 기술로 설명되는 광대역 시스템과 구분하기 위해 중심 주파수의 20% 이상의 점유 대역폭을 차지하는 시스템 혹은 0.5GHz 이상의 점유 대역폭을 차지하는 무선 전송 기술을 의미하며, 직교 주파수 분할 다중(OFDM)은 정확한 주파수에서 일정 간격 떨어져 있는 많은 수의 반송파에 데이터를 분산시켜, 복조기가 자기 자신의 것이 아닌 다른 주파수를 참조하는 것을 방지하는 변조 기술을 의미한다.

도 1은 IEEE802.11a의 무선랜(WLAN)의 프리앰블 구조를 이용한 1차 및 2차 주파수 옵셋 추정 및 보상 과정을 설명하기 위한 도면이다.

일반적으로 무선랜 시스템에서는 프리앰블 구조를 이용하여 10개의 짧은 훈련 시퀀스(Short training sequence) 내에서 1 차 주파수 옵셋 추정을 수행하고, 수치제어발진기(NCO: Numerical Controlled Oscillator)를 사용하여 주파수 옵셋을 보상한 후, 2개의 긴 훈련 시퀀스(Long training sequence)들을 이용하여 2차 주파수 옵셋을 추정 및 보상한다.

IEEE Transactions On Communications, VOL. 42, NO. 10, Octorber 1994에 게재된 "A Technique for Orthogonal Frequency Division Multiplexing Frequency Offset Correction" 논문에서는 반복된 데이터 심볼들을 이용하여 최대 유사 추정(MLE: Maximum Likelihood Estimate) 방법으로 다음 수학식 1과 같이 주파수 ㅇ오옵셋을 추정 방법이 제시되어 있다.

수학식 1에서

는 반송파간 간격에 대해 추정된 주파수 옵셋의 비를 나타내고, Y_2kY_1k는 두개의 연속된 파일롯 집합 수신 심볼을 나타낸다.

ISCC '02에 게재된 "Carrier Frequency Offset Estimation and Correction for Hiperlan/2 WLANs" 논문에는 하이퍼랜2(Hiperlan2) 시스템에서 반송 주파수 옵 셋이 발생할 경우의 성능 열화 특성과 이를 극복하기 위한 반송 주파수 옵셋(Carrier Frequency offset) 추정 및 보상 방법이 제시되어 있다. 상기 논문에서는 잘 알려진 훈련(training) 심볼들 중 연속된 두 심볼간의 위상 변화량을 추적하여 시간에 따른 주파수 옵셋 량을 추정함에 있어, 반송파간 간격에 의해 주파수 옵셋 추정 범위가 한정됨을 제시하고 있으며, 이를 극복하기 위해 실제 전송하고자 하는 OFDM 반송파간 간격보다 크게 반송파간 간격을 조정한 심볼을 이용하여 거대(Coarse) 주파수 옵셋을 1차로 추정 보상하고, 실제 전송하고자 하는 OFDM 심볼 반송파 간격을 갖는 잘 알려진 반복 심볼을 이용하여 2차로 미세(Fine) 주파수 옵셋을 추정하고 보상하는 방법을 제시하고 있다. 이에 따라 상기 논문에서는 주파수 옵셋 추정 범위가 확장되도록 하고 있다.

대한민국 공개특허공보 제2003-0090389호에는 상기 논문들에서 제시한 주파수 옵셋 추정 방법을 이용하여, 도 1과 같은 IEEE 802.11a 무선랜 시스템의 프리앰블 정보를 사용하여 주파수 옵셋을 추정하고, 보상하는 방법과, 수치제어발진기(NCO) 구성에 대해 제시되어 있다.

도 2는 IEEE 802.15.3a에서 표준화 진행중인 다중대역 직교주파수 분할 다중 초광대역(MB-OFDM UWB) 시스템에 사용되는 프리앰블 구조를 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이 프리앰블 구간 동안 반송 주파수 추정을 포함하여 매우 많은 수신 알고리즘들이 수행되어야 한다. 특히 반송 주파수 추정 및 보상은 프리앰블 구간 중 처음 21개의 PS 심볼 내에서 수행되어야 하며, OFDM 심볼들이 3개 주파수 대역을 호핑하며 전송됨으로, 3개 주파수 대역 각각에 대한 주파수 옵셋 추정 및 보상이 필요하지만, 향후 폭넓은 응용을 가능하게 하기 위해서는 하드웨어의 복잡도 및 소비전력을 낮출 필요가 있다.

MB-OFDM UWB 시스템의 채널은 FCC에서 규정한 3.1 ~ 10.6GHz UWB 대역 내에서 528MHz 간격으로 도 3에 도시된 바와 같이 14개가 할당되었으며, 총 5개 대역그룹(BandGroup)으로 구성된다. 4개의 대역 그룹은 각 그룹별로 3개의 주파수 대역으로 이루어져 있으며, 1개 대역 그룹은 2개 주파수 대역으로 구성된다. 이중 대역 그룹 #1이 의무적으로 사용되도록 할당되었고, 나머지 대역들은 미래 사용을 위해 할당되었다.

MB-OFDM 방식에서는 각 전송 OFDM 심볼마다 도 4에 도시된 바와 같은 시간 주파수(TF: Time Frequency) 호핑 패턴에 따라 주파수를 변경해 주어야 한다. MB-OFDM UWB 시스템의 전송 규칙은 도 5에 도시된 바와 같다. 도 5에서 각 OFDM 심볼은 매 심볼마다 도 4의 프리앰블 패턴 2에 따라 도 3의 대역 그룹 #1에 해당하는 3개 주파수 대역들을 호핑하며 전송된다.

도 6은 수학식 1에서 제시한 방법으로 주파수 옵셋을 추정할 경우 도 4에서 제시한 시간 주파수 패턴에 따라 각 주파수 대역별로 주파수 옵셋을 추정하고 각 중심 주파수 대역에 맞는 심볼에 대해 보상을 수행하는 방식을 도시한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이 주파수 옵셋을 추정하는 경우 3개 주파수 대역에 대한 주파수 옵셋을 추정하기 위한 각각의 하드웨어가 필요하며, 주파수 옵셋 추정에 필요한 OFDM 심볼도 최소 6개 이상이 필요하다. 이러한 방식으로 주파수 옵셋을 추정하고 보상할 경우에는 하드웨어가 복잡하고 소비 전력이 증가하는 문제점이 있 다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명은 MB-OFDM UWB 시스템에서 여러 주파수를 이용하여 전송되는 OFDM 심볼들로부터 특정 주파수에 대한 주파수 옵셋을 추정하고, 전송 주파수들 간의 상대적인 중심 주파수 차이를 반영하여 작성된 변환 룩업 테이블을 이용하여 전송에 사용된 다른 주파수들의 주파수 옵셋을 추정하고 수치제어발진기(NCO)를 이용하여 보상함으로써, 하드웨어를 단순화하고 소비 전력을 절감할 수 있는 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법과, 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 시간 주파수 호핑 방식을 사용하는 다중대역 직교 주파수 분할 다중 초광대역 시스템에서의 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법에 있어서, 주파수 호핑에 사용된 다수개의 주파수 대역 중 하나의 주파수 대역에 대한 동일 주파수 대역으로 전송된 PS 심볼들을 이용해 탄젠트 입력이 될 제1 값(X)과 제2 값(Y)을 계산하는 제1 단계; 상기 제1 값(X)과 상기 제2 값(Y)을 이용하여 tan(X/Y) 값을 구하고, 중심 주파수에 대한 상대적 주파수 옵셋을 반영하여 구성된 변환 룩업 테이블로부터 tan(X/Y)값에 해당하는 인덱스를 계산하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 계산된 인덱스를 이용해 상기 변환 룩업 테이블로부터 주파수 호핑에 사용된 나머지 주파수 대역에 대한 추정된 주파수 옵셋 량을 나타내는 인덱스들을 계산하는 제3 단계; 상기 제3 단계에서 계산된 인덱스들을 이용하여 다수개의 주파수 대역 각각에 대해 보상 위치에 따른 수치제어발진기 인덱스를 추출하는 제4 단계; 및 상기 제4 단계에서 추출된 수치제어발진기 인덱스들을 이용하여 시간 주파수 패턴에 따라 추정된 주파수 옵셋 량을 수치제어발진기 테이블을 이용하여 보상하는 제5 단계를 포함한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 장치는, 시간 주파수 호핑 방식을 사용하는 다중대역 직교 주파수 분할 다중 초광대역 시스템에서의 주파수 옵셋 추정 및 보상 장치에 있어서, 주파수 호핑에 사용되는 주파수들의 중심 주파수에 대한 상대적 주파수 옵셋을 반영하여 구성되는 변환 룩업 테이블; 주파수 호핑에 사용된 다수개의 주파수 대역 중 하나의 주파수 대역에 대한 동일 주파수 대역으로 전송된 PS 심볼들을 이용해 탄젠트 입력이 될 제1 값(X)과 제2 값(Y)을 계산하는 탄젠트 입력값 계산수단; 상기 탄젠트 입력값 계산수단에 의해 계산된 상기 제1 값(X)과 상기 제2 값(Y)을 이용하여 tan(X/Y) 값을 구해, 상기 변환 룩업 테이블로부터 상기 구한 tan(X/Y )값에 해당하는 인덱스를 계산하고, 상기 계산된 인덱스를 이용해 상기 변환 룩업 테이블로부터 주파수 호핑에 사용된 나머지 주파수 대 역에 대한 추정된 주파수 옵셋 량을 나타내는 인덱스들을 계산하는 인덱스 계산수단; 상기 인덱스 계산수단에 의해 계산된 인덱스들을 이용하여 다수개의 주파수 대역 각각에 대해 보상 위치에 따른 수치제어발진기 인덱스를 추출하여, 상기 추출된 수치제어발진기 인덱스들을 이용하여 시간 주파수 패턴에 따라 추정된 주파수 옵셋 량을 수치제어발진기 테이블을 이용하여 보상하는 주파수 옵셋 보상수단을 포함한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명에 따른 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 대역 그룹 #1의 3개 주파수 대역간 중심 주파수의 상대적인 비율을 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 9a 및 도 9b는 발명에 이용되는 룩업 테이블의 예를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명에 따른 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 시간 주파수(TF) 호핑(Hopping) 방식을 사용하는 MB-OFDM UWB 시스템의 특징을 이용하여 중심 주파수에 대한 상대적 주파수 옵셋을 반영한 변환 룩 업 테이블(LUT: Look UP Table)을 이용하는데 그 특징이 있다.

MB-OFDM UWB 시스템의 경우 여러 개의 중심 주파수(대역 그룹 #1 ~ #4의 경우 3개)를 이용하여 OFDM 심볼을 전송한다. 하지만, 각 중심주파수에서 발생할 수 있는 송.수신 국부 발진기(LO: Local Oscillator) 차이에 의한 주파수 옵셋의 발생 원인은 각 중심 주파수를 발생시키는 기준 발진기의 주파수 옵셋에 기인한다. 따라서 각 중심주파수 별로 발생하는 실제 주파수 옵셋 값은 중심주파수에 비례하여 커진다.

이와 같은 특성을 이용하여 본 발명에서는 주파수 호핑에 사용되는 3개 주파수 대역 중 1개 주파수 대역에 대한 주파수 옵셋을 구하고, 3개 주파수 대역의 중심 주파수에 대한 상대적인 비를 이용하여 작성된 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같은 변환 룩업 테이블(LUT)을 이용하여 나머지 주파수 대역에 대한 주파수 옵셋 량을 추정하고, 주파수 호핑 주기에 맞춰 각 중심 주파수에 해당하는 수치제어발진기(NCO)를 구동하여 3개 주파수 대역 각각에 대한 주파수 옵셋을 보정한다.

이와 같은 본 발명에 따른 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다.

본 발명에서는 MB-OFDM UWB 시스템에서 시간 주파수 패턴에 따라 호핑하는 3개 주파수 대역 각각에 대한 주파수 옵셋을 추정하기 위해 똑같은 주파수 옵셋 추정 모듈을 3개 구성하는 대신, 도 8에서 도시된 바와 같이 3개 주파수 대역간 중심 주파수의 상대적인 비율을 이용하여 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같은 변환 룩업 테이블(LUT)을 구성한다.

도 7을 참조하여, 상기와 같은 변환 룩업 테이블을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하고 보상하는 과정을 살펴본다.

도 7에서 도 10에 도시된 바와 같이 동일 주파수 대역으로 전송된 2개의 PS 심볼들을 이용하여 탄젠트(tangent) 입력이 될 제1 값인 real(X)값과 제2 값인 imaginary(Y)값을 구한다. 이러한 구한 X값과 Y값을 이용하여 tan(X/Y)값을 구하고, tan(X/Y)값에 해당하는 인덱스(index)를

을 표현한 룩업 테이블로부터 구할 수 있다.

이렇듯 호핑에 사용된 3개 주파수 대역 중 1개에 대한 주파수 옵셋 량에 해당하는

인덱스를 구하고, 그에 해당하는 다른 2개 주파수 대역에 대한 주파수 옵셋 량을 나타내는 인덱스들을 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같은 룩업 테이블로부터 읽어, 호핑 패턴에 맞게 수치제어발진기(NCO)를 구동하여 주파수 옵셋을 보상해 준다. 즉, 도 9a 및 도 9b에서 RF1에 대한 주파수 옵셋에 해당하는

을 표현한 룩업 테이블(LUT)의 인덱스가 62로 구해졌다면, RF2와 RF3에 대한

인덱스는 도 9a 및 도 9b를 참조하면 72와 81로서, 이를 이용해 수치제어발진기(NCO)를 구동하면 된다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은, IEEE802.15.3a Alt-PHY로 표준화 중인 시간 주파수 호핑 방식을 사용하는 MB-OFDM UWB 시스템에서 프리앰블에 따라 서로 다른 주파수를 이용하여 전송되는 OFDM 심볼들의 중심 주파수에 대한 상대적 주파수 옵셋에 따른 변환 룩업 테이블을 이용하여, 1개 주파수 대역에 대한 주파수 옵셋 추정치로부터 전송에 사용된 다른 주파수들의 주파수 옵셋을 추정하고, 수치제어발진기(NCO)를 이용하여 보상함으로써, 실제 수신기 구현에 있어 하드웨어 복잡도 및 소비전력을 낮추고, 주파수 옵셋 추정 이외의 알고리즘 구현에 보다 많은 프리앰블 심볼을 할당할 수 있다.

Claims (2)

1. 시간 주파수 호핑 방식을 사용하는 다중대역 직교 주파수 분할 다중 초광대역 시스템에서의 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법에 있어서,

   주파수 호핑에 사용된 다수개의 주파수 대역 중 하나의 주파수 대역에 대한 동일 주파수 대역으로 전송된 PS 심볼들을 이용해 탄젠트 입력이 될 제1 값(X)과 제2 값(Y)을 계산하는 제1 단계;

   상기 제1 값(X)과 상기 제2 값(Y)을 이용하여 tan(X/Y) 값을 구하고, 중심 주파수에 대한 상대적 주파수 옵셋을 반영하여 구성된 변환 룩업 테이블로부터 tan(X/Y)값에 해당하는 인덱스를 계산하는 제2 단계;

   상기 제2 단계에서 계산된 인덱스를 이용해 상기 변환 룩업 테이블로부터 주파수 호핑에 사용된 나머지 주파수 대역에 대한 추정된 주파수 옵셋 량을 나타내는 인덱스들을 계산하는 제3 단계;

   상기 제3 단계에서 계산된 인덱스들을 이용하여 다수개의 주파수 대역 각각에 대해 보상 위치에 따른 수치제어발진기 인덱스를 추출하는 제4 단계; 및

   상기 제4 단계에서 추출된 수치제어발진기 인덱스들을 이용하여 시간 주파수 패턴에 따라 추정된 주파수 옵셋 량을 수치제어발진기 테이블을 이용하여 보상하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 옵셋 추정 및 보상 방법.
2. 시간 주파수 호핑 방식을 사용하는 다중대역 직교 주파수 분할 다중 초광대역 시스템에서의 주파수 옵셋 추정 및 보상 장치에 있어서,

   주파수 호핑에 사용되는 주파수들의 중심 주파수에 대한 상대적 주파수 옵셋을 반영하여 구성되는 변환 룩업 테이블;

   주파수 호핑에 사용된 다수개의 주파수 대역 중 하나의 주파수 대역에 대한 동일 주파수 대역으로 전송된 PS 심볼들을 이용해 탄젠트 입력이 될 제1 값(X)과 제2 값(Y)을 계산하는 탄젠트 입력값 계산수단;

   상기 탄젠트 입력값 계산수단에 의해 계산된 상기 제1 값(X)과 상기 제2 값(Y)을 이용하여 tan(X/Y) 값을 구해, 상기 변환 룩업 테이블로부터 상기 구한 tan(X/Y )값에 해당하는 인덱스를 계산하고, 상기 계산된 인덱스를 이용해 상기 변환 룩업 테이블로부터 주파수 호핑에 사용된 나머지 주파수 대역에 대한 추정된 주파수 옵셋 량을 나타내는 인덱스들을 계산하는 인덱스 계산수단;

   상기 인덱스 계산수단에 의해 계산된 인덱스들을 이용하여 다수개의 주파수 대역 각각에 대해 보상 위치에 따른 수치제어발진기 인덱스를 추출하여, 상기 추출된 수치제어발진기 인덱스들을 이용하여 시간 주파수 패턴에 따라 추정된 주파수 옵셋 량을 수치제어발진기 테이블을 이용하여 보상하는 주파수 옵셋 보상수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 옵셋 추정 및 보상 장치.

Images