KR100902842B1 - Fading channel modeling equipment of communication system and channel modeling method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 무선 송수신 시스템의 이동 환경을 테스트하기 위한 통신 시스템의 채널 모델링 장치 및 그것의 채널 모델링 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a communication system, and more particularly, to a channel modeling apparatus of a communication system and a channel modeling method thereof for testing a mobile environment of a wireless transmission / reception system.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-017-02, 과제명: 지상파 DMB 전송 고도화 기술 개발]. The present invention is derived from the research conducted as part of the IT growth engine technology development project of the Ministry of Information and Communication and the Ministry of Information and Telecommunications Research and Development. [Task management number: 2006-S-017-02, Title: Development of advanced technology for terrestrial DMB transmission] .
통신 산업의 발달과 패킷 데이터 서비스에 대한 사용자의 요구 증가로 인하여 고속 패킷 데이터 서비스를 효율적으로 제공할 수 있는 통신 시스템에 대한 필요성이 증대되고 있다. 기존 통신망은 음성 서비스를 주목적으로 개발되어 데이터 전송 대역폭이 비교적 작고, 사용료가 비싼 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 해결하기 위한 광대역 무선 접속 방식의 대표적인 예로 직교 주파수 분할 다중화 (이하, OFDM) 방식의 시스템에 대한 연구가 급속히 진행되고 있다. OFDM 방식은 광대 역 무선 인터넷, 디지털 멀티미디어 방송(Digital Multimedia Broadcasting: DMB), 무선랜(Wireless Local Area Network: WLAN) 등의 고속 데이터 전송이 필요한 디지털 전송 기술에 광범위하게 적용되고 있다.Due to the development of the communication industry and increasing user demand for packet data services, there is an increasing need for a communication system capable of efficiently providing a high speed packet data service. Existing communication networks have been developed mainly for voice services, which have disadvantages of relatively small data transmission bandwidth and high usage fee. As a representative example of a broadband wireless access method for solving such disadvantages, research on an orthogonal frequency division multiplexing (hereinafter, referred to as OFDM) system is rapidly progressing. The OFDM scheme is widely applied to digital transmission technologies that require high-speed data transmission such as wideband wireless Internet, digital multimedia broadcasting (DMB), and wireless local area network (WLAN).
상술한 통신 시스템들의 연구 개발을 지원하기 위한 다양한 시뮬레이션 모델들이 제공되고 있다. 특히, 이동 환경에서의 채널 모델링의 적절한 제공은 연구 개발의 기간이나 효율에 절대적이다. 이동 환경에서의 채널 모델링에 있어서 고려되어야 하는 인자(Factor)로는 페이딩 현상(Fading effect)이다. 디지털 멀티미디어 방송이나 무선랜과 같이 이동 무선 환경의 통신 시스템 성능에 영향을 미치는 가장 큰 원인이 바로 페이딩(Fading) 현상이다. 페이딩 현상은 크게 신호 전송 도중에 건물이나 다른 방해물들에 의한 반사, 흡수, 굴절 및 산란에 의한 다중 경로 효과와, 이동체의 속도 변화에 따라 발생하는 수신 신호의 주파수 편이 효과에 기인한다. 다중 경로 효과로 인하여 각 경로들을 통해서 수신되는 신호는 서로 다른 크기와 위상을 가진다. 그리고 이동체의 속도에 따라 수신 신호들은 시변적인 상호 간섭을 일으킴으로써 포락선(Envelope)의 변화를 동반한다. 이러한 포락선의 변화에 따라 페이딩 현상이 발생한다. Various simulation models are provided to support the research and development of the aforementioned communication systems. In particular, the proper provision of channel modeling in a mobile environment is crucial to the duration or efficiency of research and development. A factor to be considered in channel modeling in a mobile environment is a fading effect. Fading is one of the biggest causes that affect the performance of communication systems in mobile wireless environments such as digital multimedia broadcasting and wireless LAN. The fading phenomenon is largely due to the multipath effect caused by reflection, absorption, refraction and scattering by buildings or other obstacles during signal transmission, and the frequency shifting effect of the received signal caused by the speed change of the moving object. Due to the multipath effect, the signals received through each path have different magnitudes and phases. According to the speed of the moving object, the received signals are accompanied by a change in envelope by causing time-varying mutual interference. Fading occurs as the envelope changes.
도 1은 일반적인 통신 시스템의 채널 모델을 간략히 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 채널을 경유하면서 송신 신호 s(t)는 채널 이득 h(t)에 대응하는 왜곡과, 잡음 n(t)의 부가를 겪게 된다. 이러한 채널에서의 영향에 따라 수신 신호 x(t)는 아래의 수학식 1로 표현될 수 있다. 1 is a block diagram schematically illustrating a channel model of a general communication system. Referring to FIG. 1, the transmission signal s (t) through the channel experiences distortion corresponding to the channel gain h (t) and the addition of noise n (t). According to the influence on the channel, the received signal x (t) may be represented by
(여기서, *는 컨볼루션 적분자)Where * is the convolution integrator
채널 이득 h(t)는 일반적으로 다음과 같이 모델링된다. 먼저 각각 독립적인 랜덤 가우시안 잡음(Random Gaussian Noise)이 생성된다. 상술한 랜덤 가우시안 잡음(Random Gaussian Noise)은 이동체의 속도에 대응하는 페이딩 효과를 부과받기 위하여 페이딩 필터(Fading Filter)를 경유한다. 페이딩 필터(Fading Filter)는 다중 경로, 굴절, 감쇠, 속도의 변화 등에 대응하는 다양한 채널 특성을 지내도록 제어되는 디지털 필터(Digital Filter)로 구성될 수 있다. 페이딩 필터(Fading Filter)를 통해서 출력되는 채널 이득 h(t)와 송신 신호 s(t)가 컨볼루션 적분(Convolutional Integral)됨으로써 채널의 페이딩 효과가 부가된다. 이후, 잡음 n(t)가 더해짐으로 수신 신호 x(t)에 대한 채널 모델링이 적용된다. The channel gain h (t) is generally modeled as follows. First, independent random Gaussian noises are generated. The random Gaussian noise described above passes through a fading filter in order to receive a fading effect corresponding to the speed of the moving object. The fading filter may be configured as a digital filter controlled to have various channel characteristics corresponding to multipath, refraction, attenuation, speed change, and the like. The channel gain h (t) outputted through the fading filter and the transmission signal s (t) are convolutional integrated to add a fading effect of the channel. Then, channel n is applied to the received signal x (t) as noise n (t) is added.
상술한 채널 모델링 방법에 따르면, 랜덤 가우시안 잡음의 생성, 페이딩 필터링 처리 및 송신 신호와의 컨볼루션 곱셈 등의 제반 과정이 송신 신호 s(t)의 매 샘플(Sample)마다 수행되어야 한다. 따라서, 채널의 모델링과 모델링 된 채널 이득을 이용하여 송신 신호 s(t)의 매 샘플에 적용하기 위해서는 과도한 계산량과 그에 동반하는 시뮬레이션 시스템의 부담은 피할 수 없다. According to the channel modeling method described above, various processes such as generation of random Gaussian noise, fading filtering processing, and convolution multiplication with a transmission signal should be performed for every sample of the transmission signal s (t). Therefore, in order to apply to each sample of the transmission signal s (t) using the modeling of the channel and the modeled channel gain, excessive computation and the burden of the accompanying simulation system are inevitable.
대부분의 무선 통신 시스템에서의 채널 성능을 테스트하기 위한 시뮬레이션은 많은 시간을 요구한다. 특히, 페이딩 채널 모델을 포함하는 시뮬레이션에서는 많은 계산량과 시뮬레이션 시간이 필요하다. 그러므로 페이딩 채널 모델링에 소요되는 시간을 최소화하고 채널 이득의 연산 동작 속도를 높이는 것은 전체 송수신 시스템의 채널 성능 시뮬레이션에 많은 영향을 미치게 된다. 따라서, 고속으로 채널 이득을 제공하면서도 계산량을 줄일 수 있는 채널 모델링 기술에 대한 요구가 절실한 실정이다. Simulation for testing channel performance in most wireless communication systems requires a lot of time. In particular, simulations involving fading channel models require large amounts of computation and simulation time. Therefore, minimizing the time required for fading channel modeling and increasing the computational operation speed of the channel gain have a great influence on the channel performance simulation of the entire transmit / receive system. Therefore, there is an urgent need for a channel modeling technique capable of reducing the amount of computation while providing channel gain at high speed.
본 발명은 통신 시스템에서 시뮬레이션 시에 상대적으로 적은 계산량으로 채널 이득을 생성하여 고속으로 제공할 수 있는 페이딩 채널 모델링 장치 및 채널 모델링 방법을 제공한다. The present invention provides a fading channel modeling apparatus and a channel modeling method which can generate a channel gain with a relatively small amount of computation during a simulation in a communication system and provide the channel gain at a high speed.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 통신 시스템의 페이딩 채널 모델링 방법은, 주파수 영역의 복소 채널 이득을 생성하는 단계; 상기 주파수 영역의 복소 채널 이득을 역이산 푸리에 변환(Inverse Discrete Fourier Transform: IDFT)하여 출력되는 시간 영역의 복소 채널 이득을 메모리에 저장하는 단계; 및 상기 통신 시스템의 시뮬레이션 동작시, 상기 메모리에 저장된 시간 영역의 복소 채널 이득을 보간(Interpolation)하여 상기 통신 시스템으로 제공하는 단계를 포함한다. A fading channel modeling method of a communication system of the present invention for achieving the above object comprises the steps of: generating a complex channel gain in the frequency domain; Storing the complex channel gain of the time domain outputted by inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) of the frequency domain in the memory; And interpolating the complex channel gain of the time domain stored in the memory to the communication system during a simulation operation of the communication system.
이 실시예에 있어서, 상기 주파수 영역에서 복소 채널 이득을 생성하는 단계는, 서로 독립적인 제 1 랜덤 잡음과 제 2 랜덤 잡음 및 페이딩 필터의 주파수 특성을 제공하는 페이딩 계수를 생성하는 단계; 상기 제 1 랜덤 잡음과 상기 제 2 랜덤 잡음 각각을 상기 페이딩 계수에 따라 필터링하는 단계; 상기 필터링된 제 1 랜덤 잡음과 제 2 랜덤 잡음을 다중화하여 주파수 영역의 복소 채널 이득으로 제공하는 단계를 포함한다.In this embodiment, generating a complex channel gain in the frequency domain comprises: generating fading coefficients that provide frequency characteristics of the first random noise and the second random noise and the fading filter independent of each other; Filtering each of the first random noise and the second random noise according to the fading coefficients; And multiplexing the filtered first random noise and the second random noise as complex channel gains in a frequency domain.
이 실시예에 있어서, 상기 페이딩 계수는 무선 수신체의 이동에 의해서 발생하는 최대 도플러 주파수 이하의 주파수 성분을 통과시키도록 설정된다.In this embodiment, the fading coefficient is set to pass a frequency component below the maximum Doppler frequency caused by the movement of the radio receiver.
이 실시예에 있어서, 상기 페이딩 계수는 상기 보간하는 단계에서 설정되는 보간 인자(Interpolation Factor)를 고려하여 설정된다. In this embodiment, the fading coefficient is set in consideration of an interpolation factor set in the interpolating step.
이 실시예에 있어서, 상기 페이딩 필터의 샘플링 주파수는 상기 보간 인자의 크기에 반비례하도록 설정된다.In this embodiment, the sampling frequency of the fading filter is set to be inversely proportional to the magnitude of the interpolation factor.
이 실시예에 있어서, 상기 역이산 푸리에 변환하는 단계에서, 역이산 푸리에 연산의 포인트(Point) 크기는 상기 보간 인자 크기에 따라 결정된다. In this embodiment, in the inverse discrete Fourier transform, the point size of the inverse discrete Fourier operation is determined according to the interpolation factor size.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 통신 시스템의 시뮬레이션 시스템은 주파수 영역에서 복소 채널 이득을 생성하는 채널 이득 생성부; 상기 주파수 영역의 복소 채널 이득을 시간 영역의 복소 채널 이득으로 변환하여 저장하는 역이산 푸리에 변환부; 그리고 시뮬레이션 동작시, 상기 역이산 푸리에 변환부에 저장된 시간 영역의 복소 채널 이득을 보간(Interpolation)하여 제공하는 보간 블록을 포함한다. Simulation system of the communication system of the present invention for achieving the above object comprises a channel gain generator for generating a complex channel gain in the frequency domain; An inverse discrete Fourier transformer for converting and storing the complex channel gain of the frequency domain into the complex channel gain of the time domain; And an interpolation block for interpolating and providing a complex channel gain of a time domain stored in the inverse discrete Fourier transform unit during a simulation operation.
이 실시예에 있어서, 상기 채널 이득 생성부는, 주파수 영역의 서로 독립적인 랜덤 잡음들을 각각 생성하는 랜덤 잡음 발생부; 상기 독립적인 랜덤 잡음들 각각에 대하여 페이딩 효과를 제공하여 주파수 영역의 상기 복소 채널 이득을 생성하기 위한 복수의 페이딩 필터들; 및 상기 페이딩 필터의 주파수 특성을 결정하는 페이딩 계수를 생성하기 위한 페이딩 계수 발생부를 포함한다. In this embodiment, the channel gain generator comprises: a random noise generator for generating random noises independent of each other in a frequency domain; A plurality of fading filters for providing a fading effect for each of the independent random noises to produce the complex channel gain in the frequency domain; And a fading coefficient generator for generating fading coefficients for determining frequency characteristics of the fading filter.
이 실시예에 있어서, 상기 랜덤 잡음 발생부는 각각 독립적으로 백색 가우시안 잡음을 생성하는 제 1 랜덤 잡음 발생부 및 제 2 랜덤 잡음 발생부를 포함한다. In this embodiment, the random noise generator includes a first random noise generator and a second random noise generator that independently generate white Gaussian noise.
이 실시예에 있어서, 상기 복수의 페이딩 필터들은 상기 제 1 랜덤 잡음 발 생부 및 제 2 랜덤 잡음 발생부 각각으로부터 출력되는 독립적인 백색 가우시안 잡음들을 상기 페이딩 계수에 따라 필터링한다.In this embodiment, the plurality of fading filters filter independent white Gaussian noises output from each of the first random noise generator and the second random noise generator according to the fading coefficient.
이 실시예에 있어서, 상기 복수의 페이딩 필터들로부터 출력되는 독립적인 채널 이득들을 직교화하여 상기 복소 채널 이득으로 제공하기 위한 다중화부를 포함한다.In this embodiment, a multiplexer for orthogonalizing the independent channel gains output from the plurality of fading filters and providing the complex channel gain is provided.
이 실시예에 있어서, 상기 페이딩 계수는 무선 수신체의 이동에 의해서 발생하는 최대 도플러 주파수 이하의 주파수 성분을 통과시키도록 설정된다.In this embodiment, the fading coefficient is set to pass a frequency component below the maximum Doppler frequency caused by the movement of the radio receiver.
이 실시예에 있어서, 상기 페이딩 필터의 샘플링 주파수는 상기 보간 인자의 크기에 반비례하도록 설정된다.In this embodiment, the sampling frequency of the fading filter is set to be inversely proportional to the magnitude of the interpolation factor.
이 실시예에 있어서, 상기 역이산 푸리에 변환부의 포인트(Point) 크기는 상기 보간 인자 크기에 따라 가변된다.In this embodiment, the point size of the inverse discrete Fourier transform is varied according to the interpolation factor size.
이 실시예에 있어서, 상기 역이산 푸리에 변환부는 변환된 상기 시간 영역의 복소 채널 이득을 저장하기 위한 메모리를 더 포함한다.In this embodiment, the inverse discrete Fourier transformer further includes a memory for storing the transformed complex channel gain of the time domain.
이상의 구성을 통한 본 발명에 따른 페이딩 채널 모델링 장치 및 채널 모델링 방법에 따르면, 시뮬레이션 이전에 채널 이득을 계산하고 시뮬레이션이 시작되면 생성된 채널 이득을 보간하여 제공할 수 있다. 따라서, 통신 시스템의 시뮬레이션 수행에 필요한 계산량을 대폭 감소시킬 수 있으며 결과적으로 시뮬레이션 속도를 향상시킬 수 있다. According to the fading channel modeling apparatus and the channel modeling method according to the present invention through the above configuration, it is possible to calculate the channel gain before the simulation and to provide the interpolated channel gain when the simulation starts. Therefore, it is possible to greatly reduce the amount of calculation required for the simulation of the communication system, and consequently to improve the simulation speed.
앞의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두 예시적이라는 것이 이해되어야 하며, 청구된 발명의 부가적인 설명이 제공되는 것으로 여겨져야 한다. 참조 부호들이 본 발명의 바람직한 실시 예들에 상세히 표시되어 있으며, 그것의 예들이 참조 도면들에 표시되어 있다. 가능한 어떤 경우에도, 동일한 참조 번호들이 동일한 또는 유사한 부분을 참조하기 위해서 설명 및 도면들에 사용된다. 이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary, and that additional explanations of the claimed invention are provided. Reference numerals are shown in detail in preferred embodiments of the invention, examples of which are shown in the reference figures. In any case, like reference numerals are used in the description and the drawings to refer to the same or like parts. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 페이딩 채널 모델링 장치(100)를 간략히 보여주는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 페이딩 채널 모델링 장치(100)는 통신 시스템의 시뮬레이션 준비 단계에서 복소 채널 이득 h(t)의 획득 연산을 수행하여 저장한다. 그리고 시뮬레이션 수행 단계에서 이미 생성된 복소 채널 이득 h(t)를 보간(Interpolation)하여 제공할 수 있다. 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다. 2 is a block diagram briefly showing a fading
제 1 랜덤 잡음 발생부(110) 및 제 2 랜덤 잡음 발생부(120)는 각각 독립적으로 백색 가우시안 잡음(White Gaussian Noise)을 생성한다. 백색 가우시안 잡음(White Gaussian Noise)은 모든 주파수 대역에 균일한 전력 스펙트럼 밀도를 갖는 잡음을 의미한다. 백색 가우시안 잡음은 정상적(Stationary)인 랜덤 과정(Random Process)으로 표현될 수 있으며, 시간과 무관한 평균 전력, 자기 상관(Auto Correlation) 함수를 갖는다. 물론, 채널의 모델링을 위해서 본 발명의 제 1 및 제 2 랜덤 잡음 발생부(110, 120)는 주파수 영역(Frequency domain)의 전력 스펙트럼 밀도(Power Spectral Density)와 확률적인 특징을 갖는 데이터를 생성하 게 될 것이다. 대부분의 무선 채널의 임펄스 응답(Impulse Response)은 상술한 백색 가우시안 잡음(White Gaussian Noise)을 고려하여 모델링 된다. The first
페이딩 계수 발생부(130)는 페이딩 필터들(140, 150)의 필터링 특성을 결정짓는 페이딩 계수(Fading Coefficient)를 생성한다. 특히, 본 발명의 페이딩 계수 발생부(130)는 제 1 랜덤 잡음 발생부(110) 및 제 2 랜덤 잡음 발생부(120)에서 생성되는 랜덤 가우시안 잡음에 대한 다중 경로 또는 이동 수신체의 영향에 의한 페이딩 효과를 제공하기 위한 페이딩 계수(Fading Coefficient) C(f)를 생성한다. 페이딩 계수 발생부(130)는 다양한 페이딩 효과를 제공하기 위하여 다양한 채널 특성에 대응하는 페이딩 계수를 발생한다. 페이딩 계수 발생부(130)는 주파수 영역에서 생성된 랜덤 잡음에 대한 페이딩 효과와 함께 이후에 수행되는 보간(Interpolation)을 위한 주파수를 고려해야 한다. 즉, 페이딩 계수 발생부(130)는 페이딩 효과 및 보간 인자(Interpolation factor)가 적용되는 스펙트럼 특성을 갖도록 페이딩 계수를 발생한다. The
페이딩 필터들(140, 150)은 상술한 페이딩 계수에 따라 랜덤 가우시안 잡음을 필터링한다. 페이딩 필터들(140, 150)은 제 1 랜덤 잡음 발생부(110) 및 제 2 랜덤 잡음 발생부(120) 각각으로부터 제공되는 랜덤 가우시안 잡음에 다중 경로 또는 수신체의 이동에 따른 페이딩 효과를 제공하기 위한 효과를 부과한다. 이러한 효과는 페이딩 계수 발생부(130)로부터 제공되는 페이딩 계수(Fading Coefficient)에 의한 필터링을 통해서 수행된다. 페이딩 필터들(140, 150)로부터 페이딩 효과가 부과된 랜덤 잡음들은 각각 직교 관계를 갖도록 복소화된다. 페이딩 필터(150)로부 터 생성되는 랜덤 잡음에는 페이딩 필터(140)에 대하여 90°위상을 갖도록 믹서(160)에 의해서 복소수 (-j)가 곱해진다. 시간 영역에서는 이러한 조작을 위해서 랜덤 잡음에 복소수 (j)가 곱해질 것이다. 이후, 직교 관계를 갖는 각 랜덤 잡음들은 덧셈기(170)에서 더해져 역이산 푸리에 변환부(180)에 제공된다. 여기서, 페이딩 필터들(140, 150)의 샘플링 주파수(fs)는 후술하게 되는 보간 블록(190)의 보간 인자(Interpolation Factor)를 고려하여 설정되어야 한다. 제 1 랜덤 잡음 발생부(110) 및 제 2 랜덤 잡음 발생부(120), 페이딩 계수 발생부(130), 페이딩 필터들(140, 150)과 다중화를 위해 삽입되는 곱셈기(160) 및 덧셈기(170)는 주파수 영역의 복소 채널 이득을 생성하기 위한 채널 이득 생성부로 통칭 가능하다. 그리고 각각의 페이딩 필터들(140, 150)로부터 출력되는 신호들을 다중화하여 복소 채널 이득으로 역이산 푸리에 변환부(180)로 제공하기 위한 곱셈기(160) 및 덧셈기(170)는 다중화부로 간략히 나타낼 수 있다. Fading filters 140 and 150 filter out random Gaussian noise according to the fading coefficients described above. The fading filters 140 and 150 may provide a fading effect according to the movement of a multipath or a receiver to random Gaussian noise provided from each of the first
역이산 푸리에 변환부(180)는 덧셈기(170)로부터 출력되는 주파수 영역의 필터링된 랜덤 잡음을 시간 영역의 신호로 전환한다. 역이산 푸리에 변환부(180)로부터 생성되는 복소 채널 이득은 메모리(미도시됨)에 저장된다. 여기서, 메모리는 역이산 푸리에 변환부(180)의 내부에 포함될 수 있다. 또는, 메모리(미도시됨)는 복소 채널 이득을 저장하기 위한 별도의 디바이스로 구성될 수 있다. 일반적으로 이산 푸리에 변환 및 역이산 푸리에 변환에는 반복 계산을 제거함으로써 고속으로 계산이 가능한 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT) 또는 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform: IFFT) 알고리즘이 사용된다. 그러나, 본 발 명의 역이산 푸리에 변환부(180)의 알고리즘은 여기에 국한되지는 않는다. 여기서, 시뮬레이션과 동시에 복소 채널 이득을 제공하는 경우에는 시뮬레이션 되는 신호 샘플들 각각에 대해서 복소 채널 이득 h(t)를 제공해야 한다. 그러나, 본 발명에서는 시뮬레이션 이전에 모든 복소 채널 이득을 계산하여 저장하고, 시뮬레이션이 진행되는 동안에는 이미 생성된 복소 채널 이득을 보간 블록을 통해서 확장하여 제공한다. 따라서, 역이산 푸리에 변환(Inverse Discrete Fourier Transform) 연산을 위해 본 발명의 역이산 푸리에 변환부(180)는 특별히 고성능의 알고리즘이나 연산 수단이 아니라도 무방하다. The inverse
보간 블록(190)은 메모리(미도시됨)에 저장된 시간 영역의 복소 채널 이득을 시뮬레이션 동작 동안에 제공한다. 보간(Interpolation)이란 샘플링된 시간 영역의 신호를 각 신호들 사이에 N개씩의 예측 신호를 삽입하여 표본화 주파수를 N배로 증가시키는 조작을 말한다. 본 발명의 보간 블록(190)은 통신 시스템의 시뮬레이션 동작의 진행에 동기하여 활성화된다. 보간 블록(190)은 이미 계산된 복소 채널 이득 h(t)에 대해서 상술한 방식의 보간 동작을 수행하여, 시뮬레이션 되는 신호의 샘플에 대한 채널 이득으로써 제공한다. 만일, 메모리(180)에 저장된 복소 채널 이득 h(t)이 10개인 경우, 보간을 통해서 10N배의 샘플링 주파수를 갖는 복소 채널 이득으로 변환된다. 그리고 보간된 복소 채널 이득은 시뮬레이션 되는 통신 시스템의 송신 신호의 샘플들 각각에 대하여 적용됨으로써, 페이딩 채널의 특성을 제공할 수 있다. 여기서 보간 블록(190)은 실수 및 허수 채널 이득들 각각에 대해서 수행되며, 보간된 각각의 채널 이득은 더해져서 복소 채널 이득 h(t)로 제공된다.
여기서, 상술한 제 1 및 제 2 랜덤 잡음 발생부(110, 120), 페이딩 필터들(140, 150) 및 역이산 푸리에 변환부(180)에 의한 시간 영역의 복소 채널 이득의 생성은 시뮬레이션에 필요한 모든 경우에 대해서 수행되어야 한다. 즉, 생성된 복소 채널 이득은 페이딩 채널에 대한 통계적 특성을 효과적으로 나타내야 하므로, 시뮬레이션 이전에 생성되는 복소 채널 이득의 용량의 방대함에 따라 메모리 요구량이 증가하게 된다. 이러한 문제를 본 발명에서는 보간 블록(190)의 제공을 통해서 해결하였다. 보간 기법을 이용하여 필요한 복소 채널 이득의 용량보다 적은 량의 데이터를 생성하여 메모리(미도시됨)에 저장할 수 있기 때문이다.Here, generation of the complex channel gain in the time domain by the first and second
또한, 상술한 방식에 따른 주파수 영역에서의 랜덤 잡음의 생성 및 페이딩 필터들(140, 150)에 의한 페이딩 효과의 삽입 및 역이산 푸리에 변환을 통한 복소 채널 이득의 생성 방법은 상술한 연산들이 선형적이라는 특성에 근거한다. 즉, 페이딩 필터링(Fading Filtering) 및 역이산 푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)에 따라 생성되는 신호의 통계적 특성이 주파수 영역으로부터 시간 영역으로 변환된 이후에도 변하지 않기 때문이다. In addition, the method of generating the complex channel gain through the generation of random noise in the frequency domain, the insertion of the fading effect by the fading
이상의 구성들을 통하여, 본 발명에 따른 페이딩 채널 모델링 장치(100)는 시뮬레이션 동작이 수행되기 이전에 복소 채널 이득을 계산하고, 계산된 복소 채널 이득은 메모리(미도시됨)에 저장된다. 그리고 시뮬레이션 동작시, 메모리(미도시됨)에 저장된 복소 채널 이득을 보간하여 시뮬레이션 동작을 위해 제공된다. 이러한 구성을 통하여 시뮬레이션 동작시 소요되는 계산의 양을 대폭 감소시킬 수 있다.Through the above configurations, the fading
도 3은 상술한 도 2의 페이딩 계수 발생부(130)에서 생성되는 페이딩 계수 C(f)의 주파수 스펙트럼을 간략히 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 랜덤 잡음을 주파수 영역에서 필터링하기 위한 대역별 가중치를 제공하기 위한 페이딩 계수 C(f)는 이동 수신체에 의한 페이딩 효과에 대응하는 파라미터를 갖는다. 그리고 페이딩 계수 C(f)는 보간을 고려한 페이딩 필터들(140, 150)의 샘플링 주파수(fs)를 포함한다. 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다. FIG. 3 is a diagram briefly showing a frequency spectrum of the fading coefficient C (f) generated by the fading
페이딩 계수 C(f)에 의해서 페이딩 필터들(140, 150)은 주파수의 크기에 따라 서로 다른 가중치를 가지고 입력되는 랜덤 가우시안 잡음을 필터링한다. 예를 들면, 페이딩 필터들(140, 150)은 도플러 효과(Doppler effect)에 의해서 발생하는 페이딩 효과를 제공하기 위하여 도플러 주파수에 대응하는 크기의 주파수만을 통과시키는 저역 통과 필터(Low pass filter)의 기능을 갖는다. 페이딩 계수 C(f)의 설정은 비단 페이딩 효과의 고려에만 그치지 않는다. 페이딩 계수 C(f)의 설정은 역이산 푸리에 변환(Inverse Discrete Fourier Transform)이나 보간(Interpolation) 연산을 고려해야 한다. By the fading coefficient C (f), the fading
먼저, 페이딩 효과를 제공하기 위한 페이딩 계수 C(f)의 조건을 살펴보자. 일반적으로 페이딩 효과는 다중 경로 또는 무선 수신체의 이동에 의해서 발생한다. 이러한 페이딩의 대표적인 효과로 도플러 효과를 들 수 있다. 도플러 효과를 통해 전송 신호에 미치는 주파수 변화는 아래의 수학식 2와 같다. First, look at the conditions of the fading coefficient C (f) to provide a fading effect. In general, fading effects are caused by the movement of a multipath or wireless receiver. A typical effect of such fading is the Doppler effect. The frequency change on the transmission signal through the Doppler effect is expressed by Equation 2 below.
fD , max : 최대 도플러 이동 주파수 f D , max : maximum Doppler shift frequency
fC : 반송 주파수f C Carrier frequency
c : 광속c: luminous flux
v : 이동 수신체의 속도v: speed of mobile receiver
상술한 수학식 1에서 볼 수 있듯이, 페이딩 효과는 반송파 주파수와 수신체의 이동 속도에 의해서 결정된다. 일반적으로, 반송파 주파수로 수백 MHz에서 수 GHz 대역을 사용하는 시스템에서 수신체의 이동 속도는 광속(c)에 비하여 극히 낮다. 그리고 수신체의 이동 속도는 광속에 비하여 무시할 정도로 낮다. 따라서, 페이딩 계수 C(f)는 매우 낮은 최대 도플러 이동 주파수(fD , max)를 갖게 될 것이다. 즉, 도플러 주파수만큼의 페이딩이 진행되는 랜덤 잡음만을 패스시키기 위해서는 최대 도플러 이동 주파수(fD , max)에 대응하는 랜덤 잡음만을 통과시키는 저역 통과 필터(Low Pass Filter)의 작용이 수행된다. 페이딩 계수 C(f)는 최대 도플러 이동 주파수를 컷오프 주파수로 갖는다. As shown in
다시 도 3을 참조하면, 페이딩 계수 C(f)의 스펙트럼은 랜덤 잡음에 페이딩 효과를 제공하기 위한 조작에 더하여 보간을 위한 페이딩 필터들(140, 150)의 샘플링 주파수에 대한 고려를 미리 해주어야 한다. 따라서, 역이산 푸리에 변환의 포인 트(Point)와 보간 블록(190)에 의해서 수행되는 보간 동작의 보간 인자(Interpolation)를 고려하여 페이딩 필터들(140, 150)의 샘플링 주파수가 설정된다. 이러한 설정은 아래의 수학식 3과 같다. Referring back to FIG. 3, the spectrum of the fading coefficient C (f) should be considered in advance for the sampling frequency of the fading
fs: 페이딩 필터의 샘플링 주파수fs : sampling frequency of the fading filter
Fs: 원래 신호의 샘플링 주파수 Fs: sampling frequency of the original signal
L : 보간 인자(Output rate/Input rate)L: Interpolation factor (Output rate / Input rate)
결국, 보간 인자(Interpolation factor)의 크기에 따라 페이딩 필터들(140, 150)의 샘플링 주파수(fs) 및 역이산 푸리에 변환부(180)의 포인트(Point) 설정이 변화된다.As a result, the sampling frequency fs of the fading
이상의 조건에 따라, 페이딩 계수 C(f)는 페이딩 필터들(140, 150)에 의해서 랜덤 잡음에 인가된다. 주파수 영역(Frequency domain)에서 필터링은 일반적으로 입력 신호와 임펄스 응답의 푸리에 변환된 신호들의 곱으로 표현될 수 있다. 따라서, 랜덤 잡음과 상술한 페이딩 계수 C(f)가 곱해짐으로써 필터링 연산이 이루어진다. 랜덤 잡음에 페이딩 계수 C(f)가 곱해짐으로써 페이딩 효과 및 보간을 고려한 페이딩 필터링이 완료된다. According to the above conditions, the fading coefficient C (f) is applied to the random noise by the fading
보간 인자의 크기에 따른 페이딩 필터들(140, 150)의 샘플링 주파수(fs) 설 정 및 역이산 푸리에 변환부(180)의 포인트 설정의 예를 간략히 설명하면 다음과 같다. 만일 통신 시스템의 시뮬레이션에 필요한 복소 채널 이득 h(t)의 데이터 량이 100만 샘플(Sample)이라고 가정하자. 이 경우, 보간없이 시뮬레이션과 동시에 복소 채널 이득을 제공하기 위해서는 100만 샘플들 각각을 매 송신 신호의 샘플들이 입력될 때마다 랜덤 잡음의 생성과 페이딩 필터링 동작이 실시되어야 한다. 그러나, 본 발명에 따르면, 시뮬레이션 동작 이전에 미리 (100만×1/L, L은 보간 인자)에 해당하는 크기의 복소 채널 이득을 랜덤 잡음의 생성, 페이딩 필터링, 역이산 푸리에 변환을 수행하여 생성하여 메모리에 저장한다. 그리고, 시뮬레이션이 시작되면, 이미 계산된 (100만×1/L) 크기의 복소 채널 이득을 보간 인자(L)의 크기로 보간 연산을 수행하여 제공할 수 있다. 따라서, 통신 시스템의 시뮬레이션이 시작되면 랜덤 잡음의 생성이나 페이딩 필터링 및 역이산 푸리에 연산과 같은 계산량이 큰 연산은 수행할 필요가 없다. An example of the sampling frequency (fs) setting of the fading
도 4는 상술한 방식의 채널 모델링 방법을 간략히 보여주는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 주파수 영역에서 생성되는 랜덤 잡음과 페이딩 효과 및 보간 인자(Interpolation Factor)를 고려한 페이딩 계수를 곱하여 역이산 푸리에 변환을 수행함으로써 시간 영역의 복소 채널 이득이 생성된다. 그러나, 이러한 복소 채널 이득은 메모리(미도시됨)에 저장되고 통신 시스템의 시뮬레이션 시에는 보간에 의해서 지속적으로 제공될 수 있다. 이하에서는 이러한 동작을 도 2 및 도 3에 의거하여 설명하기로 한다.4 is a flowchart briefly illustrating a channel modeling method in the above-described manner. Referring to FIG. 4, a complex channel gain of a time domain is generated by performing an inverse discrete Fourier transform by multiplying a random noise generated in a frequency domain by a fading coefficient considering a fading effect and an interpolation factor. However, such complex channel gains may be stored in memory (not shown) and continuously provided by interpolation in the simulation of the communication system. Hereinafter, this operation will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
무선 통신 시스템의 시뮬레이션에 앞서 본 발명에 따른 별도의 채널 모델링 동작이 시작되면, 페이딩 필터에 인가되는 페이딩 계수와 랜덤 가우시안 잡음이 생성된다. 여기서, 페이딩 계수 C(f) 및 랜덤 잡음은 주파수 영역에서 생성된다. 따라서, 랜덤 잡음은 제반 주파수 범위에서 일정한 전력 스펙트럼 밀도를 가지도록 생성될 것이다. 그리고 랜덤 잡음은 각각 독립적인 2개의 랜덤 잡음 발생부(110, 120)를 통해서 생성되어야 할 것이다. 각각 독립적인 랜덤 잡음을 통해서 생성되는 채널 이득을 결합하여 실수부와 허수부를 포함하는 복소 채널 이득을 도출할 수 있기 때문이다. 페이딩 계수 C(f)는 상술한 도 3에서 도시된 주파수 특성을 갖도록 설정될 것이다. 즉, 랜덤 잡음은 페이딩 효과 및 이후의 시뮬레이션 동작의 수행시에 실시되는 보간 블록의 보간 인자를 고려하여 생성된다(S10). When the separate channel modeling operation according to the present invention is started prior to the simulation of the wireless communication system, fading coefficients and random Gaussian noise applied to the fading filter are generated. Here, fading coefficient C (f) and random noise are generated in the frequency domain. Thus, random noise will be generated to have a constant power spectral density over the entire frequency range. The random noise may be generated through two independent
랜덤 잡음과 페이딩 계수 C(f)의 생성이 완료되면, 페이딩 필터들(140, 150)에 의해서 필터링 처리된다. 페이딩 필터(140, 150)의 샘플링 주파수(fs)는 보간 블록(190)의 보간 인자(Interpolation Factor)를 고려하여 결정된다. 보간 인자(Interpolation Factor)는 보간 블록의 입력 데이터의 길이에 대한 출력 데이터의 길이를 의미한다(S20).When generation of the random noise and fading coefficient C (f) is completed, the filtering is performed by the fading
독립적으로 페이딩 필터들(140, 150)에 의해서 필터링된 랜덤 잡음들 각각은 직교성을 갖도록 복소 랜덤 잡음으로 더해진다. 그리고, 더해진 복소 랜덤 잡음은 역이산 푸리에 변환부(180)에 의해서 시간 영역 데이터로 변환된다. 역이산 푸리에 변환된 시간 영역의 복소 랜덤 잡음은 이후에 복소 채널 이득으로써 메모리에 저장된다(S30). Each of the random noises independently filtered by the fading
무선 통신 시스템의 시뮬레이션이 진행되는 시점에, 메모리(미도시됨)에 저 장된 복소 채널 이득은 보간 블록(190)에 의해서 시뮬레이션에 소요되는 충분한 채널 이득으로 확장되어 제공된다. 통신 시스템의 시뮬레이션 동작 동안, 보간 블록(190)은 상술한 보간 인자(Interpolation factor: L)에 해당되는 출력 길이로 복소 채널 이득 h(t)를 확장하여 제공한다. 따라서, 시뮬레이션 동작이 실시되는 시점에서는 복소 채널 이득 h(t)의 생성과 역이산 푸리에 변환에 대한 연산은 수행될 필요가 없다. 단지, 이미 생성되어 저장된 적은 크기의 복소 채널 이득 h(t)를 보간 인자(L)의 길이만큼 샘플링 주파수를 증가시켜 제공한다. 결국, 시뮬레이션에 소요되는 계산량을 감소시킬 수 있으며, 절감된 자원을 시뮬레이션 동작에 할애하는 경우에는 고속의 시뮬레이션이 가능하다(S40).At the time of simulation of the wireless communication system, the complex channel gain stored in the memory (not shown) is extended by the
이상의 본 발명에 따른 페이딩 채널 모델에 따르면, 백색 가우시안 잡음의 생성에서부터 역이산 푸리에 변환까지의 과정은 시뮬레이션 이전에 1회 이루어지고 생성된 복소 채널 이득은 메모리에 저장된다. 그리고 실제 시뮬레이션이 수행되는 동안에는 메모리에 저장된 복소 채널 이득에 대한 보간 동작만을 수행하여 시뮬레이션에 사용되는 복소 채널 이득을 생성한다. 따라서, 시뮬레이션 동작 동안의 전체 시뮬레이션 시스템의 계산량을 감소시켜 시뮬레이션의 속도를 향상시킬 수 있다. According to the fading channel model according to the present invention, the process from the generation of the white Gaussian noise to the inverse discrete Fourier transform is performed once before the simulation and the generated complex channel gain is stored in the memory. While the actual simulation is performed, only the interpolation operation on the complex channel gain stored in the memory is performed to generate the complex channel gain used for the simulation. Thus, it is possible to improve the speed of the simulation by reducing the calculation amount of the entire simulation system during the simulation operation.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be defined by the equivalents of the claims of the present invention as well as the following claims.
도 1은 통신 시스템의 채널 모델을 간략히 보여주는 블록도;1 is a block diagram schematically illustrating a channel model of a communication system;
도 2는 본 발명에 따른 페이딩 채널 모델링 장치를 보여주는 블록도;2 is a block diagram showing an apparatus for fading channel modeling according to the present invention;
도 3은 페이딩 계수의 주파수 특성을 간략히 보여주는 도면; 및3 shows a simplified representation of the frequency characteristics of fading coefficients; And
도 4는 본 발명의 채널 모델링 방법을 간략히 설명하는 흐름도.4 is a flow chart briefly describing a channel modeling method of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10 : 채널 임펄스 응답 20, 170 : 덧셈기10:
100 : 페이딩 채널 모델링 장치100: fading channel modeling device
110, 120 : 제 1 및 제 2 랜덤 잡음 발생부110 and 120: first and second random noise generator
130 : 페이딩 계수 발생부 140, 150 : 페이딩 필터130: fading
160 : 곱셈기 180 : 역이산 푸리에 변환부(IDFT) 160: multiplier 180: inverse discrete Fourier transform unit (IDFT)
190 : 보간 블록190: interpolation block
Claims (15)
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Citations (3)
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JP2005303476A (en) | 2004-04-07 | 2005-10-27 | Panasonic Mobile Communications Co Ltd | Fading simulator |
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한국통신학회논문지 99-8 Vol.24 No.8A |
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