KR100874008B1 - Ｏｆｄｍ수신기의 채널 추정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 OFDM 수신기의 채널 추정 방법에 관한 것으로, OFDM 데이터를 수신하고, OFDM 데이터의 분산 파일럿을 이용하여 주파수 측 채널 응답을 획득하는 단계, 채널 응답에 따라 생성된 파일럿 그룹을 소정의 자원 공간으로 구분하여 적어도 두 개의 그룹으로 분리하는 단계, 각 그룹의 채널 응답을 칼만 필터 방식에 따라 보정하는 단계 및 보정 결과에 따라 OFDM 데이터의 분산 파일럿의 전력을 보정하는 단계를 포함한다.
OFDM, 채널수정, Kalman filter

Description

ＯＦＤＭ수신기의 채널 추정 방법 및 장치 {Apparatus and method of chanel estimation for OFDM receiver}
도 1은 일반적인 OFDM 수신기의 채널등화기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 수신기의 채널 추정 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 수신기의 채널 추정 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)수신기의 채널 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.
지방방송에서는 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)과 VSB(Vertical Sideband)의 다치화가 이미 한계에 와 있다. 따라서 다치화에 따른 전송 속도의 향상은 더 이상 기대하기 어렵다. 전송 속도의 향상을 위해, 같은 다치수에서 심볼 속도를 올리는 방법을 사용할 수 있다. 하지만 심볼 전송속도를 현재 이상으로 끌 어 올리면 다중경로의 간섭이 발생 할 수 있다. 특히 고층빌딩이 난립하는 지역에서는 이러한 문제가 더욱 심각해진다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 유럽 등지에서는 대역폭당의 전송속도의 향상과 다중 경로 간섭 방지를 위해 디지털 변조방식인 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 ‘OFDM’라 함)변조 방식 개발에 전력하고 있다.
대부분의 디지털 변조 방식이 단일 반송파를 사용하는데 반하여, OFDM을 이용한 통신 시스템(이하, OFDM 통신 시스템)은 하나의 데이터 열을 보다 낮은 데이터 전송률을 갖는 부반송파를 통해 전송한다. OFDM 통신 시스템은 전송 할 데이터를 블록화 한 후에 상호 직교성분을 갖는 복수의 반송파를 사용하여 블록화된 데이터를 병렬로 전송한다. 그러면, 각 반송파의 주파수성분은 중복되어 발생하는 문제점을 해결 할 수 있으며, 동상의 주파수 분할 다중화(FDM)에 비해 주파수의 이용효율이 높다.
종래 OFDM 통신 시스템은 보간 필터로 FIR(Finite Impulse Response)필터를 사용하지 않는 대신에 고속 푸리에 변환을 수행하여 주파수 응답을 추정한다. 구체적으로, OFDM 통신 시스템은 분산 파일럿이 전송되지 않은 부채널의 저주파성분만을 윈도우 신호를 통해 추출 한 후 그 이외의 성분을 모두 0으로 삽입한다. 그리고 다시 역고속 푸리에 변환(IFFT)을 수행하여 얻어진 신호의 크기를 보정하여 원하는 각 부채널의 주파수응답을 얻어낸다.
즉, 종래의 OFDM 수신기의 채널 추정장치는 고속 푸리에 변환 및 역고속 푸리에 변환을 이용하여 보다 정확한 채널 추정이 가능하지만, 주파수 영역에서만 주 어진 시점의 분산 파일럿을 사용하므로 채널 추정의 오차를 줄이는데 한계가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 분산 파일럿 신호의 시간적 통계 특성을 고려하여 순시적인 분산 파일럿 신호 전력의 오차를 보정 함으로써 채널 추정의 성능을 높이는 OFDM수신기의 채널 추정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따르면, OFDM 데이터를 수신하고, 상기 OFDM 데이터의 분산 파일럿을 이용하여 주파수 측 채널 응답을 획득하는 단계, 상기 채널 응답에 따라 생성된 파일럿 그룹을 소정의 자원 공간으로 구분하여 적어도 두 개의 그룹으로 분리하는 단계, 상기 각 그룹의 채널 응답을 칼만 필터 방식에 따라 보정하는 단계 및 상기 보정 결과에 따라 상기 OFDM 데이터의 분산 파일럿의 전력을 보정하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 입력되는 OFDM의 데이터를 채널 추정에 맞도록 재배열하는 데이터재배열기 및 상기 OFDM의 데이터의 분산 파일럿을 이용하여 주파수 측 채널 응답을 획득하고, 상기 채널 응답을 칼만 필터 방식에 따라 보정하는 채널 추정기를 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설 명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 OFDM수신기의 채널 추정 방법 및 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 수신기의 채널등화기를 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 OFDM 수신기의 채널 등화기는 데이터재배열기(100), 채널 추정기(200), 지연기(300) 및 데이터보정기(400)를 포함한다.
데이터재배열기(100)는 입력되는 데이터 비트를 채널 추정에 적합하도록 재배열한다.
본 발명의 실시 예에 따른 채널 추정기(200)는 재배열 중 분산 파일럿이 존재하지 않는 주파수 영역에 대한 채널 응답을 보간 하기 전에, 칼만 필터를 이용하여 채널추정을 수행한다.
지연기(300)는 채널 추정에 필요한 시간만큼 재배열된 데이터를 지연한다.
데이터보정기(400)는 지연된 데이터에 대해 추정된 채널의 주파수 응답값을 이용하여 데이터 보정을 수행한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 수신기의 채널 추정기(200)를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 채널추정기(200)는 파일럿추출기(201), 고속 푸리에 변환기(202), 윈도우 추출기(203), 역고속 푸리에 변환기(204), 크기 보정기(205), 파일럿 그룹 추출기(206), 칼만 필터 이득 산출부(207), 칼만 필터 보정부(208), 파일럿 이득 계산기(209) 및 증폭기(210)를 포함한다.
파일럿 추출기(201)는 재배열된 데이터에 삽입된 분산 파일럿의 주파수에서 채널 응답을 획득한다. 고속 푸리에 변환기(202)는 분산 파일럿이 전송되지 않은 다른 부채널 데이터에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행한다. 윈도우 추출기(203)는 고속 푸리에 변환한 결과를 입력 받아 미리 설정된 윈도우 신호를 통해 특정 주파수 성분 만을 추출한다. 그리고 역고속 푸리에 변환기(204)는 윈도우 신호에 의해 추출된 주파수 성분의 신호를 역고속 푸리에 변환(IFFT) 한다. 크기 보정기(205)는 역고속 푸리에 변환기(204)의 결과를 소정의 배율로 증폭한다. 본 발명의 실시예에 따른 배율은 3배로 설정하였으나, 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 설계변경이 가능하다.
파일럿 그룹 추출기(206)는 최종적으로 채널 추정이 끝난 크기 보정기(205)의 주파수 응답값(A)을 다시 입력 받고, 복수의 자원 공간 각각에 주파수 응답값을 할당하여, 그룹별로 분리한다. 여기서 복수의 자원 공간은 주파수 측면에서 설정된 대역폭을 소정의 크기로 분리한 공간이다. 그리고 복수의 자원 공간을 그룹별로 분리하는 것은 자원공간 단위로 주파수 도약을 하기 위해, 각 자원공간을 찾아서 시간적으로 칼만 필터를 해야 하기 때문이다.
칼만 필터 이득 산출부(207)는 현재 파일럿 전력에 대한 공분산(
Figure 112007029408958-pat00001
)을 구하고, 공분산(
Figure 112007029408958-pat00002
) 및 현재 파일럿 전력값을 이용하여 복수의 자원 공간을 그룹별로 칼만 필터 이득(k(n)) (이하, 칼만 이득)을 산출한다.
먼저, 현재 파일럿 전력에 대한 공분산(
Figure 112007029408958-pat00003
)은 수학식 1과 같이 구한다.
Figure 112007029408958-pat00004
여기서 H(n)은 크기 보정기(205)로부터 전달 받은 주파수 응답값(A)에 대응하는 주어진 채널 추정값이고,
Figure 112007029408958-pat00005
은 잡음 분산이다. 잡음 분산은 채널이 플랫 패딩 (flat fading)인 것으로 가정하여, 같은 시간상의 모든 파일럿들의 차이를 잡음으로 가정하여 계산한다.
그리고 칼만 이득(k(n))은 현재 파일럿 전력에 대한 공분산(
Figure 112007029408958-pat00006
)을 이용하여 수학식 2와 같이 구한다.
여기서
Figure 112007029408958-pat00008
은 채널 추정기(200) 분산값이다.
칼만 필터 보정부(208)는 현재 채널 추정값(
Figure 112007029408958-pat00009
)을 보정하여, 다음 단계 채널 추정값에 대한 공분산 및 다음 단계 채널 추정값을 예측한다.
먼저, 칼만 필터 보정부(208)는 칼만 필터 이득 산출부(207)에서 전달 받은 칼만 이득(k(n))을 이용하여 현재 채널 추정값(
Figure 112007029408958-pat00010
)을 수학식 3과 같이 예측한다.
Figure 112007029408958-pat00011
또한, 칼만 필터 보정부(208)는 보정된 다음 단계 채널 추정값에 대한 공분산(
Figure 112007029408958-pat00012
)을 수학식 4와 같이 예측한다.
Figure 112007029408958-pat00013
여기서,
Figure 112007029408958-pat00014
은 설계상 상수로 설정하고, 심볼 에너지가 1 이라고 할 때, SNR이 6dB라면 수학식 5와 같이 시스템 잡음 분산(
Figure 112007029408958-pat00015
)은 0.1256 이다.
Figure 112007029408958-pat00016
그리고 시퀀스의 길이(M)가 8 이라면, 채널 추정기의 분산(
Figure 112007029408958-pat00017
)은 수학식 6과 구한다.
Figure 112007029408958-pat00018
그리고 탭 이득 잡음의 분산(
Figure 112007029408958-pat00019
)은 수학식 7과 같이 구한다.
Figure 112007029408958-pat00020
수학식 4와 같이 수정된 공분산을 이용하여, 칼만 이득을 보정하고, 다음 단계 채널 추정값(
Figure 112007029408958-pat00021
)을 수학식 8과 같이 예측한다.
Figure 112007029408958-pat00022
파일럿 이득 계산기(209)는 칼만 필터 방식에 따라 예측된 채널 추정값을 이용하여 파일럿 이득을 계산한다. 파일럿 이득 계산기(209)는 파일럿 이득에 따라 증폭기(210)의 증폭률을 제어한다.
증폭기(210)는 추정된 채널의 주파수 응답값을 파일럿 이득 계산기(209)에서 전달 받은 증폭률로 증폭한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 수신기의 채널 추정 방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, 데이터재배열기(100)에 데이터가 입력된다(S100). 데이터재배열기(100)은 S100단계에서 입력받은 데이터 비트를 채널 추정에 맞게 재배열한다(S200).
파일럿 추출기(201)은 S200단계에서 재배열 된 데이터에 삽입된 분산 파일럿의 주파수에서 채널응답을 획득한다(S300).
S300단계에서 분산 파일럿이 전송되지 않는 다른 부채널 데이터가 고속 푸리에 변환이 된다. 그러면, 윈도우 추출기(203)는 고속 푸리에 변환된 결과를 전달 받아 미리 설정된 윈도우 신호를 통해 특정 주파수 성분 만을 추출한다(S400).
S400단계에서 윈도우 신호에 의해 추출된 특정 주파수 성분의 신호는 역고속 푸리에 변환이 된다. 그러면, 크기 보정기(205)는 역고속 푸리에 변환된 결과를 소정의 배율로 증폭하여 원하는 각 부채널의 주파수 응답을 얻어낸다(S500). 본 발명의 실시예에 따른 배율은 3배로 설정하였으나, 이에 한정되지 않으며, 필요에 설계 변경이 가능하다.
S500 단계에서 입력받은 주파수 응답값은 복수의 자원 공간 각각에 할당하여, 그룹별로 분리한다(S600). 여기서 복수의 자원 공간은 주파수 측면에서 설정된 대역폭을 소정의 크기로 분리한 공간이다.
칼만 필터 이득 산출부(207)는 현재 파일럿 전력에 대한 공분산(
Figure 112007029408958-pat00023
)을 구 하고, 공분산(
Figure 112007029408958-pat00024
) 및 현재 파일럿 전력값을 이용하여 복수의 자원 공간을 그룹별로 칼만 이득(k(n))을 산출한다(S700). 현재 파일럿에 대한 공분산(
Figure 112007029408958-pat00025
)은 수학식 1과 같이 구한다. 그리고 칼만 이득(k(n))은 현재 파일럿에 대한 공분산(
Figure 112007029408958-pat00026
)을 이용하여 수학식 2와 같이 구한다.
S700 단계에서 전달 받은 칼만 이득(k(n))을 이용하여 칼만 필터 보정부(208)는 수학식 3과 같이 현재 채널 추정값(
Figure 112007029408958-pat00027
)을 보정하고, 다음 단계 채널 추정값에 대한 공분산(
Figure 112007029408958-pat00028
) 및 다음 단계 채널 추정값(
Figure 112007029408958-pat00029
)을 예측한다(S800). 여기서, 다음 단계 채널 추정값(
Figure 112007029408958-pat00030
)에 대한 공분산(
Figure 112007029408958-pat00031
)은 수학식 4와 같이 예측한다. 그리고 수학식 4와 같이 보정된 공분산(
Figure 112007029408958-pat00032
)을 이용하여 다음 단계 채널 추정값(
Figure 112007029408958-pat00033
)을 수학식 8과 같이 예측한다.
파일럿 이득 계산기(209)는 S800 단계에서 전달 받은 채널 추정값을 이용하여 파일럿 이득을 계산하고, 파일럿 이득에 따라 증폭률을 제어한다(S900).
S900 단계에서 전달받은 증폭률을 이용하여 추정된 채널의 주파수 응답값을 증폭한다(S1000).
본 발명의 실시예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 OFDM 수신기의 주파수 영역에서 분산 파일럿이 존재하지 않는 주파수 응답을 보간 하기 전에 칼만 필터(Kalman Filter)를 이용하여 순시적인 분산 파일럿 신호 전력의 오차를 보정하는 동시에 채널 추정의 성능을 높일 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면 OFDM 수신기에서 주파수 응답값을 그룹별로 분리하여, 그룹별로 칼만 필터를 적용하는 것이 주파수 선택성이 큰 무선 페이딩 채널에 대해서 수신 성능을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. OFDM 데이터를 수신하고, 상기 OFDM 데이터의 분산 파일럿을 이용하여 주파수측 채널 응답을 획득하는 단계;
    상기 채널 응답에 따라 생성된 파일럿 그룹을 소정의 자원 공간으로 구분하여 적어도 두 개의 그룹으로 분리하는 단계;
    상기 각 그룹의 채널 응답을 칼만 필터 방식에 따라 보정하는 단계; 및
    상기 보정 결과에 따라 상기 OFDM 데이터의 분산 파일럿의 전력을 보정하는 단계
    를 포함하는 OFDM 수신기의 채널 추정 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 그룹으로 분리된 그룹별로 칼만 이득을 산출하는 단계;
    상기 칼만 이득을 이용하여 현재 채널 응답을 보정하는 단계; 및
    상기 보정된 현재 채널 응답을 이용하여 다음 단계 채널 응답에 대한 공분산 및 다음 단계 채널 응답을 예측하는 단계
    를 더 포함하는 OFDM 수신기의 채널 추정 방법.
  3. 제2 항에 있어서
    상기 예측된 채널 응답을 이용하여 파일럿 이득을 계산하는 단계; 및
    상기 파일럿 이득에 따라 증폭률을 제어하여, 소정의 증폭률로 추정된 채널의 주파수 응답값을 증폭하는 단계
    를 더 포함하는 OFDM 수신기의 채널 추정 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 OFDM 데이터를 수신하여 재배열하는 단계;
    상기 재배열된 데이터에 삽입된 분산 파일럿의 주파수에서 채널 응답을 획득하는 단계; 및
    상기 분산 파일럿이 전송되지 않은 부채널 데이터를 입력받아 고속 푸리에 변환 및 역고속 푸리에 변환에 근거한 보간을 수행하여 상기 부채널 각각의 주파수 응답을 추정하는 단계
    를 더 포함하는 OFDM 수신기의 채널 추정 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 부채널 데이터를 고속 푸리에 변환하는 단계;
    상기 고속 푸리에 변환한 결과를 입력 받아 윈도우 신호를 통해 특정 주파수 성분을 추출하는 단계;
    상기 추출된 주파수 성분을 역고속 푸리에 변환하는 단계; 및
    상기 역고속 푸리에 변환한 결과를 입력받아 소정의 배율로 증폭하는 단계
    를 더 포함하는 OFDM 수신기의 채널 추정 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 소정의 자원 공간은 주파수 측면에서 설정된 대역폭을 소정의 크기로 분리한 공간인 OFDM 수신기의 채널 추정 방법.
  7. 입력되는 OFDM의 데이터를 채널 추정에 맞도록 재배열하는 데이터재배열기; 및
    상기 OFDM의 데이터의 분산 파일럿을 이용하여 주파수 측 채널 응답을 획득하고, 상기 채널 응답에 따라 생성된 파일럿 그룹을 소정의 자원 공간으로 구분하여 적어도 두 개의 그룹으로 분리하여, 상기 각 그룹의 채널 응답을 칼만 필터 방식에 따라 보정하는 채널 추정기
    를 포함하는 OFDM 수신기의 채널 추정 장치.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 채널 추정기는,
    상기 채널 응답에 따라 생성된 파일럿 그룹을 소정의 자원 공간으로 구분하여 적어도 두 개의 그룹으로 분리하는 파일럿 그룹 추출기;
    상기 파일럿의 전력에 대한 공분산을 구하고, 상기 공분산을 이용하여 상기 복수의 자원 공간을 그룹별로 칼만 이득을 산출하는 칼만 필터 이득 산출부;
    상기 칼만 이득을 이용하여 현재 채널 추정값을 보정하고, 다음 채널 추정값에 대한 공분산 및 다음 채널 추정값을 예측하는 칼만 필터 보정부;
    상기 예측된 채널 추정값을 이용하여 파일럿 이득을 계산하고, 상기 파일럿 이득에 따라 증폭률을 제어하는 파일럿 이득 계산기; 및
    상기 증폭률로 증폭하여 추정된 채널의 주파수 응답값을 출력하는 증폭기
    를 더 포함하는 OFDM 수신기의 채널 추정 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 채널 추정기는
    상기 재배열된 데이터에 삽입된 분산 파일럿이 존재하는 부채널의 데이터를 추출하는 파일럿 추출기;
    상기 분산 파일럿이 전송되지 않은 부채널 데이터에 대해 고속 푸리에 변환하는 고속 푸리에 변환기;
    상기 고속 푸리에 변환기의 결과를 입력받아 미리 설정된 윈도우 신호를 통해 특정 주파수 성분만을 추출하는 윈도우 추출기;
    상기 윈도우 추출기의 출력 신호를 역고속 푸리에 변환하는 역고속 푸리에 변환기; 및
    상기 역고속 푸리에 변환기의 결과를 입력받아 소정의 배율로 증폭하는 크기 보정기
    를 더 포함하는 OFDM 수신기의 채널 추정 장치.
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