KR100747593B1 - 직교주파수분할다중 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치및 그 방법 - Google Patents

직교주파수분할다중 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치및 그 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 직교주파수분할다중(OFDM) 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치 및 그 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 수신측에서 채널 보상 알고리즘을 테일러 전개를 이용하여 근사화하여 나눗셈 회로가 존재하지 않도록 함으로써 전력소모, 빠른 계산, 계산량을 감소시킬 수 있는 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치에 있어서, 수신 기준 신호와 전송 기준 신호를 차연산하여 채널 보상 에러를 구하기 위한 뺄셈 수단; 상기 전송 기준 신호의 부호에 따라 상기 뺄셈 수단에서 출력되는 채널 보상 에러의 부호를 변경하거나 유지하기 위한 부호 변경 수단; 상기 뺄셈 수단에서 출력되는 채널 보상 에러 신호를 제곱하기 위한 제곱근 수단; 상기 부호 변경 수단에서 출력되는 신호와 상기 제곱근 수단에서 출력되는 신호를 더하기 위한 제 1 덧셈 수단; 상기 제 1 덧셈 수단에서 출력되는 신호에 소정의 값을 더하여 추정 채널 보상값을 출력하기 위한 제 2 덧셈 수단; 및 수신신호와 상기 제 2 덧셈 수단에서 출력되는 추정 채널 보상값을 곱하기 위한 곱셈 수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 OFDM 기반 통신 시스템 등에 이용됨.
OFDM, 저전력, 채널추정, 채널보상, 테일러 전개, 근사화, 무선랜, 무선모뎀

Description

직교주파수분할다중 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치 및 그 방법{Apparatus for Channel Estimation of Wireless LAN Receiver based OFDM and its method}
도 1 은 일반적인 OFDM 통신 시스템의 일실시예 구성도,
도 2 는 상기 도 1의 OFDM 통신 시스템에서 처리되는 프레임 구조를 나타낸 일실시예 설명도,
도 3 은 기존의 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치의 일실시예 구성도,
도 4 는 본 발명에 따른 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치의 일실시예 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
40 : 뺄셈기 44 : 제곱근기
45 : 부호 변경기 47 : 제 1 덧셈기
48 : 제 2 덧셈기 49 : 곱셈기
본 발명은 직교주파수분할다중(Orthogonal Frequency Division Multiplex : 이하, "OFDM"라 함) 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선환경에서 데이터를 전송할 때 무선환경 채널에 의한 데이터의 손실을 방지할 수 있도록 잡음환경에서 효과적으로 잡음을 제거하기 위한 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
OFDM 방식은 다수의 직교 반송파에 데이터를 분산하여 전송하는 주파수 다중 방식으로, 각 반송파들 간에 직교 조건을 부여하여 송신 대역이 일부 중첩되어도 수신기에서 각각의 반송파를 분리할 수 있는 주파수 다중 통신 방식을 말한다.
한편, 무선랜에서는 수신측에서 무선환경에서 발생된 채널을 보상하기 위해 송신측에서 프리엠블 신호(Preamble Signal), 파일롯 신호 등과 같은 알고 있는 신호를 전송하면, 무선환경 채널을 지나면서 채널의 특성에 따라서 알고 있었던 신호가 변경되게 된다. 따라서 무선랜에서 채널 추정을 할 경우에는 상기 알고 있는 신호를 수신된 신호로 나눠줌으로써 가능하다. 왜냐하면, OFDM 기법에서 채널 추정은 일반적으로 주파수 영역에서 수행되기 때문이다. 기존의 채널 추정 장치는 이처럼 나눗셈이 존재하게 된다.
도 1 은 일반적인 OFDM 통신 시스템의 일실시예 구성도이다.
도면에서, "11"은 OFDM 통신 시스템의 송신기, "12"는 OFDM 통신 시스템의 수신기를 각각 나타내고, "111"은 변조부, "112"는 직/병렬 변환부, "113"은 역 푸리에 변환부(IFFT), "121"은 푸리에 변환부(FFT), "122"는 병/직렬 변환부, "123"은 채널 보상부, "124"는 복조부를 각각 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 송신기(11)로 입력된 사용자 데이터는 직렬로 입력되어 변조부(111)에서 변조를 거치고, 변조된 직렬신호는 직/병렬 변환부(112)에서 병렬신호로 변환되고, 변환된 병렬신호는 역 푸리에 변환부(IFFT)(113)를 통해 직교 주파수 변환되어 송신된다. 이렇게 송신된 데이터는 무선 채널의 영향을 받아 주파수 및 위상의 왜곡이 발생하게 된다.
이에 따라, 도 1의 수신기(12)에서는 수신된 직교주파수분할다중 신호를 푸리에 변환부(FFT)(121)를 통해 주파수 영역으로 변환하고, 변환된 신호를 병/직렬 변환부(122)에서 직렬 신호로 변환한다. 이렇게 변환된 직렬 신호는 무선채널에서 왜곡된 부분을 보상해주는 채널 보상부(123)로 전달되며, 복조부(124)를 통해 원래의 사용자 신호로 복조된다.
종래 기술의 대부분은 무선랜 모뎀(IEEE802.11a)에서 사용하는 긴 훈련 신호(Long Training Sequence)를 이용하는 방법으로 주파수 영역에서 채널 추정을 하는 방법이 주로 사용되었으며, 이에 대해 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
IEEE802.11a에서 제시한 긴 훈련 신호를 이용한 채널 추정 방법은, IEEE802.11a와 같은 버스트 데이터를 전송하는 모뎀의 경우에는 데이터 전송의 초기 단계에서 긴 훈련 신호를 사용하여 채널을 추정한다. 이 방식에서는 한 OFDM 심볼 전체 길이에 해당하는 긴 훈련 심볼을 전송하고, 수신단에서는 이를 이용하여 전체 부채널에서의 채널을 추정하여 채널 보상 계수를 구한다.
도 2 는 상기 도 1의 OFDM 통신 시스템에서 처리되는 프레임 구조를 나타낸 일실시예 설명도로서, 긴 훈련 신호를 사용하는 IEEE802.11a 물리계층의 프레임구조를 나타낸다.
도 2에서, "201"은 짧은 훈련 신호(Short Training Sequence), "202"는 긴 훈련 신호(Long Training Sequence), 그리고 "203"은 데이터(Data)를 각각 나타낸다.
긴 훈련 신호(202)는 수신단에서 알고 있는 신호 x(n)이다. 채널을 통해 알고 있는 신호를 통과했을 때, 수신된 신호 y(n)은 하기의 [수학식 1]과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006041133901-pat00001
여기서, x(n)은 송신된 신호, h(n)은 채널의 임펄스 응답, w(n)은 AWGN(Additive White Gaussian Noise), 그리고 "*"는 콘볼루션을 나타낸다.
상기 [수학식 1]을 주파수 영역에서 나타내면 하기의 [수학식 2]와 같이 주어진다.
Figure 112006041133901-pat00002
즉, 상기의 [수학식 1]에서 추정된 채널 응답은 상기의 [수학식 2]와 같이 추정할 수 있다.
상기의 [수학식 2]에서 추정된
Figure 112006041133901-pat00003
를 구하기 위해서는 나눗셈 회로가 필요하게 된다.
나눗셈 회로는 일반 곱셈기보다 전력 소모가 심하다. 따라서 상기 방법은 전력감소에 대한 고려가 전혀 이루어지지 않아 전력 소모가 많이 발생하는 문제점이 있었다.
따라서 이동 무선 환경과 같이 한정된 전력을 요구하는 시스템에서는 낮은 전력으로 동작하는 채널 추정 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하고 상기 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 수신측에서 채널 보상 알고리즘을 테일러 전개를 이용하여 근사화하여 나눗셈 회로가 존재하지 않도록 함으로써 전력소모, 빠른 계산, 계산량을 감소시킬 수 있는 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치 및 그 방법을 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 발명 장치는, OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치에 있어서, 수신 기준 신호와 전송 기준 신호를 차연산하여 채널 보상 에러를 구하기 위한 뺄셈 수단; 상기 전송 기준 신호의 부호에 따라 상기 뺄셈 수단에서 출력되는 채널 보상 에러의 부호를 변경하거나 유지하기 위한 부호 변경 수단; 상기 뺄셈 수단에서 출력되는 채널 보상 에러 신호를 제곱하기 위한 제곱근 수단; 상기 부호 변경 수단에서 출력되는 신호와 상기 제곱근 수단에서 출력되는 신호를 더하기 위한 제 1 덧셈 수단; 상기 제 1 덧셈 수단에서 출력되는 신호에 소정의 값을 더하여 추정 채널 보상값을 출력하기 위한 제 2 덧셈 수단; 및 수신신호와 상기 제 2 덧셈 수단에서 출력되는 추정 채널 보상값을 곱하기 위한 곱셈 수단을 포함한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 방법은, OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 방법에 있어서, 수신 기준 신호와 전송 기준 신호를 차연산하여 채널 보상 에러를 구하는 단계; 상기 전송 기준 신호의 부호에 따라 상기 구한 채널 보상 에러의 부호를 변경하거나 유지하는 단계; 상기 구한 채널 보상 에러 신호를 제 곱하는 단계; 상기 부호를 변경한 채널 보상 에러 신호와 상기 제곱한 채널 보상 에러 신호를 더하는 단계; 상기 더한 신호에 소정의 값을 더하여 추정 채널 보상값을 구하는 단계; 및 수신신호와 상기 구한 추정 채널 보상값을 곱하여 채널을 추정하는 단계를 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 3 은 기존의 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치의 일실시예 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 채널을 보상하기 위해서 수신된 파일롯(31)과 미리 알고 있는 파일럿(32)을 복소 나눗셈기(33)를 이용하여 채널 추정(34)을 한다. 이 채널 추정 결과는 입력된 신호와 곱셈기(35)에 의해 곱해져서 채널을 보상하게 된다.
한편, OFDM 시스템과 같이 주파수 영역에서 채널 추정을 하는 모든 통신 시스템은 수신측의 채널 추정 및 보상을 하는 방법에 있어서 전력을 줄일 수 있는 방법을 포함한다.
전술한 상기 [수학식 2]를 다시 표현하면 하기의 [수학식 3]과 같이 표현할 수 있다.
여기서, 수신된 파일롯 신호 P'(k)는 전송된 파일롯 신호 P(k)와 채널 에러 Pe(k)의 합으로 표현된다.
Figure 112006041133901-pat00004
상기 [수학식 3]은 기존의 주파수 영역에서 채널 보상 기법을 표현한 수식이다.
이 기존의 채널 보상 기법은 전력 소모와 하드웨어 복잡도가 증가하는 복소 나눗셈 회로가 필요하다.
이 복소 나눗셈 회로는 P(k)가 실수 값
Figure 112006041133901-pat00005
±1이고, Pe(k)는 복소값이기 때문에 2개의 곱셈기와 2개의 나눗셈기가 필요하다.
따라서 본 발명에서는 하드웨어 복잡도를 줄이기 위해서, 근사화 식을 이용하여 간소화된 채널 보상 방법을 전개하였다.
본 발명에 따른 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정을 위한 1차 근사화 방법은 다음과 같다.
상기 [수학식 3]은 하기의 [수학식 4]와 같이 테일러 급수를 사용하여 전개할 수 있다.
더욱 정확한 채널 추정과 보상을 원한다면, 상기 [수학식 3]은 테일러 전개를 사용하여 2차 근사화 방법을 사용함으로써 더욱 정확한 채널 추정 방법으로 변경될 수 있다.
Figure 112006041133901-pat00006
여기서, α=P(k)이고, x=Pe(k)이다.
상기 [수학식 4]를 사용하여 채널 보상 계수는 하기의 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112006041133901-pat00007
상기 방법은 하기의 [수학식 6]에서 보이듯이 2개의 곱셈기가 필요하다. 왜냐하면, 복소 제곱 계산은 2개의 곱셈기와 2개의 덧셈기, 그리고 1개의 좌 쉬프트 연산기가 필요하기 때문이다.
Figure 112006041133901-pat00008
도 4 는 본 발명에 따른 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치의 일실시예 구성도로서, 2차 근사화 방법을 이용한 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치를 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치는, 수신된 파일롯 신호 P'(k)(42)와 전송된 파일롯 신호 P(k)(41)를 차연산하여 채널 보상 에러 Pe(k)를 구하기 위한 뺄셈기(40), 상기 뺄셈기(40)에서 출력되는 채널 보상 에러 Pe(k)와 상기 전송된 파일롯 신호 P(k)의 부호에 따라 상기 채널 보상 에러 Pe(k)의 부호를 변경하기 위한 부호 변경기(45), 상기 채널 보상 에러 Pe(k) 신호를 제곱하기 위한 제곱근기(44), 상기 부호 변경기(45)에서 출력되는 신호와 상기 제곱근기(44)에서 출력되는 신호를 더하기 위한 제 1 덧셈기(47), 상기 제 1 덧셈기(47)에서 출력된 신호에 "1"을 더하여 추정된 채널 보상값을 출력하기 위한 제 2 덧셈기(48), 그리고 입력된 수신신호와 상기 제 2 덧셈기에서 출력된 추정된 채널 보상값을 곱하기 위한 곱셈기(49)를 포함한다.
다음으로, 본 발명에 따른 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 수신된 파일롯 신호 P'(k)(42)와 알고 있는 파일롯 신호 P(k)(41)를 뺀 값은 채널 보상 에러 Pe(k)이다. 상기 채널 보상 에러 Pe(k)는 제곱근기(44)와 부호 변경기(45)로 각각 입력된다.
부호 변경기(45)는 만약, "P(k)=1+0j"이면 "Pe(k)=-Pe(k)"로 변경하고, "P(k)=-1+0j"이면 "Pe(k)=Pe(k)"로 채널 보상 에러 Pe(k)를 변경하게 된다.
상기 제곱근기(44)와 부호 변경기(45)의 결과들은 제 1 덧셈기(47)를 통해서 더해지고, 제 2 덧셈기(48)를 통해 "1"과 다시 더해진다. 이렇게 추정된 채널 보상값은 입력된 수신신호와 곱셈기(49)에서 곱해서 채널을 추정한다.
상기 일실시예에서는 기준이 되는 신호로 파일롯 신호를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 프리엠블 신호와 같이 기준이 될 수 있는 다른 신호를 사용하여도 된다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.
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, 무선통신 시스템의 채널 추정 및 보상회로에서 기존의 복잡한 회로를 간단히 표현할 수 있고. 이렇게 함으로써 적은 계산량으로 동일한 채널 추정 및 보상을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 이동 무선 환경에서 한정된 전력 때문에 낮은 전력 소모를 요구하는 시스템에 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (6)

  1. OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치에 있어서,
    수신 기준 신호와 전송 기준 신호를 차연산하여 채널 보상 에러를 구하기 위한 뺄셈 수단;
    상기 전송 기준 신호의 부호에 따라 상기 뺄셈 수단에서 출력되는 채널 보상 에러의 부호를 변경하거나 유지하기 위한 부호 변경 수단;
    상기 뺄셈 수단에서 출력되는 채널 보상 에러 신호를 제곱하기 위한 제곱근 수단;
    상기 부호 변경 수단에서 출력되는 신호와 상기 제곱근 수단에서 출력되는 신호를 더하기 위한 제 1 덧셈 수단;
    상기 제 1 덧셈 수단에서 출력되는 신호에 소정의 값을 더하여 추정 채널 보상값을 출력하기 위한 제 2 덧셈 수단; 및
    수신신호와 상기 제 2 덧셈 수단에서 출력되는 추정 채널 보상값을 곱하기 위한 곱셈 수단
    을 포함하는 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치는,
    상기 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정을 위해 채널 보상 계수를 테일러 전개를 사용하여 근사화하여 채널을 추정하는 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 부호 변경 수단은,
    상기 전송 기준 신호가 "1+0j"이면 상기 채널 보상 에러의 부호를 변경하고, "-1+0j"이면 상기 채널 보상 에러의 부호를 유지하는 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기준 신호는,
    파일롯 신호 또는 프리엠블 신호인 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 장치.
  5. OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 방법에 있어서,
    수신 기준 신호와 전송 기준 신호를 차연산하여 채널 보상 에러를 구하는 단 계;
    상기 전송 기준 신호의 부호에 따라 상기 구한 채널 보상 에러의 부호를 변경하거나 유지하는 단계;
    상기 구한 채널 보상 에러 신호를 제곱하는 단계;
    상기 부호를 변경한 채널 보상 에러 신호와 상기 제곱한 채널 보상 에러 신호를 더하는 단계;
    상기 더한 신호에 소정의 값을 더하여 추정 채널 보상값을 구하는 단계; 및
    수신신호와 상기 구한 추정 채널 보상값을 곱하여 채널을 추정하는 단계
    를 포함하는 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 방법은,
    상기 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정을 위해 채널 보상 계수를 테일러 전개를 사용하여 근사화하여 채널을 추정하는 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선랜 수신기의 채널 추정 방법.
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