KR100871215B1 - 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 주파수 오프셋 추정 방법 및 장치 - Google Patents

직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 주파수 오프셋 추정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 주파수 오프셋 추정 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 주기적 전치 부호(CP)와 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 심볼을 포함하는 수신 신호를 입력받아, OFDM 심볼의 길이 만큼 지연시키고 켤레 변환하고, 상기 수신신호와 상기 지연 및 켤레 변환된 신호를 곱하여 수신 신호간의 상관값을 생성하고, 미리 설정된 서로 다른 크기의 복수의 관찰 구간들에 대해 생성된 상기 상관값들을 쉬프트 레지스터에 순차적으로 저장하고, 상기 쉬프트 레지스터로부터 순차적으로 출력된 상관값들을 누적하고, 상기 누적된 상관값들로부터 위상값들을 측정하고, 상기 측정된 위상값들을 누적하며, 상기 누적된 위상값을 상기 관찰 구간의 최대 크기로 나누어 주파수 오프셋을 출력한다. 이와 같이 하면, 주파수 선택적 다중 경로 감쇄 채널에서 종래의 OFDM 시스템을 위한 어떠한 종류의 블라인드 주파수 오프셋 추정 방법들보다 정확한 주파수 추정을 할 수 있다.
직교 주파수 분할 다중화(OFDM), 반송파 주파수 오프셋(CFO), 다중 경로 채널, 주기적 전치부호(CYCLIC PREFIX)

Description

직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 주파수 오프셋 추정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR FREQUENCY OFFSET ESTIMATION IN ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING SYSTEMS}
도 1은 일반적인 OFDM 시스템에서의 주파수 오프셋을 추정하고 보상하는 장치를 개략적으로 도시한 블럭 구성도.
도 2는 일반적인 OFDM 시스템에서의 송수신 신호의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 종래기술에 따른 OFDM 시스템에서의 주파수 오프셋 추정 구조를 개략적으로 도시한 블럭 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋 추정 동작을 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋 추정 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋 추정 과정을 도시한 흐름도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋을 추정 과정에 따라 파라미터 설정치를 변화시키며 시 분산 다중 경로 채널에서 종래의 주파수 오프셋 추정 구조와 성능을 비교 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋을 추정 과정에 따라 3개의 서로 다른 시 분산 다중 경로 채널에서 종래의 주파수 오프셋 추정 구조와 성능을 비교 도시한 도면.
본 발명은 직교 주파수 분할 다중화 시스템에 관한 것으로서, 특히 주파수 오프셋을 추정(Blind Frequency Offset Estimation)하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 OFDM이라 칭함) 시스템은 높은 주파수 대역의 사용 효율과 전송률을 지원하므로 현재 각광을 받고 있는 다중화 시스템 중의 하나이다.
반면, OFDM 시스템은 동기 문제에 매우 민감하며, 특히 주파수 오프셋이 존재하는 경우 서브캐리어 간의 직교성을 유지하는 것이 어려워 그 성능이 극심하게 열화된다. 따라서, 이러한 주파수 오프셋을 측정하기 위한 여러 가지 방법들이 제안되어 왔다.
도 1은 일반적인 OFDM시스템의 수신기에서 수신신호에 내재된 주파수 오프셋을 추정하고 보상하는 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 수신기의 주파수 오프셋 추정 및 보상구조는 RF 수신부(101)와 반송파 주파수 오프셋(CFO : carrier frequency offset) 추정부(102)와 루프 필터(103)와 전압 제어 발진기(VCO : voltage controlled oscillator)(104)를 구비한다.
상기 RF단 수신부(101)는 안테나(ANT)를 통해 수신되는 RF 신호를 주파수 하강 변환(Frequency down converting)하여 기저대역(Base band)의 주파수로 변환한다. 상기 CFO 추정부(102)는 기저 대역 신호로 변환된 수신 OFDM 신호를 이용하여 반송파 주파수 오프셋을 추정한다. 상기 루프 필터(103)는 앞서 추정된 주파수 오프셋을 특정 시간 구간동안 누적하고 이득(Gain)값을 조절한다. 상기 전압제어 발진기(104)는 상기 루프 필터(103)의 출력값으로 발진 주파수를 조절하여, 상기 RF 수신부(101)의 제어 등에 사용한다.
도 2는 심볼에 내재된 위상의 변화를 관측하여 주파수 오프셋을 추정하는 방식을 설명하기 위한 OFDM 신호의 구조를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 심볼에 내재된 위상의 변화를 관측하여 주파수 오프셋을 추정하는 방식은 주기적 전치 부호(Cyclic Prefix, 이하 CP라 칭함)가 전송 심볼의 특정 부분과 같은 패턴을 가진다는 특징을 이용하여 이들 간의 상관관계를 계산하여 시간축상에서 추정하는 것이다. 편의상 고려하는 OFDM 시스템의 서브캐리어 개수는 N개로 가정하였으며, 따라서 CP를 제외한 OFDM 심볼의 길이는 N 샘플로, CP의 길이는 L 샘플로 도시하였다.
이하에서는 종래 기술에 따른 주파수 오프셋 추정 방법에 대해 설명한다.
도 3은 종래기술에 따른 OFDM 시스템에서의 주파수 오프셋 추정 장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 종래기술에 따른 주파수 오프셋 추정 장치는 지연기(301)와 곱셈기(302)와 누적기(303)와 위상검출기(304)와 곱셈기(305)를 구비한다. 상기 주파수 오프셋 추정 장치는 CP 부분을 이용하여 시간축에서 주파수 오프셋을 추정하는 것으로서, 이하 각 블럭에서의 동작을 상세히 살펴보기로 한다.
상기 지연기(301)는 기저대역으로 변환된 수신 신호를 지정된 값(N sample)만큼 지연시킨 후, 곱셈기(302)로 전달한다. 상기 곱셈기(302)에서는 상기 수신 신호와 상기 지연기(301)로부터 지연된 수신신호의 켤레 신호를 곱하여 출력되는 수신 신호간의 상관값을 상기 누적기(303)로 전달한다. 즉, 수신 신호에서 CP 부분과 전송 데이터의 CP와 같은 패턴을 가지는 부분 간의 위상차를 비교하여 누적기(303)로 출력한다. 상기 누적기(303)에서는 상관값을 누적하며, 상기 위상 검출기(304)는 상기 누적기(303)로부터 출력된 신호에서 위상을 검출한다. 곱셈기(305)에서는 상기 검출된 위상으로 주파수 오프셋을 계산하여 출력한다.
상기한 바와 같이 CP의 상관관계를 이용하는 종래기술의 방식은 시스템의 채널이 이상적인 경우, 즉 가산성 백색 가우스 잡음(Additive White Gaussian Noise, 이하 AWGN이라 함)에는 효율적인 방법이 될 수 있다. 그러나 실제 시스템이 동작하게 되는 주파수 선택적 감쇄 채널(Frequency Selective Fading Channel)에서는 앞 심볼의 지연에 의한 간섭현상(Inter Symbol Interference, 이하 ISI라 함)으로 인해 신호 대 잡음 비가 증가하는 경우에는 극심한 성능 열화를 보인다. 즉, 앞 심볼에 의해 CP 부분이 오염되는 경우 상기 CP를 이용하여 주파수 오프셋을 추정하는 종래의 방법에는 심각한 문제점이 있었다.
삭제
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 직교 주파수분할 다중화 시스템에서 대역폭을 소비하지 않고, 수신기의 하드웨어 복잡도를 증가시키지 않으면서, 주파수 선택적 다중 경로 감쇄채널에서 성능의 열화가 적은 주파수 오프셋 추정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 직교 주파수분할 다중화 시스템에서 주기적 전치 부호(CP)와 OFDM 심볼을 포함하는 수신 신호를 입력받고, 상기 수신 신호에서 CP 부분과 전송 데이터의 같은 패턴을 관찰하여 심볼에 내재된 주파수 오프셋에 의한 신호의 위상 변화를 비교함으로써 수신신호가 겪은 주파수 오프셋을 추정하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 직교 주파수분할 다중화 시스템에서 수신된 OFDM 심볼에서 CP 부분과 CP와 동일한 데이터 패턴을 가진 부분간의 상관 관계를 이용하여 주파수 오프셋을 찾는 것으로서, 상관 구간의 길이와 주파수 추정 횟수에 변화를 줌으로써 주파수 선택적 다중 경로 채널 환경에 강한 주파수 추정방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예는, 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 주파수 오프셋 추정 방법에 있어서, 주기적 전치 부호(CP)와 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 심볼을 포함하는 수신 신호를 입력받아, OFDM 심볼의 길이 만큼 지연시키고 켤레 변환하는 과정과, 상기 수신신호와 상기 지연 및 켤레 변환된 신호를 곱하여 수신 신호간의 상관값을 생성하는 과정과, 미리 설정된 서로 다른 크기의 복수의 관찰 구간들에 대해 생성된 상기 상관값들을 쉬프트 레지스터에 순차적으로 저장하는 과정과, 상기 쉬프트 레지스터로부터 순차적으로 출력된 상관값들을 누적하는 과정과, 상기 누적된 상관값들로부터 위상값들을 측정하고, 상기 측정된 위상값들을 누적하는 과정과, 상기 누적된 위상값을 상기 관찰 구간의 최대 크기로 나누어 주파수 오프셋을 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예는, 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 주파수 오프셋 추정 장치에 있어서, 주기적 전치 부호(CP)와 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 심볼을 포함하는 수신 신호를 입력받아, OFDM 심볼의 길이 만큼 지연시키고 켤레 변환하는 지연기와, 상기 수신신호와 상기 켤레 변환된 신호를 곱하여 수신 신호간의 상관값을 생성하는 제1 곱셈기와, 미리 설정된 서로 다른 크기의 관찰 구간들 동안에 입력되는 상기 상관값들을 저장하는 쉬프트 레지스터와, 상기 쉬프트레지스터로부터 출력된 상관값들을 누적하는 제1 누적기와, 상기 누적된 상관값들의 위상값들을 측정하는 위상 검출기와, 상기 측정된 위상값들을 누적하는 제2 누적기와, 상기 누적된 위상값들을 상기 관찰구간의 최대 크기로 나누어 주파수 오프셋을 출력하는 제2 곱셈기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 주파수 복원 장치에 있어서, 주기적 전치 부호(CP)와 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 심볼을 포함하는 신호를 수신하는 수신부와, 상기 수신부로부터 수신 신호를 전달받아 OFDM 심볼의 길이 만큼 지연시키고 켤레 변환하는 지연기와, 상기 수신신호와 상기 켤레 변환된 신호를 곱하여 수신 신호간의 상관값을 생성하는 제 1곱셈기와, 미리 설정된 서로 다른 크기의 관찰 구간들 동안에 입력되는 상기 상관값들을 순차적으로 저장하는 쉬프트 레지스터와, 상기 쉬프트 레지스터로부터 순차적으로 출력되는 상관값들을 누적하고, 상기 누적된 상관값들의 위상값들을 측정하여 누적하고, 상기 누적된 위상값들을 상기 관찰구간의 최대 크기로 나누어 주파수 오프셋을 추정하는 추정부와, 상기 추정된 주파수 오프셋을 일정 시간동안 누적하고 이득 값을 조절하는 루프 필터와, 상기 조절된 이득값으로 발진 주파수를 조절하여 상기 수신부를 제어하는 발진기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 주파수 오프셋 추정 방법에 있어서, 주기적 전치 부호(CP)와 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 심볼을 포함하는 수신 신호를 입력받아, OFDM 심볼의 길이 만큼 지연시키고 켤레 변환하는 과정과, 미리 설정된 관찰 구간 동안, 상기 수신신호의 i번째 샘플(i는 상기 관찰 구간의 크기보다 작거나 같은 값임)에 대하여 상기 수신신호와 상기 지연 및 켤레 변환된 신호를 곱하여 수신 신호간의 상관값을 구하여 누적하는 과정과, 상기 누적된 상관값들의 위상값들을 상기 관찰 구간의 최대 크기로 나누어 주파수 오프셋을 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러 므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은, 주기적 전치 부호(CP)와 OFDM 심볼을 포함하는 수신 신호를 입력받고, 수신 신호에서 CP 부분과 전송 데이터의 같은 패턴을 관찰하여 심볼에 내재된 주파수 오프셋에 의한 신호의 위상 변화를 비교함으로써 수신신호가 겪은 주파수 오프셋을 추정한다.
또한, 본 발명은 OFDM 통신 시스템의 단말기에서 시스템의 중요한 리소스인 대역폭을 소비하지 않고 주파수 오프셋을 추정할 수 있도록 하며, 단말기에서 훈련열 없이 주파수 오프셋을 추정할 시 수신단의 하드웨어 복잡도를 증가시키지 않으며, 단말기에서 훈련열을 요구하거나 하드웨어의 복잡도 증가를 유발하지 않으면서 주파수 오프셋을 추정할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋 추정 동작을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에서 수신된 OFDM 심볼에서 CP 부분과 CP와 동일한 데이터 패턴을 가진 부분간의 상관 관계를 이용하여 주파수 오프셋을 찾는다는 개념은 종래의 방법과 유사하다. 그러나 본 발명에서는 상관 구간의 길이와 주파수 추정 횟수에 변화를 줌으로써 주파수 선택적 다중 경로 채널 환경에 강한 주파수 추정 방법 및 장치를 제공한다. 도 4에 보이는 OFDM 심볼에서와 같이 CP의 앞 쪽 부분 (-K-1 ~ -L)(여기서, K는 L>K인 임의의 값)은 앞서 수신된 OFDM 심볼의 다중 경로 채널을 통한 지연 현상으로 인해 심각하게 오염이 된 상태이다. 따라서 이 부분 (-K-1 ~ -L) 을 제외한 CP 부분(-1 ~ -K)의 상관값을 이용함으로써, 앞 심볼의 지연에 의한 간섭현상(inter-symbol interference, 이하 ISI라 칭함)에 강한 주파수 오프셋 추정 장치를 얻을 수 있다.
그러나 작은 크기의 CP 구간의 상관값을 이용하면 주파수 추정 장치의 성능을 열화시킬 수 있다. 그러므로 앞 심볼이 침범하는 CP 구간 즉, 채널의 최대 지연값을 알 수 없는 경우에 ISI에 영향을 적게 받으면서 최대의 길이를 갖는 CP의 상관 구간을 설정하는 것은 어렵다.
따라서 본 발명에서는 채널의 최대 지연값을 알지 못하는 상황에서 상관구간의 크기를 특정한 값으로 고정하는 대신 상관 구간의 길이를 변화시키면서 각 주파수 오프셋 추정치들의 누적 평균값을 구하는 방법을 이용한다. 각 주파수 오프셋 추정치들의 누적 평균값을 구하는 방법은 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006034759345-pat00001
상기 <수학식 1>에서, vi는 CP의 -i번째 샘플에서 -1번째 샘플까지의 상관 구간으로부터 추정된 주파수 오프셋이며, v는 이렇게 얻어진 vi의 평균값으로 최종적인 주파수 오프셋 추정값이다.
즉, 다양한 길이의 상관 구간에 대해 각각 위상값의 검출과 주파수 오프셋의 검출을 수행하고 이들 검출된 주파수 오프셋 값을 누적 평균하여 주파수 선택적 다중 경로 감쇄 채널 환경에 강한 안정된 주파수 오프셋 추정을 수행한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋 추정 장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋 추정 장치는 지연기(501)와 곱셈기(502)와 쉬프트 레지스터(슬라이드 메모리)(503)와, 제1 및 제2 누적기(504, 506)와, 위상검출기(505)와, 곱셈기(507)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋 추정 장치는 CP 부분을 여러 구간으로 나누어 관찰하고 시간축에서 주파수 오프셋을 추정한다. 이하 각 블럭의 동작을 상세하게 살펴본다.
지연기(501)에서는 기저대역 변환된 수신 신호를 지정된 값(N sample) 동안 지연시킨 후 이 값을 곱셈기(502)로 전달한다. 상기 곱셈기(502)는 상기 수신 신호와 상기 지연기(501)로부터 지연된 수신신호의 켤레 신호를 곱하여 출력된 수신 신호간의 상관값을 쉬프트 레지스터(503)로 전달한다. 즉, 수신 신호에서 CP 부분과 전송 데이터의 같은 패턴 간의 위상차를 비교하여 상기 쉬프트 레지스터(503)로 출력한다. 상기 쉬프트 레지스터(503)에서는 상관값의 매 입력에 대해서 미리 설정된 관찰 구간인 K 동안 입력된 상관값을 저장하며 이동시킨다. 여기서 관찰 구간은 상기 CP 부분에서 다중 경로 채널을 통한 지연 현상으로 인해 오염된 부분을 제외한 부분을 말한다.
즉, 첫 번째 입력되는 상관값인 -K 번째 상관값이 쉬프트 레지스터(503)에 가장 먼저 입력되고, 상관값이 입력될 때마다 한 번의 쉬프트를 수행하며, 최종적으로 -1 번째 상관값이 입력될 때까지 쉬프트와 저장을 반복한다. 상기의 도 4에 도시한 바와 같이 -K번째 상관값은 CP의 -K 번째 샘플의 켤레값과 N-K 번째 샘플간의 곱셈값이다. 상기 쉬프트 레지스터(503)에 저장된 상관값들은 스위치에 의해 스위칭되어 누적기(504)로 전달되고, 상기 누적기(504)는 상기 쉬프트 레지스터(503)에 저장된 상관값을 누적하여 위상 검출기(505)로 전달한다.
상기 누적기(504)와 위상 검출기(505), 누적기(506)의 동작은, 상기 <수학식 1>과 같이 상관 구간으로부터 추정된 주파수 오프셋들의 평균값을 구하여 최종적인 주파수 오프셋 추정값을 추정하는 것이다. 상기 위상 검출기(505)는 상기 누적기(504)의 출력신호에서 위상을 검출하여 상기 누적기(506)로 전달한다. 상기 누적기(506)는 상기 위상 검출기(505)의 출력신호를 누적한다.
하나의 상관값에 대한 상기 누적기(506)의 누적 동작이 완료되면, 상기 누적기(504)는 다음번 상관값을 입력받아서, 자신이 가지고 있는 누적값에 상기 입력된 값을 누적하는 누적동작을 다시 수행하고, 이렇게 새로 누적된 상관값을 위상 검출기(505)로 출력한다. 상기 위상 검출기(505)는 상기 누적기(504)의 출력신호에서 위상을 검출하여 누적기(506)로 전달한다. 상기 누적기(506)는 상기 위상 검출기(505)의 출력 신호를 누적한다. 상기 쉬프트 리지스터(503)에 저장된 -K 번째 상관값까지 모두 누적이 될 때까지 상기 누적기(504)와 위상 검출기(505) 및 누적기(506)는 상기의 동작을 반복 수행한다.
상기 쉬프트 리지스터(503)에 저장된 -K 번째 상관값까지 모두 누적되면, 상기누적기(506)의 출력은 곱셈기(507)로 입력되고, 곱셈기(507)는 관찰구간의 크기에 의해 나누어져서 추정된 주파수 오프셋을 계산하여 출력한다.
다음, 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋 추정장치의 상세한 동작에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 6은 도 5의 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋 추정 과정을 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 601단계에서 입력된 기저대역 OFDM 신호는 지연기(501)에서 N 샘플지연 되고 켤레 변환되며, 602단계의 곱셈기(502)에서 상기 지연된 r(m+N)과 켤레 변환된 r*(m)간에 곱을 수행한 후, 603단계에서 -K부터 -1까지의 상관 결과를 쉬프트 레지스터(503)에 저장한다. 이어서 604단계에서는 누적기(504), 위상 검출기(505), 누적기(506)의 동작을 반복수행하기 위해서 인덱스 i를 -1로 설정한다.
605단계에서는 상기 쉬프트 리지스터(503)에 저장된 i 번째 상관 결과를 누적기(504)에 누적한 후, 606단계에서 위상 검출기(505)는 위상을 검출하고, 상기 검출된 위상값을 607단계의 누적기(506)에 누적한다. 이어서 609단계에서 인덱스 i 가 -K 에 도달하지 않았으면, 609단계로 진행하여 인덱스 i 를 1만큼 감소시킨 후, 상기 605단계로 복귀하여 상기 608단계까지 반복 수행한다. 만약 상기 608단계에서 상기 인덱스 i 가 -K 인지 확인하여 -K에 도달하였으면, 반복 수행을 완료하고 610단계에서 누적기(506)의 값을 곱셈기(507)에 전달하여 누적횟수와 2π로 나누는 동작을 수행하여, 611단계에서 주파수 오프셋을 검출한다. 이후 612단계에서 주파수 오프셋의 검출이 완료되면 다음 번 주파수 추정을 위하여 상기 누적기(504)와 누적기(506)를 초기화한다.
본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋 추정 장치에 의해 출력된 주파수 오프셋은, 시스템 클럭에 동기된 후 도 1의 루프 필터(103)에 입력되어 루프 필터링한 후, 전압 제어 발진기(104)에 전달한다. 상기 전압 제어 발진기(104)는 입력되는 제어 전압에 따라 현재 출력하는 발진 주파수를 가변시키고, 상기 가변된 발진 주파수는 RF단(101)에 전달되어, 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상하게 된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋을 추정 과정에 따라 파라미터 설정치를 변화시켜가면서 시 분산 다중 경로 채널에서 종래의 주파수 오프셋 추정 장치와 성능을 비교 도시한 그래프이다.
도 7의 그래프 특성을 나타내는 컴퓨터 모의 실험에서, 서브 캐리어의 갯수는 64, 보호 구간(CP)의 길이는 11샘플, 주파수 선택적 다중 경로 채널의 최대 지연값은 9 샘플로 지정하고, 전력 분포 프로파일은 지수 함수의 특징을 갖는 9개의 다중 경로를 사용하였다. 그래프의 가로축은 CP의 상관 구간 크기를 나타내며, 세로축은 추정된 주파수 오프셋의 평균 제곱 오차값(Normalized Mean Square Error)을 나타낸다. 또한 신호대 잡음비(SNR)는 30dB로 설정하여 백색 잡음의 영향보다는 앞 심볼의 간섭(ISI)에 의한 영향을 효과적으로 보이도록 하였다. 전체 신호대 잡음비 구간에서의 성능에 대해서는 하기의 도 8의 그래프에서 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에서 제안한 방법은 종래의 방법들에 비해 매우 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있다. 종래기술을 이용한 결과를 살펴보면, 주파수 선택적 다중 경로 채널에서 CP 부분이 앞 심볼에 의한 ISI에 오염되므로 심각한 성능의 열화가 발생함을 확인할 수 있다. 즉, CP의 상관 구간이 짧아서 ISI의 영향이 적은 경우는 ISI에 의한 에러는 발생하지 않으나 상관 구간의 부족으로 인해 성능의 열화가 발생하며, CP의 상관 구간이 긴 경우는 ISI에 영향을 많이 받게 되므로 오염된 CP로 인한 심각한 성능 열화가 발생한다. 이에 반해 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋 추정 장치는 CP의 상관 구간의 넓은 범위에서 매우 우수한 성능을 보인다. 즉, CP의 샘플이 ISI의 영향을 많이 받는 주파수 선택적 다중 경로 감쇄 채널의 경우에도 심각한 성능의 저하를 보이지 않는다. 여기서 누적 구간의 길이 K는 상기의 도 7의 그래프에 도시된 바와 같이 매우 넓은 구간에서 수신기의 적절한 동작을 보장하므로 수신기의 설계 시 넓은 관용도를 보임을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋을 추정하는 과정을 3개의 서로 다른 시 분산 다중 경로 채널에서 수행하여 종래의 주파수 오프셋 추정 장치와 성능을 비교 도시한 그래프이다.
그래프의 가로축은 수신 신호의 신호대 잡음비(SNR)를 나타내며, 세로축은 추정된 주파수 오프셋의 평균 제곱 오차값(Nomalized MSE)을 나타낸다.
실선(Solid line)으로 표시한 첫번째 채널은 최대 지연값이 9이며, 9개의 다중 경로의 전력 분포 프로파일은 지수 함수를 따른다. 점선(Dotted line)으로 표시한 두 번째 채널은 최대 지연값이 9이며, 9개의 다중 경로의 전력 분포 프로파일은 균일한 분포를 갖는다. 대시와 점선(Dash dotted line)으로 표시한 세번째 채널은 최대 지연값 14 샘플을 가지며, 다중 경로의 전력 분포 프로파일은 지수 함수를 따른다. 세번째 채널은 채널의 최대 지연이 시스템의 보호 구간인 11 샘플보다 긴 값을 가지는 극단적인 경우로, 이를 통해 모든 추정 장치로 입력되는 수신 신호들이 인접 심볼에 의한 ISI를 겪게 됨을 알 수 있다.
여기서, 두 번째 채널은 채널의 전력 분포 프로파일이 균일 함수이며, 첫번째 채널과 세번째 채널은 전력 분포 프로파일이 지수 함수이다. 또한 누적 구간의 길이 K는 9로 설정하였다.
상기 도 8의 그래프에서 보이듯이 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋 추정 방법은 수신 신호가 어떠한 채널을 겪게 되는 경우에도 일관적으로 종래의 방법들에 비해 동등하거나 또는 그 이상의 성능을 보임을 알 수 있다. 또한, 상관 값의 누적 길이 K의 크기는 특정한 채널 환경에 특화된 값이 아님을 알 수 있다.
삭제
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 수신된 OFDM 시스템 방식의 한 심볼을 여러개의 서로 다른 크기를 가지는 상관 구간을 통해 반복하여 주파수 오프셋을 추정하고 이 값을 누적 평균하여 최적의 주파수 오프셋을 추정함으로써, 대역폭을 소비하지 않고 주파수 오프셋을 추정할 수 있도록 한다. 또한 단말기에서 훈련열 없이 주파수 오프셋을 추정할 시 수신단의 하드웨어 복잡도를 증가시키지 않고, 단말기에서 훈련열을 요구하거나 하드웨어의 복잡도 증가를 유발하지 않으면서 종래의 어떠한 방법들에 비해서도 우수한 성능을 갖도록 하며, 특히 주파수 선택적 다중 경로 감쇄 채널에서 원활한 주파수 오프셋 추정과 제어를 이룰 수 있도록 한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발 명중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 주파수 선택적 다중 경로 감쇄 채널에서 종래의 OFDM 시스템을 위한 어떠한 종류의 블라인드 주파수 오프셋 추정 방법들보다 정확한 주파수 추정을 할 수 있다.
또한, 파일럿 심볼이나 반복적인 데이터의 전송으로 인한 시스템의 전송률 감소를 유발하지 않으면서 주파수 오프셋을 효율적으로 추정할 수 있다.

Claims (15)

  1. 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 주파수 오프셋을 추정하는 방법에 있어서,
    주기적 전치 부호(CP)와 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 심볼을 포함하는 수신 신호를 입력받아, OFDM 심볼의 길이 만큼 지연시키고 켤레 변환하는 과정과,
    미리 설정된 관찰 구간동안 상기 수신 신호의 서브캐리어들과 상기 지연 및 켤레 변환된 신호의 서브캐리어들을 곱하여 수신 신호간의 상관값들을 생성하는 과정과,
    상기 상관값들을 쉬프트 레지스터에 순차적으로 저장하는 과정과,
    상기 저장된 상관값들을 순차적으로 하나씩 추가 누적하여 누적 상관값들을 생성하는 과정과,
    상기 누적 상관값들 각각에 대응되는 위상값들을 측정하고, 상기 측정된 위상값들을 누적하여 누적 위상값을 생성하는 과정과,
    상기 누적 위상값을 상기 관찰 구간의 크기로 나누어 주파수 오프셋을 추정하는 과정을 포함하며,
    상기 관찰 구간은 상기 CP의 구간에서 다중 경로 채널을 통한 지연 현상으로 인해 오염된 구간을 제외한 구간임을 특징으로 하는 주파수 오프셋 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주파수 오프셋은 하기의 수학식을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 주파수 오프셋 추정 방법.
    Figure 112008043311228-pat00002
    여기서, K는 상기 관찰구간의 최대 크기로서 상기 CP의 길이보다 작은 값이고, r*(m)은 켤레 변환된 수신신호이고, r(m+N)은 상기 OFDM 심볼의 길이 N만큼 지연된 수신신호이고, vi는 상기 CP의 -i번째 샘플에서 -1번째 샘플까지의 관찰 구간으로부터 추정된 주파수 오프셋이며, v는 vi의 평균값으로 상기 출력되는 주파수 오프셋 추정값임.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수신 신호간의 상관값을 생성하는 과정은,
    상기 수신 신호에서, 상기 CP의 부분과, 전송 데이터 중 상기 CP 부분과 같은 패턴을 가지는 데이터부분 간의 상관값들을 구하는 것임을 특징으로 하는 주파수 오프셋 추정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 누적 상관값들을 생성하는 과정은,
    상기 쉬프트레지스터로부터 상기 수신신호의 i번째 샘플(i는 상기 관찰 구간의 최대크기보다 작거나 같은 값임)에 대한 상관값이 출력될 때마다, 첫번째 샘플부터 상기 i번째 샘플까지의 상관값들을 누적하는 동작을 반복하는 것을 특징으로 하는 주파수 오프셋 추정 방법.
  5. 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 주파수 오프셋을 추정하는 장치에 있어서,
    주기적 전치 부호(CP)와 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 심볼을 포함하는 수신 신호를 입력받아, OFDM 심볼의 길이 만큼 지연시키고 켤레 변환하는 지연기와,
    미리 설정된 관찰 구간동안 상기 수신 신호의 서브캐리어들과 상기 켤레 변환된 신호의 서브캐리어들을 곱하여 수신 신호간의 상관값들을 생성하는 제1 곱셈기와,
    상기 상관값들을 순차적으로 저장하는 쉬프트 레지스터와,
    상기 저장된 상관값들을 순차적으로 하나씩 추가 누적하여 누적 상관값들을 생성하는 제1 누적기와,
    상기 누적 상관값들 각각에 대응되는 위상값들을 측정하는 위상 검출기와,
    상기 측정된 위상값들을 누적하여 누적 위상값을 생성하는 제2 누적기와,
    상기 누적 위상값을 상기 관찰구간의 크기로 나누어 주파수 오프셋을 추정하는 제2 곱셈기를 포함하며,
    상기 관찰 구간은 상기 CP의 구간에서 다중 경로 채널을 통한 지연 현상으로 인해 오염된 구간을 제외한 구간임을 특징으로 하는 주파수 오프셋 추정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 주파수 오프셋은 하기의 수학식을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 주파수 오프셋 추정 장치.
    Figure 112008043311228-pat00013
    여기서, K는 상기 관찰구간의 최대 크기로서 상기 CP의 길이보다 작은 값이고, r*(m)은 켤레 변환된 수신신호이고, r(m+N)은 상기 OFDM 심볼의 길이 N만큼 지연된 수신신호이고, vi는 상기 CP의 -i번째 샘플에서 -1번째 샘플까지의 관찰 구간으로부터 추정된 주파수 오프셋이며, v는 vi의 평균값으로 상기 출력되는 주파수 오프셋 추정값임.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제 1곱셈기는,
    상기 수신 신호에서, 상기 CP의 부분과, 전송 데이터 중 상기 CP 부분과 같은 패턴을 가지는 데이터 부분 간의 상관값들을 구하는 것임을 특징으로 하는 주파수 오프셋 추정 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1 누적기는,
    상기 쉬프트레지스터로부터 임의의 i번째 샘플에 대한 상관값이 출력될 때마다, 첫번째 샘플부터 상기 i번째 샘플까지의 상관값들을 누적하는 동작을 반복하는 것을 특징으로 하는 주파수 오프셋 추정 장치.
  9. 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 주파수를 복원하는 장치에 있어서,
    주기적 전치 부호(CP)와 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 심볼을 포함하는 신호를 수신하는 수신부와,
    상기 수신부로부터 수신 신호를 전달받아 OFDM 심볼의 길이 만큼 지연시키고 켤레 변환하는 지연기와,
    미리 설정된 관찰 구간동안 상기 수신 신호의 서브캐리어들과 상기 켤레 변환된 신호의 서브캐리어들을 곱하여 수신 신호간의 상관값들을 생성하는 제 1곱셈기와,
    상기 상관값들을 순차적으로 저장하는 쉬프트 레지스터와,
    상기 저장된 상관값들을 순차적으로 하나씩 추가 누적하여 누적 상관값들을 생성하며, 상기 누적 상관값들 각각에 대응되는 위상값들을 측정하며, 상기 측정된 위상값들을 누적하여 누적 위상값을 생성하고, 상기 누적 위상값을 상기 관찰구간의 크기로 나누어 주파수 오프셋을 추정하는 추정부와,
    상기 추정된 주파수 오프셋을 일정 시간동안 누적하고 이득 값을 조절하는 루프 필터와,
    상기 조절된 이득값으로 발진 주파수를 조절하여 상기 수신부를 제어하는 발진기를 포함하며,
    상기 관찰 구간은 상기 CP의 구간에서 다중 경로 채널을 통한 지연 현상으로 인해 오염된 구간을 제외한 구간임을 특징으로 하는 주파수 복원 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 추정부는 하기의 수학식을 이용하여 주파수 오프셋을 추정하는 것을 특징으로 하는 주파수 복원 장치.
    Figure 112008043311228-pat00014
    여기서, K는 상기 관찰구간의 최대 크기로서 상기 CP의 길이보다 작은 값이고, r*(m)은 켤레 변환된 수신신호이고, r(m+N)은 상기 OFDM 심볼의 길이 N만큼 지연된 수신신호이고, vi는 상기 CP의 -i번째 샘플에서 -1번째 샘플까지의 관찰 구간으로부터 추정된 주파수 오프셋이며, v는 vi의 평균값으로 상기 출력되는 주파수 오프셋 추정값임.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1곱셈기는,
    상기 수신 신호에서, 상기 CP의 부분과, 전송 데이터 중 상기 CP 부분과 같은 패턴을 가지는 데이터 부분 간의 상관값들을 구하는 것임을 특징으로 하는 주파수 복원 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 추정부는,
    상기 쉬프트레지스터로부터 임의의 i번째 샘플에 대한 상관값이 출력될 때마다, 첫번째 샘플부터 상기 i번째 샘플까지의 상관값들을 누적하는 동작을 반복하는 것을 특징으로 하는 주파수 복원 장치.
  13. 직교 주파수 주파수 분할 다중화 시스템에서 주파수 오프셋을 추정하는 방법에 있어서,
    주기적 전치 부호(CP)와 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 심볼을 포함하는 수신 신호를 입력받아, OFDM 심볼의 길이 만큼 지연시키고 켤레 변환하는 과정과,
    미리 설정된 관찰 구간 동안 상기 수신 신호의 서브캐리어들과 상기 지연 및 켤레 변환된 신호의 서브캐리어들을 곱하여 수신 신호간의 상관값들을 생성하며, 상기 수신 신호의 i번째 샘플(i는 상기 관찰 구간의 크기보다 작거나 같은 값임)동안 상기 저장된 상관값들을 순차적으로 하나씩 추가 누적하여 누적 상관값들을 생성하며, 상기 누적 상관값들 각각에 대응되는 위상값들을 측정하고, 상기 측정된 위상값들을 누적하여 누적 위상값을 생성하는 과정과,
    상기 누적 위상값을 상기 관찰 구간의 크기로 나누어 주파수 오프셋을 추정하는 과정을 포함하며,
    상기 관찰 구간은 상기 CP의 구간에서 다중 경로 채널을 통한 지연 현상으로 인해 오염된 구간을 제외한 구간임을 특징으로 하는 주파수 오프셋 추정 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 주파수 오프셋은 하기의 수학식을 이용하여 주파수 오프셋을 추정하는 것을 특징으로 하는 주파수 오프셋 추정 방법.
    Figure 112008043311228-pat00015
    여기서, K는 상기 관찰구간의 최대 크기로서 상기 CP의 길이보다 작은 값이고, r*(m)은 켤레 변환된 수신신호이고, r(m+N)은 상기 OFDM 심볼의 길이 N만큼 지연된 수신신호이고, vi는 상기 CP의 -i번째 샘플에서 -1번째 샘플까지의 관찰 구간으로부터 추정된 주파수 오프셋이며, v는 vi의 평균값으로 상기 출력되는 주파수 오프셋 추정값임.
  15. 삭제
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