KR100752421B1 - 오에프디엠 시스템의 채널 추정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 OFDM 시스템에서 훈련심볼을 이용하여 채널을 추정하며, 추정시 주파수 측면의 상관도에 따라 인접한 주파수측 채널 추정값들의 평균값으로 원하는 부반송파의 채널 추정값을 보정함으로써 채널 환경에 강인한 채널 추정값을 얻을 수 있도록 한 OFDM시스템의 채널 추정 장치 및 방법을 제공하며, 이는 각 부반송파에 대하여 프리앰블에 의해 추정된 채널 추정값에 서로 인접한 부반송파의 채널 추정값 및 각 부반송파의 가중치를 고려하여 새로운 채널 추정값을 얻는 제1 채널 추정부 및 상기 제1 채널 추정부에서 얻어진 각 부반송파들의 채널 추정값을 가산하고 이를 부반송파의 수로 나누어 각 부반송파에 대한 채널 추정값들의 평균을 얻어 이를 수신한 OFDM 정보심볼에 곱하여 채널을 보상하는 제2 채널 추정부를 구비함에 의해 달성될 수 있으며, 이러한 본 발명은 DDCE의 에러 플로우가 발생하는 넓은 대역폭을 가진 시스템에서도 이득을 얻을 수 있어 심각한 주파수 선택적 페이딩 환경에서 매우 유용하다.

OFDM, 주파수 채널 추정, 가중치, 부반송파, 평균

Description

오에프디엠 시스템의 채널 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CHANNEL ESTIMATION OF OFDM SYSTEM}

도 1a 및 도 1b는 일반적인 OFDM시스템의 송신장치 및 수신장치의 블록 구성도.

도 2는 훈련 심볼을 이용한 일반적인 채널 추정기를 나타낸 도.

도 3은 주파수 선택적 페이딩 채널하에서 발생하는 OFDM 심볼의 채널 변화를 나타낸 도.

도 4는 본 발명에 따른 OFDM 시스템의 채널 추정 장치의 구성도.

도 5 및 도 6은 대역폭에 따른 DDCE 및 본 발명의 성능을 나타낸 그래프.

도 7 및 도 8은 다중경로 수에 따른 DDCE 및 본 발명의 성능을 나타낸 그래프.

도 9 및 도 10은 전송속도에 따른 DDCE 및 본 발명의 성능을 나타낸 그래프.

도 11은 BER 10^-4에서 본 발명과 DDCE의 이득을 정리한 표.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

25a : 초기 채널 추정부 25b : 제1 채널 추정부

25c : 제2 채널 추정부

본 발명은 초광대역 무선통신 시스템에서의 채널 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 주파수 선택적 페이딩 채널에서 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)의 부반송파간의 상관관계를 이용하여 목표 주파수에서의 채널 추정값을 인접 부반송파의 채널 추정값들의 평균으로 적응시켜 채널을 추정하는 OFDM시스템의 채널 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.

텔레매틱스(Telematics)는 통신과 정보기술의 합성어로 무선망을 통한 음성 및 데이터 통신을 이용하여 차량에 정보를 주고 받는 새로운 부가서비스를 제공하는 기술이다.

텔레매틱스 서비스를 제공하기 위해 DSRC(Dedicated Short Range Communication), 무선랜, UWB(Ultra Wideband) 등 여러 가지 무선 통신 기술이 제안되고 있는데, 이중 UWB 시스템은 홈네트워킹 내의 단말 장치와 차량내 텔레매틱스 단말기 장치간 연계 서비스와 차량내 고속 데이터 전송의 필요성이 증대함에 따른 요구에 부합되어 많은 연구가 진행되고 있다.

UWB 시스템은 FCC에서 규정한 3.1-10.6GHz 대역의 스펙트럼 마스크에서 채널 주파수 대역폭이 500MHz 이상으로 정의하며 고속 데이터 전송률을 가지는 무선(Wireless) PAN을 공급하기 적합하다.

이러한 UWB 시스템은 낮은 파워를 사용하기 때문에 자동차 및 차내 다른 전자 제품에 영향을 미치지 않고, 최대 전송률이 1Gbps정도까지를 제공할 수 있어 차내 무선망 적용기술로 여러 가지 장점을 가지고 있다.

OFDM 방식은 무선랜 시스템과 UWB 시스템에 모두 사용되는 무선접속 기술로 이동수신 환경에서 성능저하를 일으키는 다중경로 간섭에 강한 장점을 가지고 있다.

또한, 이동수신 환경에서 이러한 다중경로 간섭과 이동성에 따른 도플러 효과를 줄이고 성능 향상을 위해서 효과적인 채널 추정이 필요하다.

도 1은 일반적인 OFDM 시스템의 구성 블록도를 나타낸 것으로, 도 1a는 OFDM 시스템의 송신장치를, 도 1b는 OFDM 시스템의 수신장치를 각각 나타낸 것이다.

도 1a에 도시한 바와 같이, 송신측에서는 전송하고자 하는 입력 데이터를 컨볼루션 인코더(11)에서 채널 코딩한 후, 인터리빙부(12)를 거쳐 변조부(13)에서 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 방식으로 변조한다.

변조후, 훈련심볼 삽입부(14)에서 채널 추정을 위한 훈련심볼(Preamble)이 삽입되고, S/P변환부(15)를 통해 직렬 데이터가 병렬 데이터로 변환된 후, IFFT(Inverse Fast Fourie Transform) 및 보호 간격 삽입부(16)를 통해 IFFT하고, 다중경로 지연에 의한 인터 심볼 간섭(ISI : Inter Symbol Interference)을 방지하기 위해 보호 간격(Guard Time)을 삽입한다.

이후, D/A변환기(17)를 통해 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 안테나(18)를 거쳐 채널을 통해 수신측으로 전송한다.

도 1b와 같이, 수신측에서는 송신측의 역순으로 데이터를 처리한다.

즉, 안테나(21)를 통해 송신측에서 송신된 신호를 수신하고, 수신된 신호를 A/D변환기(22)를 통해 디지털 신호로 변환하고, FFT 및 보호 간격 제거부(23)에서 FFT하고 송신측에서 삽입된 보호 간격을 제거한다.

이후, P/S변환부(24)를 통해 병렬 데이터를 직렬 데이터로 변환하고, 채널 추정기(25)에서 채널을 추정하여 신호를 복구하게 된다. 그리고 훈련심볼 제거부(25)에서 훈련 심볼을 제거하고, 복조부(26)에서 복조한 후, 역인터리빙부(27)를 거쳐 비터비 디코더(28)에서 원래의 신호로 복호하여 출력하게 된다.

도 2는 하나의 부반송파에서 훈련심볼을 이용한 일반적인 채널 추정기를 나타낸 것이다. 이는 송신측에서 데이터 정보보다 앞서 수신측이 알고 있는 데이터(OFDM 시스템에서 패킷 시스템은 프리앰블 구조에 파일럿 심볼이 정의되어 있는데, 이 심볼들은 데이터 심볼보다 먼저 전송함)를 삽입하여 이들이 채널 통과시 변화를 초기 채널 추정부(25a)에서 다른 정보 데이터(Payload)에 적용하여 행하게 된다.

이에 대한 수식은 다음의 (수학식 1)과 같다.

(수학식 1)

R_k = hX_k + n_k

h_pilot = P/

여기서, R_k는 k번째 부반송파에 수신된 심볼신호이고, h는 채널 응답, X_k는 전송된 k번째 심볼신호, n_k는 채널상의 잡음신호이다. P는 송신된 파일럿 값이고

는 수신된 파일럿 값,

는 파일럿에 의해 추정이 이루어진 심볼신호를 나타낸다. 이와 같이 파일럿에 의해 각 부반송파는 초기 추정값을 얻을 수 있게 된다.

이에 대하여 보다 상세히 살펴보면, 일반적으로 OFDM에서는 시간측면의 심볼과 주파수측면의 부반송파로 이루어져 있고, 여기서 프리앰블은 후술될 도 3에서 초기 심볼의 모든 부반송파를 말하며, 초기 프리앰블의 각 부반송파는 데이터와 같은 형태의 파일럿으로 이루어져 있다.

따라서 상기 p는 수신측에서 알고 있는 송신했던 프리앰블의 심볼이고,

는 채널을 통과하여 수신된 프리앰블 심볼을 나타내며, 알고 있는 프리앰블의 각 부반송파의 파일럿값을 수신된 프리앰블의 각 부반송파의 파일럿값으로 나누고 이를 전체 부반송파의 수로 평균하여 채널 추정값 h_pilot을 얻게 되는 것이다.

한편, 고속전송을 위해 넓은 대역폭을 사용하는 시스템은 시간적으로는 높은 상관도를 가지고 있고 주파수간에는 낮은 상관도를 갖게 되어 심각한 주파수 선택적 페이딩이 발생한다.

도 3은 주파수 선택적 페이딩 채널하에서 발생하는 OFDM 심볼의 채널 변화를 나타낸 도로, 좌측과 상측에 선으로 표현된 부분은 넓은 대역폭을 가진 시스템의 주파수 측면과 시간측면에서의 채널 변화를 보여준다.

이는 T_o(Coherent Time)가 T_s(Sampling Time)보다 굉장히 크게 되어 시간적인 측면에서 상관도가 높은 채널이 되고 반면에 B_o(Coherent Bandwidth)가 B_s(System Bandwidth)보다 매우 작으므로 주파수 측면의 상관도가 낮아 훈련심볼인 프리앰블의 부반송파간 변화가 심한 채널 추정값을 가지게 된다.

즉, 상기와 같이 종래의 OFDM 시스템에서의 채널 추정은 시간적으로 천천히 변화하는 채널에서 주로 사용하는 채널 추정으로서 상관도가 높은 심볼간 데이터를 이용하는 결정지향 채널 추정(Decision Directed Channel Estimation : 이하, DDCE라 칭함)을 사용함에 따라 주파수 비선택적인 환경에서는 높은 이득을 보이지만 시스템 대역폭이 증가함에 따라 심각한 주파수 선택적 페이딩 환경이 되어 데이터의 신뢰도가 떨어지면 에러 플로우 현상이 발생하게 되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 OFDM 시스템에서 훈련심볼을 이용하여 채널을 추정하며, 추정시 주파수 측면의 상관도에 따라 인접한 주파수측 채널 추정값들의 평균값으로 원하는 부반송파의 채널 추정값을 보정함으로써 채널 환경에 강인한 채널 추정값을 얻을 수 있도록 한 OFDM시스템의 채널 추정 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 OFDM 시스템의 채널 추정 장치는, 각 부반송파에 대하여 프리앰블에 의해 추정된 채널 추정값에 서로 인접한 부반송파의 채널 추정값 및 각 부반송파의 가중치를 고려하여 새로운 채널 추정값을 얻는 제1 채널 추정부; 상기 제1 채널 추정부에서 얻어진 각 부반송파들의 채널 추정값을 가산하고 이를 부반송파의 수로 나누어 각 부반송파에 대한 채널 추정값들의 평균을 얻어 이를 수신한 OFDM 정보심볼에 곱하여 채널을 보상하는 제2 채널 추정부로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 제1 채널 추정부는 프리앰블에 의해 추정된 채널 추정값이 h_k이고, k는 부반송파의 인덱스이며, 서로 인접한 부반송파의 채널 추정값이 h_k-1,h_k+1이며, 각 부반송파의 가중치가 α,β일때, βh_k-1 + αh_k + βh_k+1에 의해 새로운 채널 추정값을 얻으며, 상기 가중치는 β= (1-α)/2의 관계인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 OFDM 시스템의 채널 추정 방법은, 각 부반송파에 대하여 프리앰블에 의해 추정된 채널 추정값에 서로 인접한 부반송파의 채널 추정값 및 각 부반송파의 가중치를 고려하여 새로운 채널 추정값을 얻는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

먼저, 본 발명은 도 2와 같은 종래의 채널 추정기(25)에 대하여 DDCE 채널 추정 기법이 주파수 비선택적인 환경에서는 높은 이득을 보이지만 시스템 대역폭이 증가함에 따라 심각한 주파수 선택적 페이징 환경이 되어 데이터의 신뢰도가 떨어 지면 에러 플로우 현상이 일어나게 되는 점을 보완하기 위해 OFDM 시스템에서 심각한 주파수 선택적 페이징 환경에서도 강한 특성을 갖는 FE(Frequency Estimation)채널 추정 기법을 적용하여 채널을 추정하게 된다.

도 4는 이러한 알고리즘을 하드웨어로 구현한 것으로, k는 부반송파의 인덱스, N은 총 부반송파 수이다.

도 4와 같이 본 발명은 각 부반송파에 대하여 도 2의 초기 채널 추정부(25a)에 의해 추정된 프리앰블에 의한 채널 추정값(h_k)에 서로 인접한 부반송파의 채널 추정값(h_k-1),(h_k+1)의 영향을 고려하고, 또한 각 부반송파의 가중치(Weighting Factor)(α,β, 여기서 β= (1-α)/2)를 고려하여 새로운 채널 추정값(

:

)을 얻는 제1 채널 추정(Re Channel Estimation)부(25b), 상기 제1 채널 추정부(25b)에서 얻어진 각 부반송파들의 채널 추정값(

)을 가산하고 이를 부반송파의 수로 나누어 각 부반송파에 대한 채널 추정값들의 평균을 얻어 이를 수신한 OFDM 정보심볼에 곱하여 채널을 보상하는 제2 채널 추정부(25c)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명은 채널 추정을 위해 제1 채널 추정부(25b)에서 도 2의 초기 채널 추정부(25a)에서 추정된 채널 추정값(h_k)에 인접 부반송파의 채널 추정값(h_k-1),(h_k+1)의 영향을 고려하게 되며, 이때 두 가중치(α, β)를 적용하여 새로운 채널 추정값(

)을 얻게 된다.

새로운 채널 추정값(

)은

로 계산하여 얻게 된다.

여기서, 상기 가중치(α,β)는 인접 부반송파의 관계 즉, 주파수간 상관도에 따라 다르게 변하며(주파수간 상관도가 높으면 인접 부반송파의 수를 늘리고 β의 값도 크게 하고, 주파수 상관도가 낮으면 인접 부반송파의 수를 줄이고 β값도 작게 하여 원래 부반송파에 채널 추정값의 가중치(α)를 크게 한다), 이러한 관계를 알 수 없을 경우 인접 부반송파의 평균을 이용한다.

여기서, 인접 부반송파의 평균을 이용한다는 의미는 주파수간 상관도를 알 수 없을 시 각 부반송파에 가중치 값을 부반송파 수의 역수(정규화)로 하며, 모두 같은 가중치로, 만약 전 부반송파, 목표 부반송파, 후 부반송파의 인접 채널 추정값 등의 3개를 이용하면 각각 가중치를 0.33으로 하고, 5개이면 0.20 등과 같이 인접하는 부반송파의 추정값을 더하고 인접하는 부반송파 수로 나눈(가중치) 평균값을 이용함을 의미한다.

이와 같이 새로운 채널 추정값(

)을 얻게 되면 제2 채널 추정부(25c)에서 각 부반송파들의 채널 추정값들을 모두 가산한 후, 부반송파의 수로 나누어 평균값을 얻으며, 이를 수신한 OFDM 정보심볼에 곱하여 해당 채널을 보상하게 된다.

다음은 본 발명의 실험 예에 대하여 살펴본다.

먼저, 대역폭에 따른 성능을 비교한다.

도 5에서 시스템의 대역폭 변화에 대한 DDCE의 성능의 변화를 살펴보면 DDCE의 이득은 대역폭이 증가함에 따라 이득이 감소하여 1056MHz인 대역폭에서는 DDCE가 데이터의 페이딩에 의해 에러 플로우한 결과를 가진다.

시스템의 대역폭이 증가하여 주파수 선택적인 성향으로 가면 데이터의 페이 딩 현상으로 인해 데이터를 이용하는 DDCE의 이득은 열화된다. 264MHz인 경우 528MHz인 경우보다 DDCE의 이득은 크지만 전체적인 성능은 열화된다.

이러한 이유는 시간적으로 변화하는 T_sF_d(Normalized Fading Factor, T_s : Sampling Time, F_d : Maximum Doppler Frequency)의 값이 대역폭의 증가로 두 배의 크기로 커지므로 시간적으로 fast 성향의 채널로 인해 전체적인 성능이 열화된다.

그러나 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 FE에 따르면 시스템의 대역폭에 따른 성능은 대역폭이 증가하여 주파수 선택적인 성향이 되어도 이득의 열화가 없고 반면에 약간의 이득이 증가한다.

따라서 1056MHz인 경우 DDCE의 성능은 열화되는 반면 FE의 성능은 유지되기 때문에 주파수 선택적 페이딩이 심한 채널 환경에서는 FE의 방법이 더욱 유용함을 볼 수 있다.

다음, 다중경로 수에 따른 성능을 비교한다.

도 7은 1056MHz인 경우에 다중경로에 따른 DDCE의 성능을 살펴본 결과이다. 주파수 영역에서 페이딩 현상은 지연된 다중경로와 관계가 있다. 따라서 BER 10^-4에서의 채널 추정 기법 이득을 비교한 도 11에서 다중경로의 수가 증가할 수록 DDCE의 이득은 더욱 열화되는 것을 알 수 있다.

도 8은 도 7과 같은 환경에서의 FE의 성능을 나타내었다. 도 11에서 보면 DDCE와는 다르게 다중 경로가 증가해도 FE의 이득은 열화되지 않고 강인함을 볼 수 있다. 이는 데이터를 이용하지 않고 프리앰블만을 이용하여 주파수 측면의 채널 추 정값 얻어냈기 때문이다.

다음은 전송속도에 따른 성능을 비교한다.

도 9는 도 7과 같은 환경에서 전송속도에 따른 성능을 나타낸다. 따라서 전체적으로는 주파수 선택적 페이딩에 의한 에러 플로우 현상이 나타난다. 시간 스프레드(Time Spread)와 주파수 스프레드(Frequency Spread)를 이용하여 220Mbps, 110Mbps, 55Mbps의 전송 속도를 구현하였는데, 도 11에서 보면 전송속도가 증가하면 할수록 DDCE의 이득은 열화되는 것을 볼 수 있다. 이러한 이유는 스프레딩을 하지 않은 것은 데이터의 신뢰도가 떨어지기 때문에 이득이 열화된다.

프리앰블을 이용하는 FE기법은 데이터의 영향을 받지 않기 때문에 도 10과 같이 전송속도에 강인한 특성을 가지고 있다. 따라서 스프레딩 기법과 독립적인 성능을 나타낼 수 있다.

도 11의 표는 BER 10^-4에서 FE와 DDCE의 이득을 정리한 표이다. DDCE는 데이터의 신뢰도를 이용하기 때문에 대역폭이 증가하면 데이터의 페이딩 현상으로 에러 플로우 현상이 나타나고 또한, 다중경로, 데이터 속도에 따라 데이터의 신로성 감소로 이득의 열화를 볼 수 있다. 그러나 본 발명의 FE기법은 프리앰블만을 이용하여 주파수간 상관관계를 가지고 추정하였기 때문에 위의 환경에 독립적으로 작용하고 강인한 성능을 가지고 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 주파수 선택적 페이딩 채널에서 OFDM의 부반송파간의 상관관계를 이용하여 목표 주파수에서의 채널 추정값을 인접 부반송파의 채널 추정값들의 평균으로 적응시켜주어 이득을 얻으며, DDCE처럼 데이터를 이용하지 않고 프리앰블을 이용하기 때문에 데이터의 신뢰도와 관계된 전송율과 다중 경로 수에 독립적이며, 이에 따라 DDCE의 에러 플로우가 발생하는 넓은 대역폭을 가진 시스템에서도 이득을 얻을 수 있어 심각한 주파수 선택적 페이딩 환경에서 매우 유용한 장점이 있다.

Claims (9)

1. OFDM 시스템의 채널 추정 장치에 있어서,

   각 부반송파에 대하여 프리앰블에 의해 추정된 채널 추정값에 서로 인접한 부반송파의 채널 추정값 및 각 부반송파의 가중치를 고려하여 새로운 채널 추정값을 얻는 제1 채널 추정부; 및

   상기 제1 채널 추정부에서 얻어진 각 부반송파들의 채널 추정값을 가산하고 이를 부반송파의 수로 나누어 각 부반송파에 대한 채널 추정값들의 평균을 얻어 이를 수신한 OFDM 정보심볼에 곱하여 채널을 보상하는 제2 채널 추정부;

   를 포함하고,

   상기 제1 채널 추정부는 상기 프리앰블에 의해 추정된 채널 추정값이 h_k이고, k는 부반송파의 인덱스이며, 서로 인접한 부반송파의 채널 추정값이 h_k-1,h_k+1이며, 각 부반송파의 가중치가 α,β일때, βh_k-1 + αh_k + βh_k+1에 의해 새로운 채널 추정값을 얻는 것을 특징으로 하는 OFDM 시스템의 채널 추정 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 가중치는

   β= (1-α)/2의 관계인 것을 특징으로 하는 OFDM 시스템의 채널 추정 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 가중치는 인접 부반송파의 주파수 상관도에 따라 다르게 적용되는 것을 특징으로 하는 OFDM 시스템의 채널 추정 장치.
5. OFDM 시스템의 채널 추정 방법에 있어서,

   각 부반송파에 대하여 프리앰블에 의해 추정된 채널 추정값에 서로 인접한 부반송파의 채널 추정값 및 각 부반송파의 가중치를 고려하여 새로운 채널 추정값을 얻되,

   상기 프리앰블에 의해 추정된 채널 추정값이 h_k이고, k는 부반송파의 인덱스이며, 서로 인접한 부반송파의 채널 추정값이 h_k-1,h_k+1이며, 각 부반송파의 가중치가 α,β일때, βh_k-1 + αh_k + βh_k+1에 의해 새로운 채널 추정값을 얻는 것을 특징으로 하는 OFDM 시스템의 채널 추정 방법.
6. 삭제
7. 제 5 항에 있어서, 상기 가중치는

   β= (1-α)/2의 관계인 것을 특징으로 하는 OFDM 시스템의 채널 추정 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 가중치는 인접 부반송파의 주파수 상관도에 따라 다르게 적용되는 것을 특징으로 하는 OFDM 시스템의 채널 추정 방법.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 각 부반송파들의 새로운 채널 추정값을 가산하고 이를 부반송파의 수로 나누어 각 부반송파에 대한 채널 추정값들의 평균을 얻어 이를 수신한 OFDM 정보심볼에 곱하여 채널을 보상하는 것을 특징으로 하는 OFDM 시스템의 채널 추정 방법.

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