KR100801645B1 - Ofdm 시스템에서 수신 성좌도를 이용한 도플러 편이 주파수 측정 및 보정방법 - Google Patents

Ofdm 시스템에서 수신 성좌도를 이용한 도플러 편이 주파수 측정 및 보정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 OFDM 시스템에서 수신 성좌도를 이용한 도플러 주파수 측정방법과 보상방법에 관한것이다. OFDM 시스템에서의 도플러 현상에 의한 주파수 편이는 OFDM 시스템의 동작근간이 서브캐리어간 직교성을 훼손하여 백색가우시안 잡음의 크기와 관계없이 수신데이타 오율을 급격히 증가 시킨다. 본발명은 OFDM 시스템을 이용하여 고속 이동중에 데이터 통신을 수행할시 도플러 현상에 의해 발생되는 성능열화를 방지하는 방법으로써 수신단의 성좌도의 통계적 특성을 이용하여 도플러 천이 주파수를 추정하고 이를 근간으로 도플러 현상에 의한 OFDM 시스템 성능열화를 주파수영역 또는 시간영역에서 이를 보정하는 방식으로 구성된다.
OFDM, 도플러,성좌도(Constellation), ICI(Inter Carrier Interference)

Description

OFDM 시스템에서 수신 성좌도를 이용한 도플러 편이 주파수 측정 및 보정방법{Doppler frequency Compensation method for OFDM System Based on Received Constellation}
도 1은 도플러 현상에 의해 왜곡된 QAM 성좌도를 도시한 것이다. 도플러 주파수 천이 인덱스
Figure 112007076573223-pat00016
에 따른 QAM 성좌도를 보여준다. 성좌도의 중심이
Figure 112007076573223-pat00017
값이 증가함에 unit circle 상에서 회전하고 동시에 dispersion(randomness)도 증가하는것을 알수 있다.
도 2는 본 발명에서 제시한 방법에 의해 보정된 성좌도를 도시한 것이다. 'NONE' 은 보상기법이 사용되지 않아 왜곡된 성좌도를 보여주고 'FREQ1' 방식은 종래의 역행렬(S -1)취하는 방식으로 성좌도 중심은 보정되나 dispersion은 증가하는것을 알 수 있다.
'FREQ2' 는 본 발명에서 제안한 주파수 영역 보정 결과로 성좌도 중심이 비교적 양호하게 보정되는 것을 알 수 있다. TIME' 은 본 발명에서 제안된 시간영역에서의 보정된 성좌도로써 성좌도 중심 뿐만 아니라, dispersion도 현저히 감소된 것을 알 수 있다.
도 3은 본 발명에서 제시한 방법에 의한 데이터 수신 오율특성을 도시한 것이다. 보정되지 않은 경우 'NONE' 과 종래의 S -1로 보정된 'FREQ1' 방식 모두 SNR이 증가함에도 BER이 향상되지 않음을 보여준다. 반면 본 발명에서 제안된 주파수 영역 보상방법 ' FREQ2'와 시간영역 보상방법 'TIME' 모두 현저히 개선된 BER 성능을 보여준다.
OFDM 통신시스템은 WiBro, WiMax 그리고 4G의 중요한 후보 시스템으로써 높은 주파수 효율과 IFFT/FFT를 이용한 시스템 구성의 용이성 및 안정성으로 미래의 이동통신 시스템으로 평가되고 있다. 그러나 고속이동시 도플러 현상에 의한 주파수 편이가 커질 경우, OFDM 시스템 동작의 근간이 되는 서브 캐리어간의 직교성이 훼손되어 캐리어간 간섭현상으로 나타나고 이는 수신단에서 데이터 수신성능을 급격히 열화 시켜, 이를 보정하는 방법 없이는 성공적인 통신을 수행할 수 없다.
종래의 많은 시스템과 연구는 도플러 주파수 편이에 의한 간섭을 OFDM에서 존재하는 기타간섭 즉 PAR(Peak-to-Average)에서 발생되는 출력단 앰프의 비선형간섭, 다중경로현상에 의한 간섭 및 잡음 그리고 일반 백색잡음과 동일한 수준에서 총체적인 간섭제거방식으로써 MMSE(Minimum Mean Square Error) 등화기 또는 Zero Forcing 등화기를 채택하고 있거나 간섭행렬의 역행렬을(S -1) 취하기도 한다.
그러나 도플러 주파수 편이에 의한 간섭은 기타의 간섭과 잡음과는 달리 일정한 방향성을 갖는 간섭이기 때문에 일반적인 방식과 다른 제거 방법을 채택할 경우, 제거 방식이 간단하고 매우 효과적이다.
현재 상용화된 OFDM 시스템은 상대적으로 이동성이 제한된 시스템이 일반적이다. 최근 국내에서 사업화가 진행되고 있는 WiBro 시스템도 이동체의 적정속도를 시속 약 60km 정도로 제한하고 있다. 그러나 현재 계획되고 있는 OFDM 시스템은 KTX 및 비행기를 대상으로한 위성을 이용한 초고속 인터넷 시스템으로써 이동체의 예상되는 속도가 시속 300 km 또는 10,000 km에 달할것으로 추정된다. 이 경우, 특별히 도플러 현상에 의한 주파수 편이를 보정하지 않으면 OFDM 시스템의 성공적인 송,수신을 보장할 수 없다. 현재 OFDM을 기본으로한 이동통신 시스템이 다중경로에 의한 레일리 페이딩 채널이 일반적이나 위성을 이용한 초고속 이동체를 대상으로 한 OFDM 시스템의 채널환경은 매우 양호한 라이시안 환경이 일반적이다. 따라서 이러한 경우에는 이동체 속도에 따른 주파수 편이 보정만 해준다면 다른 특별한 수신기 상의 부가장치 없이도 요구되는 오율특성을 만족시킬 수 있다.
이에 본 발명의 목적은 OFDM 시스템에서 수신 성좌도를 이용하여 도플러 편이 주파수를 측정하고 그를 이용하여 시간 및 주파수 영역에서 각각 도플러 효과를 보정하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명은 수신된 성좌도 통계적 특성을 이용하여 도플러 주파수 편이를 측정하고 이를 기반으로 주파수 영역 또는 시간영역에서 도플러 효과를 보정하는 기능으로 구성되고 이는 이산신호처리장치의 소프트웨어 또는 FPGA를 이용한 전용 하드웨어로 구성될 수 있다.
도플러 현상에 의한 주파수 편이가 발생될 경우, 서브캐리어간 직교성 훼손에 의한 k 번째 캐리어에 수신된 신호는 상호캐리어간의 간섭(Inter-carrier Interference)을 고려하여 나타내면 수학식 1, 2와 같이 표시된다.
수학식 1
Figure 112006506869475-pat00001
여기서 N은 전체 캐리어 수, X(k)는 k 번째 캐리어에 송신된 심볼데이타, nk는 AWGN을 나타낸다. 여기서 ,S(l-k) 는 수학식 2와 같다.
수학식 2
Figure 112006506869475-pat00018
여기서
Figure 112007076573223-pat00019
는 도플러 주파수 천이를 서브캐리어 주파수 간격으로 나눈값이다. 인접 캐리어에 의한 간섭의 크기는 인접된 수개의 캐리어에 실린 심볼에 의해 결정되므로 k 를 중심으로 양쪽으로 2번째 캐리어만을 포함시켜 수학식 1 은 수학식 3으로 근사화시킬 수 있다.
수학식 3
Figure 112006506869475-pat00003
수학식 3을 간단히 하기 위하여 수학식 2 의 첫째항과 둘째항을 삼각함수 공식 및 근사식을 이용하여 수학식 4 와 5로 각각 근사화 시킬 수 있다.
수학식 4
Figure 112006506869475-pat00004
수학식 5
Figure 112006506869475-pat00020
수학식 4, 5를 수학식 3에 대입하면 수학식 6으로 표시된다.
수학식 6
Figure 112006506869475-pat00021
수학식 6을 추정된 x(k)로 나눈후 Expectation을 취하면 수학식 7 이된다.
수학식 7
Figure 112006506869475-pat00022
그런데 수학식 7의 Expectation 값은 각각 수학식 8과 같으므로
수학식 8
Figure 112006506869475-pat00023
수학식 7은 최종적으로 수학식 9 로 정리된다.
수학식 9
Figure 112006506869475-pat00024
즉 수신된 데이터를 추정된 데이터로 나눈후 Expectation 값을 구하면 구해진 복소수 값의 Phase 성분이 (
Figure 112006506869475-pat00025
) 이되므로 이 값을 가지고 수학식 10을 이용하여 도플러 편이 주파수 △f 를 구할 수 있다.
수학식 10
Figure 112006506869475-pat00026
추정된 도플러 편이 주파수를 이용하여 주파수 영역에서의 보정은 수학식 11을 통하여 이루어진다.
수학식 11
Figure 112006506869475-pat00011
시간영역에서의 보정은 수학식 12 에 의하여 이루어 진다.
수학식 12
Figure 112006506869475-pat00012
본 발명에 의하여 도플러 편이 주파수에 의한 효과를 보정할 경우, 첨부된 도2, 도 3에서 보는 바와 같이 수신심볼의 성좌도가 원위치에 복구되고 데이터 오율성능이 현저하게 개선됨을 알수 있다. 특히 시간영역에서의 보정은 성장도 중심위치에 대한 보상뿐만 아니라 수신 심볼의 분산(Randomness)도를 근본적으로 개선하여 주파수 영역 보정보다도 개선된 오율성능을 확보할 수 있다.

Claims (3)

  1. OFDM 수신 시스템에서 성좌도 기대값(Expectation)을 통한 도플러 편이 주파수 측정방법에 있어서,
    a) 송신된 심볼로부터 왜곡된 수신심볼
    Figure 112007076573223-pat00027
    를 수신하는 단계와;
    b) 수신심볼
    Figure 112007076573223-pat00028
    를 추정치
    Figure 112007076573223-pat00029
    로 나누어 기대값을 취하여 위상 편이 성분을 계산하는 단계와;
    c) 상기 위상 편이 성분을 근사화하는 단계와;
    d)
    Figure 112007076573223-pat00030
    에 의해 최종 도플러 편이 주파수
    Figure 112007076573223-pat00031
    를 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 도플러 편이 주파수 측정 방법.
    Figure 112007076573223-pat00032
    : 서브 캐리어 주파수 간격
  2. OFDM 수신 시스템에서 성좌도 기대값(Expectation)을 통한 주파수 영역에서의 도플러 효과 보정 방법에 있어서,
    a) 송신된 심볼로부터 왜곡된 수신심볼
    Figure 112007076573223-pat00033
    를 수신하는 단계와;
    b) 수신심볼
    Figure 112007076573223-pat00034
    를 추정치
    Figure 112007076573223-pat00035
    로 나누어 기대값을 취하여 위상 편이 성분을 계산하는 단계와;
    c) 상기 위상 편이 성분을 근사화하는 단계와;
    d)
    Figure 112007076573223-pat00036
    에 의해 최종 도플러 편이 주파수
    Figure 112007076573223-pat00037
    를 도출하는 단계와;
    Figure 112007076573223-pat00038
    : 서브 캐리어 주파수 간격
    e) 수학식
    Figure 112007076573223-pat00039
    에 의거 주파수 영역에서 직접적으로 왜곡된 위상을 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역에서의 도플러 효과 보정방법.
  3. OFDM 수신 시스템에서 성좌도 기대값(Expectation)을 통한 시간 영역에서의 도플러 효과 보정 방법에 있어서,
    a) 송신된 심볼로부터 왜곡된 수신심볼
    Figure 112007076573223-pat00040
    를 수신하는 단계와;
    b) 수신심볼
    Figure 112007076573223-pat00041
    를 추정치
    Figure 112007076573223-pat00042
    로 나누어 기대값을 취하여 위상 편이 성분을 계산하는 단계와;
    c) 상기 위상 편이 성분을 근사화하는 단계와;
    d)
    Figure 112007076573223-pat00043
    에 의해 최종 도플러 편이 주파수
    Figure 112007076573223-pat00044
    를 도출하는 단계와;
    Figure 112007076573223-pat00045
    : 서브 캐리어 주파수 간격
    e)
    Figure 112007076573223-pat00046
    에 의거 시간영역에서 도플러 주파수를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 영역에서의 도플러 효과 보정 방법.
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