KR100941107B1 - A method of channel estimation for orthogonal frequency division mutiplexing system and apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM) 시스템에서의 채널추정방법에 관한 것이다. The present invention relates to a channel estimation method in an orthogonal frequency division multiplexing OFDM system.
본 발명에 따른 직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM) 시스템에서의 채널추정방법은 수신되는 파일롯 신호에 기초하여, 채널의 상태 정보를 추정하는 단계, 추정된 채널의 상태 정보에 기초하여, 수신된 반송 주파수 신호에서의 데이터 신호에 대한 심볼오류확률(Symbol Error Probability; SER)을 추정하는 단계, 데이터 신호 중 추정된 심볼오류확률에 대하여 배반인 심볼복호확률을 갖는 기준 데이터신호를 추정하는 단계 및 파일롯 신호 및 기준 데이터 신호에 기초하여, 채널을 추정하는 단계를 포함한다.In the Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM system according to the present invention, a channel estimation method includes estimating channel state information based on a received pilot signal, and receiving channel state information based on estimated channel state information. Estimating a Symbol Error Probability (SER) for the data signal in the received carrier frequency signal, estimating a reference data signal having a symbol decoding probability that is doubled with respect to the estimated symbol error probability among the data signals; Estimating a channel based on the pilot signal and the reference data signal.
본 발명의 직교주파수분할다중화 시스템에서의 채널추정방법에 따르면, 최소평균자승오차 추정법을 이용하는 직교주파수분할다중화 시스템의 채널추정 성능을 향상 시킬 수 있다.According to the channel estimation method in the orthogonal frequency division multiplexing system of the present invention, the channel estimation performance of the orthogonal frequency division multiplexing system using the least mean square error estimation method can be improved.
직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM), 채널추정, 추정오류, 심볼오류확률(Symbol Error Probability; SER), 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio; SNR) Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM, Channel Estimation, Estimation Error, Symbol Error Probability (SER), Signal to Noise Ratio (SNR)
Description
본 발명은 직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM) 시스템에서의 채널 추정방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 최소 평균 자승 오차(Minimum Mean Square Error: MMSE) 추정법을 이용한 직교주파수분할다중화 시스템에서의 채널추정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a channel estimation method in an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. More specifically, the present invention relates to a channel estimation method in an orthogonal frequency division multiplexing system using a minimum mean square error (MMSE) estimation method.
직교주파수분할다중화 시스템은 직렬 형태로 입력되는 데이터 열을 소정의 블록 단위의 병렬 데이터로 변환한 후, 병렬화된 심볼들을 서로 직교인 상이한 반송 주파수로 다중화하여, 광대역 전송을 다수의 협대역 병렬 전송으로 전송하는 통신 시스템이다. 이러한 직교주파수분할다중화 시스템은 무선 통신 환경에서 다중 경로 페이딩(Fading)에 강하며, 높은 데이터 전송률을 갖는다.The orthogonal frequency division multiplexing system converts a data sequence input in serial form into parallel data of a predetermined block unit, and then multiplexes the parallelized symbols to different carrier frequencies orthogonal to each other, thereby converting broadband transmission into multiple narrowband parallel transmissions. It is a communication system to transmit. The orthogonal frequency division multiplexing system is resistant to multipath fading in a wireless communication environment and has a high data rate.
직교주파수분할다중화 시스템에는 채널에 의해서 신호가 왜곡되는 것을 보상해주는 단일 탭 등화기(Equalizer) 형태의 채널 추정(Channel Estimation) 및 채널 보상(Channel Compensation)장치 또는 그 추정 및 보상방법이 필요하다. 이에 따라, 직교주파수분할다중화 시스템의 채널추정기법으로 많은 방식이 제안되었다. 일 반적으로 채널추정방법은 파일롯(Pilot) 신호 기반의 채널추정방법(Pilot-symbol-aided channel estimation) 및 결정지향 채널추정방법으로 크게 분류할 수 있다. 파일롯 신호 기반의 채널추정방법은 채널의 상태 정보(Channel State Information)를 추정하고자 데이터의 중간에 주기적으로 파일롯 신호이라는 송수신측에서 서로 약속된 신호를 보내어 채널을 추정하는 방법이다. 이러한 방법은 많은 수의 파일롯 신호(또는 심볼)을 사용할수록 채널 상태 정보를 더욱 정확하게 추정 할 수 있다. 그러나, 파일롯 신호의 수를 증가시킬수록 전송되는 데이터의 양이 감소되며, 이에 따라 대역 효율을 저하시키게 된다. 결정지향 채널추정방법은 파일롯 신호뿐만 아니라, 데이터 신호를 같이 이용하여 채널을 추정하는 방법이다. 이러한 방법은 낮은 신뢰도를 갖는 데이터 신호가 선택되어 파일롯 신호와 함께 채널추정에 사용될 경우, 오히려 채널성능을 저하시키게 된다.An orthogonal frequency division multiplexing system requires a channel estimating and channel compensating apparatus or a method of estimating and compensating a single tap equalizer in the form of a single tap equalizer. Accordingly, many methods have been proposed as channel estimation techniques of an orthogonal frequency division multiplexing system. Generally, channel estimation methods can be broadly classified into pilot-symbol-aided channel estimation and decision-oriented channel estimation. The channel estimation method based on the pilot signal is a method of estimating a channel by periodically sending signals promised to each other from a transmitting and receiving side called a pilot signal in the middle of data to estimate channel state information. This method can more accurately estimate the channel state information by using a larger number of pilot signals (or symbols). However, as the number of pilot signals increases, the amount of data transmitted decreases, thereby degrading band efficiency. The decision-oriented channel estimation method is a method of estimating a channel using not only a pilot signal but also a data signal. In this method, when a data signal having a low reliability is selected and used for channel estimation with a pilot signal, the channel performance is deteriorated.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 직교주파수분할다중화 시스템에서 효율적이고, 성능이 향상된 채널추정방법 및 그 추정장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide an efficient and improved channel estimation method and apparatus for estimating an orthogonal frequency division multiplexing system.
본 발명에 따른 직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM) 시스템에서의 채널추정방법은 수신되는 파일롯 신호에 기초하여, 채널의 상태 정보를 추정하는 단계, 추정된 채널의 상태 정보에 기초하여, 수신된 반송 주파수 신호에서의 데이터 신호에 대한 심볼오류확률(Symbol Error Probability; SER)을 추정하는 단계, 데이터 신호 중 추정된 심볼오류확률에 대하여 배반인 심볼복호확률을 갖는 기준 데이터신호를 추정하는 단계 및 파일롯 신호 및 기준 데이터 신호에 기초하여, 채널을 추정하는 단계를 포함한다.In the Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM system according to the present invention, a channel estimation method includes estimating channel state information based on a received pilot signal, and receiving channel state information based on estimated channel state information. Estimating a Symbol Error Probability (SER) for the data signal in the received carrier frequency signal, estimating a reference data signal having a symbol decoding probability that is doubled with respect to the estimated symbol error probability among the data signals; Estimating a channel based on the pilot signal and the reference data signal.
채널의 상태 정보는 채널 주파수 응답을 포함하는 것이 바람직하다.The state information of the channel preferably includes the channel frequency response.
심볼오류확률의 추정단계는,The estimation step of the symbol error probability is
추정된 채널의 상태 정보를 이용하여, 반송 주파수 신호의 유효 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio; SNR)를 추정하는 단계 및 추정된 유효 신호대잡음비를 이용하여, 데이터 신호에 대한 심볼오류확률을 추정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.Estimating a Signal to Noise Ratio (SNR) of the carrier frequency signal using the estimated channel state information and estimating a symbol error probability for the data signal using the estimated effective signal to noise ratio (SNR). It is preferable to include.
기준 데이터 신호의 추정단계는,The estimating step of the reference data signal is
심볼복호확률을 갖는 데이터 신호의 개수를 추정하는 단계 및 심볼복호확률이 가장 높은 순서부터 추정된 데이터 신호의 개수만큼 기준 데이터 신호를 선택하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.Preferably, the method includes estimating the number of data signals having a symbol decoding probability and selecting the reference data signal by the number of estimated data signals starting from the highest symbol decoding probability.
채널 상태 정보 및 채널 추정은 최소 평균 자승 오차(Minimum Mean Square Error: MMSE) 추정법을 이용하여 추정되는 것이 바람직하다.The channel state information and the channel estimation are preferably estimated using a minimum mean square error (MMSE) estimation method.
본 발명에 따른 직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM) 시스템에서의 채널추정장치는 수신되는 파일롯 신호에 기초하여, 채널의 상태 정보를 추정하는 제1 채널추정부, 추정된 채널의 상태 정보에 기초하여, 수신된 반송 주파수 신호에서의 데이터 신호에 대한 심볼오류확률(Symbol Error Probability; SER)을 추정하는 심볼오류확률 추정부, 데이터 신호 중 추정된 심볼오류확률에 대하여 배반인 심볼복호확률을 갖는 기준 데이터신호를 추정하는 데이터 신호 추정부 및 파일롯 신호 및 기준 데이터 신호에 기초하여, 채널을 추정하는 제2 채널추정부를 포함한다.A channel estimating apparatus in an orthogonal frequency division multiplexing OFDM system according to the present invention is based on a first channel estimator for estimating channel state information based on a received pilot signal, and estimated channel state information. A symbol error probability estimator for estimating a symbol error probability (SER) for a data signal in a received carrier frequency signal and having a symbol decoding probability that is doubled with respect to an estimated symbol error probability among the data signals And a second channel estimator for estimating a channel based on the data signal estimator for estimating the reference data signal and the pilot signal and the reference data signal.
채널의 상태 정보는 채널 주파수 응답을 포함하는 것이 바람직하다.The state information of the channel preferably includes the channel frequency response.
심볼오류확률 추정부는 추정된 채널의 상태 정보를 이용하여, 반송 주파수 신호의 유효 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio; SNR)를 추정하고, 추정된 유효 신호대잡음비를 이용하여, 데이터 신호에 대한 심볼오류의 확률을 추정하는 것이 바람직하다.The symbol error probability estimation unit estimates the effective signal-to-noise ratio (SNR) of the carrier frequency signal using the estimated channel state information, and uses the estimated effective signal-to-noise ratio to determine the symbol error of the data signal. It is desirable to estimate the probability.
데이터 신호 추정부는,The data signal estimator,
심볼복호확률을 갖는 데이터 신호의 개수를 추정하는 데이터 추정부 및 심볼복호확률이 가장 높은 순서부터 추정된 데이터 신호의 개수만큼 기준 데이터 신호를 선택하는 데이터 신호 선택부를 포함하는 것이 바람직하다.A data estimating unit for estimating the number of data signals having a symbol decoding probability and a data signal selecting unit for selecting the reference data signal as many as the estimated number of data signals starting from the highest symbol decoding probability are included.
채널 상태 정보 및 채널 추정은 최소 평균 자승 오차(Minimum Mean Square Error: MMSE) 추정법을 이용하여 추정되는 것이 바람직하다.The channel state information and the channel estimation are preferably estimated using a minimum mean square error (MMSE) estimation method.
본 발명의 직교주파수분할다중화 시스템에서의 채널추정방법에 따르면, 최소평균자승오차 추정법을 이용하는 직교주파수분할다중화 시스템의 채널추정 성능이 향상시키는 효과가 있다.According to the channel estimation method in the orthogonal frequency division multiplexing system of the present invention, the channel estimation performance of the orthogonal frequency division multiplexing system using the least mean square error estimation method is improved.
도1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수분할다중화 시스템에서의 채 널추정방법을 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a channel estimation method in an orthogonal frequency division multiplexing system according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시 예에서는 직교 위상 편이 변조(Quadrature Phase Shift Keying: QPSK)방식을 적용하고, 총 N개의 반송 주파수 신호를 사용하는 기저대역 이산시간(Baseband Discrete Time) 직교주파수분할다중화 시스템을 전제로 한다.According to an embodiment of the present invention, a quadrature phase shift keying (QPSK) scheme is applied and a baseband discrete time orthogonal frequency division multiplexing system using a total of N carrier frequency signals. do.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM) 시스템에서의 채널추정방법은 수신되는 파일롯 신호에 기초하여, 채널의 상태 정보를 추정하는 단계, 추정된 채널의 상태 정보에 기초하여, 수신된 반송 주파수 신호에서의 데이터 신호에 대한 심볼오류확률(Symbol Error Probability; SER)을 추정하는 단계, 데이터 신호 중 추정된 심볼오류확률에 대하여 배반인 심볼복호확률을 갖는 기준 데이터신호를 추정하는 단계 및 파일롯 신호 및 기준 데이터 신호에 기초하여, 채널을 추정하는 단계를 포함한다.Referring to FIG. 1, a channel estimation method in an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system according to an embodiment of the present invention may include estimating and estimating channel state information based on a received pilot signal. Estimating a symbol error probability (SER) for the data signal in the received carrier frequency signal based on the state information of the received channel, and symbol decoding probability that is betrayed to the estimated symbol error probability in the data signal. Estimating a reference data signal having a signal and estimating a channel based on the pilot signal and the reference data signal.
먼저, 수신되는 반송 주파수 신호에 포함된 파일롯(Pilot)신호를 이용하여, 채널의 상태 정보를 추정하는 단계(100)에 대하여 설명한다. 하나의 직교주파수분할다중화 심볼 구간 동안 채널이 변하지 않는다고 가정 할 경우, L개의 다중경로를 갖는 시간영역에서의 채널 임펄스 응답(Channel Impulse Response)을 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.First, a
수학식 1에서 는 전치 행렬 연산을 나타내고, 는 h가 평균이 0이고, 분산이 인 가우시안 확률 벡터(Gaussian random vector)임을 의미한다. 수학식 1과 같이 시간영역에서의 채널 임펄스 응답을 주파수 영역으로 변환하면 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In Equation 1 Represents a transpose matrix operation, H is 0 and the variance It means that is a Gaussian random vector. As shown in Equation 1, when the channel impulse response in the time domain is converted into the frequency domain, it can be expressed as the following equation.
수학식 2에서 채널 주파수 응답()은 m=0,1,2,...,N-1 및 n=0,1,2,...,L-1에 대하여 행렬 G의 (m,n)째 원소 과 같은 관계를 갖는다. 수학식 2에서 나타낸 채널의 주파수 응답을 이용하여 송수신단 간의 신호관계를 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In Equation 2, the channel frequency response ( ) Is the (m, n) th element of the matrix G for m = 0,1,2, ..., N-1 and n = 0,1,2, ..., L-1 Has the same relationship as By using the frequency response of the channel shown in Equation 2, the signal relationship between the transmitter and the receiver can be expressed as the following equation.
수학식 3에서 y는 수신 반송 주파수 신호 벡터, 는 채널의 주파수 응답()의 원소로 이루어진 대각 행렬(Diagonal matrix)을 의미한다. 는 송신 반송 주파수 신호 벡터, n은 인 잡음성분을 의미하는 벡터이다. 수학식 3과 같이 나타낸 송,수신단 간의 신호관계로부터 수신되는 파일롯 신호에 대하여 정리하면 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In equation 3 y is Receive carrier frequency signal vector, Is the frequency response of the channel ( Means a diagonal matrix of elements. Is Transmit carrier frequency signal vector, n is A vector representing the noise component. The pilot signal received from the signal relationship between the transmitter and receiver represented by Equation 3 can be summarized as follows.
수학식 4에서 , 및 는 각각 파일롯 신호를 포함하는 채널 주파수 응답(), 송신 반송 주파수 신호() 및 잡음성분()을 나타낸다. 여기서, 수학식 2에 근거하여, 수신된 반송 주파수 신호를 정리하면 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In equation (4) , And Is a channel frequency response (each containing a pilot signal) ), The transmit carrier frequency signal ( ) And noise component ( ). Here, based on Equation 2, the received carrier frequency signal can be summarized as shown in the following equation.
수학식 5에서 는 파일롯 신호에 해당하는 행렬을 의미한다. 따라서, 수신된 파일롯 신호에 기초하여, 베이시안(Bayesian) 최소 평균 자승 오차 추정법을 이용하면 시간영역에서 얻어진 채널은 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In equation (5) Corresponds to the pilot signal It means a matrix. Therefore, based on the received pilot signal, when the Bayesian least mean square error estimation method is used, a channel obtained in the time domain may be represented by the following equation.
수학식 6에서 는 시간영역에서 추정된 채널 응답, 는 시간영역에서의 채널응답을 의미한다. 또한, 는 시간영역에서 채널응답 및 추정된 채널 응답 간의 오차 (즉, 시간영역에서의 채널추정오차)를 의미한다. 추정된 채널응답을 주파수 영역으로 변환하면 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In equation (6) Is the channel response estimated in the time domain, Denotes the channel response in the time domain. Also, Denotes an error (ie, channel estimation error in the time domain) between the channel response and the estimated channel response in the time domain. When the estimated channel response is converted into the frequency domain, it can be expressed as the following equation.
수학식 7과 같이 나타내어진 주파수 영역에서의 채널응답()은 주파수 영역에서 추정된 채널의 상태 정보를 의미한다. 또한, 의 째 원소 는 평균이 0이고 분산이 의 대각 합으로 (trace) 표현되는 가우시안 확률 변수이다.Channel response in the frequency domain represented by equation (7) ) Denotes state information of the channel estimated in the frequency domain. Also, of Element Is 0 and the variance is Gaussian random variable that is expressed as the diagonal sum of.
추정된 채널 상태 정보()에 이용하여 수신된 반송 주파수 신호로부터 유효 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio; SNR)를 추정(110)한다. 먼저, 채널 정보 상태()를 이용하여, 송신된 k(k=0,1,2,...,N-1)번째 반송 주파수 신호의 채널영향을 보상하면, 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.Estimated channel state information (
수학식 8에서 는 송신 반송 주파수 신호 벡터, 는 벡터의 k번째 원소를 의미한다. 또한, 는 수신단에서의 유효잡음을 의미한다. 추정된 채널 정보 상 태()를 바탕으로 유효잡음()의 분산을 연산하면 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In equation (8) The transmit carrier frequency signal vector, Is The k th element of the vector. Also, Means effective noise at the receiving end. Estimated Channel Information Status ( Based on) The variance of) can be expressed as
수학식 9에서 얻어진 유효잡음의 분산 값( )값으로부터 수신단에서 겪는 유효 신호대잡음비를 추정(110)한다. 여기서, 유효 신호대잡음비는 채널 추정 오차()까지 고려한 신호대잡음비를 의미한다. 추정된 유효 신호대잡음비는 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.The variance value of the effective noise obtained from Equation 9
추정된 유효 신호대잡음비()는 k번째 반송 주파수 신호에서의 데이터 신호에 대한 심볼오류의 확률을 추정(120)하기 위해 이용된다. 추정된 심볼오류확률(Symbol Error Probability; SER)은 Q-function을 이용하여 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.Estimated effective signal to noise ratio ( ) Is used to estimate 120 the probability of a symbol error for a data signal in a k th carrier frequency signal. The estimated symbol error probability (SER) can be expressed by the following equation using a Q-function.
수학식 11에서 는 반송 주파수 신호에서의 데이터 신호에 대한 심볼오류확률을 의미한다. In equation (11) Denotes a symbol error probability for a data signal in a carrier frequency signal.
이후, 추정된 심볼오류확률()을 이용하여, 기준데이터 신호를 선택(140)한다. 기준 데이터 신호를 추정하기 위해서는 파일롯 신호로서 사용될 수 있는 데이터 신호를 추정해야 한다. 또한, 이러한 데이터 신호를 추정하기 위해서는 파일롯 신호로서 사용될 수 있는 데이터 신호의 개수(130)를 추정해야 한다. k번째 반송 주파수 신호에서의 데이터 신호에 오류가 발생할 확률은 앞서 추정된 심볼오류확률()이며, 데이터 신호에 오류가 발생하지 않을 확률(즉, 수신 측에서 데이터 신호가 올바르게 검파될 확률)은 심볼오류확률()에 대하여 배반인 확률관계를 갖는 심볼복호확률()로 나타낼 수 있다. 따라서, 수신된 반송 주파수 신호 중 모든 데이터 신호에 대하여 심볼복호확률()을 갖는 데이터 신호의 개수를 추정한다. 따라서 심볼복호확률()을 이용하여 추정된 데이터 신호의 개수는 다음 수식에 따라 추정될 수 있다.Then, the estimated symbol error probability ( ), A reference data signal is selected (140). In order to estimate the reference data signal, a data signal that can be used as a pilot signal must be estimated. In addition, in order to estimate such a data signal, it is necessary to estimate the number of data signals 130 that can be used as pilot signals. The probability that an error occurs in the data signal at the k th carrier frequency signal is based on the symbol error probability ), And the probability that an error does not occur in the data signal (that is, the probability that the data signal is correctly detected at the receiving end) is the symbol error probability ( Symbol Decoding Probability with Probability ) Therefore, the symbol decoding probability (for all data signals among the received carrier frequency signals) Estimate the number of data signals with Therefore, symbol decoding probability ( The number of estimated data signals can be estimated according to the following equation.
수학식 12에서 는 데이터 반송파의 인덱스(index)로 이루어진 집합을 의미한다. 추정된 데이터 신호의 개수는 정수 값을 가져야 하기 때문에, 추정된 값에 가장 가까운 정수를 판별하여 선택한다. 이에 따라, 파일롯 신호와 함께 채널 추정에 사용될 데이터 신호의 개수를 추정(140)한 후, 추정된 심볼오류확률()이 낮은 순서부터 추정된 데이터 신호의 개수만큼 데이터 신호를 기준데이터 신호로서 선택(140)한다.In equation (12) Means a set of indices of data carriers. Since the number of estimated data signals must have an integer value, the integer closest to the estimated value is determined and selected. Accordingly, after estimating 140 the number of data signals to be used for channel estimation together with the pilot signal, the estimated symbol error probability ( The data signal is selected as the reference data signal 140 by the number of estimated data signals starting from the lower order.
이후, 파일롯 신호와 선택된 기준 데이터 신호를 이용하여, 채널을 추정(140)한다. 여기서, 채널은 최소 평균 자승 오차(Minimum Mean Square Error: MMSE) 추정법을 이용하여 추정 할 수 있다. Thereafter, the channel is estimated 140 using the pilot signal and the selected reference data signal. Here, the channel may be estimated by using a minimum mean square error (MMSE) estimation method.
도2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수분할다중화 시스템에서의 채널추정장치를 나타낸 도면이다.2 is a diagram illustrating a channel estimating apparatus in an orthogonal frequency division multiplexing system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수분할다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM) 시스템에서의 채널추정장치(200)는 수신되는 파일롯 신호에 기초하여, 채널의 상태 정보를 추정하는 제1 채널추정부(210), 추정된 채널의 상태 정보에 기초하여, 수신된 반송 주파수 신호에서의 데이터 신호에 대한 심볼오류확률(Symbol Error Probability; SER)을 추정하는 심볼오류확률 추정부(220), 데이터 신호 중 추정된 심볼오류확률에 대하여 배반인 심볼복호확률을 갖는 기준 데이터신호를 추정하는 데이터 신호 추정부(230) 및 파일롯 신호 및 기준 데이터 신호에 기초하여, 채널을 추정하는 제2 채널추정부(240)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the
먼저, 수신되는 반송 주파수 신호(201)에 포함된 파일롯 신호(203)를 이용하여, 채널의 상태 정보를 추정하는 제1 채널추정부(210)에 대하여 설명한다. 하나의 직교주파수분할다중화 심볼 구간 동안 채널이 변하지 않는다고 가정 할 경우, L개의 다중경로를 갖는 시간영역에서의 채널 임펄스 응답(Channel Impulse Response)을 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.First, the
수학식 13에서 는 전치 행렬 연산을 나타내고, 는 h가 평균이 0이고, 분산이 인 가우시안 확률 벡터(Gaussian random vector)임을 의미한다. 수학식 13과 같이 시간영역에서의 채널 임펄스 응답을 주파수 영역으로 변환하면 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In equation (13) Represents a transpose matrix operation, H is 0 and the variance It means that is a Gaussian random vector. As shown in Equation 13, when the channel impulse response in the time domain is converted into the frequency domain, it can be expressed as the following equation.
수학식 14에서 채널 주파수 응답()은 m=0,1,2,...,N-1 및 n=0,1,2,...,L-1에 대하여 행렬 G의 (m,n)째 원소 과 같은 관계를 갖는다. 수학식 13에서 나타낸 채널의 주파수 응답을 이용하여 송수신단 간의 신호관계를 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In Equation 14, the channel frequency response ( ) Is the (m, n) th element of the matrix G for m = 0,1,2, ..., N-1 and n = 0,1,2, ..., L-1 Has the same relationship as By using the frequency response of the channel shown in Equation 13, the signal relationship between the transmitter and the receiver can be expressed as follows.
수학식 15에서 y는 수신 반송 주파수 신호 벡터, 는 채널의 주파수 응답()의 원소로 이루어진 대각 행렬(Diagonal matrix)을 의미한다. 는 송신 반송 주파수 신호 벡터, n은 인 잡음성분을 의미하는 벡터이다. 수학식 15과 같이 나타낸 송수신단 간의 신호관계로부터 수신되는 파일롯 신호에 대하여 정리하면 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In equation (15) y is Receive carrier frequency signal vector, Is the frequency response of the channel ( Means a diagonal matrix of elements. Is Transmit carrier frequency signal vector, n is A vector representing the noise component. The pilot signal received from the signal relationship between the transmitter and the receiver represented by
수학식 16에서 , 및 는 각각 파일롯 신호를 포함하는 채널 주파수 응답(), 송신 반송 주파수 신호() 및 잡음성분()을 나타낸다. 여기서, 수학식 14에 근거하여, 수신된 반송 주파수 신호를 정리하면 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In equation (16) , And Is a channel frequency response (each containing a pilot signal) ), The transmit carrier frequency signal ( ) And noise component ( ). Here, based on Equation 14, the received carrier frequency signal can be summarized as shown in the following equation.
수학식 17에서 는 파일롯 신호에 해당하는 행렬을 의미한다. 따라서, 수신된 파일롯 신호에 기초하여, 베이시안(Bayesian) 최소 평균 자승 오차 추정법을 이용하면 시간영역에서 얻어진 채널은 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In equation (17) Corresponds to the pilot signal It means a matrix. Therefore, based on the received pilot signal, when the Bayesian least mean square error estimation method is used, a channel obtained in the time domain may be represented by the following equation.
수학식 18에서 는 시간영역에서 추정된 채널 응답, 는 시간영역에서의 채널응답을 의미한다. 또한, 는 시간영역에서 채널응답 및 추정된 채널 응답 간의 오차(즉, 시간영역에서의 채널추정오차)를 의미한다. 추정된 채널응답을 주파수 영역으로 변환하면 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In equation (18) Is the channel response estimated in the time domain, Denotes the channel response in the time domain. Also, Denotes an error (ie, channel estimation error in the time domain) between the channel response and the estimated channel response in the time domain. When the estimated channel response is converted into the frequency domain, it can be expressed as the following equation.
수학식 19와 같이 나타내어진 주파수 영역에서의 채널응답()은 주파수 영역에서 추정된 채널의 상태 정보를 의미한다. 또한, 의 째 원소 는 평균이 0이고 분산이 의 대각 합으로 (trace) 표현되는 가우시안 확률 변수이다. 따라서, 제1 채널추정부(210)는 수신되는 반송 주파수 신호(201)에서의 파일롯 신호(203)만을 이용하여, 채널 주파수 응답을 포함하는 채널 상태 정보()(213)를 추정한다.The channel response in the frequency domain represented by equation (19) ) Denotes state information of the channel estimated in the frequency domain. Also, of Element Is 0 and the variance is Gaussian random variable that is expressed as the diagonal sum of. Accordingly, the
심볼오류확률 추정부(220)는 수신되는 반송 주파수 신호(201)에서 데이터 신호(205)에 대한 심볼오류확률 추정한다.The symbol error
먼저, 제1 채널추정부(210)으로부터 추정된 채널 상태 정보()(213)를 이용하여 수신된 반송 주파수 신호(201)로부터 유효 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio; SNR)를 추정한다. 먼저, 채널 정보 상태()를 이용하여, 송신 측에서부터 송신된 k(k=0,1,2,...,N-1)번째 반송 주파수 신호의 채널영향을 보상하면, 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.First, the channel state information estimated from the first channel estimation unit 210 ( 213 is used to estimate an effective signal to noise ratio (SNR) from the received
수학식 20에서 는 송신 반송 주파수 신호 벡터, 는 벡터의 k번째 원소를 의미한다. 또한, 는 수신단에서의 유효잡음을 의미한다. 추정된 채널 정보 상태()를 바탕으로 유효잡음()의 분산을 연산하면 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.In
유효잡음의 분산 값( )값으로부터 수신단에서 겪는 유효 신호대잡음비를 추정한다. 여기서, 유효 신호대잡음비는 채널 추정 오차()까지 고려한 신호대잡음비를 의미한다. 추정된 유효 신호대잡음비는 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.Variance of effective noise ( Estimate the effective signal-to-noise ratio experienced by the receiver. Here, the effective signal to noise ratio is a channel estimation error ( Means signal to noise ratio. The estimated effective signal to noise ratio can be expressed by the following equation.
추정된 유효 신호대잡음비()는 k번째 반송 주파수 신호(201)에서의 데이터 신호(205)에 대한 심볼오류의 확률을 추정하기 위해 이용된다. 추정된 심볼오류확률(Symbol Error Probability; SER)(223)은 Q-function을 이용하여 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다.Estimated effective signal to noise ratio ( ) Is used to estimate the probability of symbol error for the data signal 205 in the k th
수학식 23에서 는 반송 주파수 신호에서의 데이터 신호(205)에 대한 심볼오류확률(223)을 의미한다.In equation (23) Denotes a
데이터 신호 추정부(230)는 심볼오류확률 추정부(220)로부터 심볼오류확률(223)을 입력받아, 데이터 신호(205) 중 파일롯 신호로서 채널 추정에 사용될 수 있는 기준 데이터 신호(239)를 선택한다. The data signal
먼저, 데이터 추정부(233)는 파일롯 신호로서 사용될 수 있는 데이터 신호의 개수를 추정한다. k번째 반송 주파수 신호에서의 데이터 신호(205)에 오류가 발생할 확률은 앞서 추정된 심볼오류확률()(223)이며, 데이터 신호(205)에 오류가 발생하지 않을 확률(즉, 수신 측에서 데이터 신호(205)가 올바르게 검파될 확률)은 심볼오류확률()(223)에 대하여 배반인 확률관계를 갖는 심볼복호확률()로 나타낼 수 있다. 따라서, 수신된 반송 주파수 신호(201) 중 모든 데이터 신호(205)에 대하여 심볼복호확률()을 이용하여, 파일롯 신호로서 사용될 수 있는 데이터 신호(205)의 개수(235)를 추정한다. 데이터 신호(235)의 개수는 다음 수식에 따라 추정될 수 있다.First, the
수학식 24에서 는 추정된 기준 데이터 신호(203)의 개수를 의미한다. 수학식 24에서 는 데이터 반송파의 인덱스(index)로 이루어진 집합을 의미한다. 추정된 데이터 신호의 개수(235)는 정수 값을 가져야 하기 때문에, 추정된 값에 가장 가까운 정수를 판별하여 선택한다. 이에 따라, 파일롯 신호(203)와 함께 채널 추정에 사용될 데이터 신호의 개수를 추정한 후, 데이터 신호의 개수에 대한 신호가 데이터 신호 선택부(237)로 입력된다.In equation (24) Denotes the estimated number of reference data signals 203. In equation (24) Means a set of indices of data carriers. Since the estimated number of data signals 235 should have an integer value, an integer closest to the estimated value is determined and selected. Accordingly, after estimating the number of data signals to be used for channel estimation together with the
데이터 신호 선택부(237)는 심볼복호확률()이 높은 순서(또는 심볼오류확률()이 낮은 순서)부터 추정된 개수(235)만큼 데이터 신호를 기준데이터 신호(239)로서 선택한다.The data signal
제2 채널추정부(240)는 파일롯 신호(203) 및 데이터 신호 추정부(230)로부터 선택된 기준 데이터 신호(239)를 기반으로 채널을 추정한다. 여기서, 제2 채널추정부(240)는 최소 평균 자승 오차(Minimum Mean Square Error: MMSE) 추정법을 이용하여 채널 추정을 수행할 수 있다. The
도3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수분할다중화 시스템에서의 채널추정에 사용되는 기준데이터 신호 및 파일롯 신호를 신호대잡음비에 따라 나타낸 그래프이다.3 is a graph illustrating reference data signals and pilot signals used for channel estimation in an orthogonal frequency division multiplexing system according to an embodiment of the present invention according to a signal-to-noise ratio.
도3을 참조하면, 그래프의 세로 축은 채널 추정에 사용된 신호들의 개수를 나타낸 것이고, 가로 축은 신호대잡음비를 나타낸 것이다. 도3에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수분할다중화 시스템에서의 채널추정에 사용된 파일롯 신호 및 기준 데이터 신호의 개수(300)가 파일롯 신호 및 실제 수신 측에서 올바르게 검파된 데이터 신호의 개수(310)와 거의 일치함을 알 수 있다. 도3에서 신호대잡음비(비트 당 심볼오류확률)이 증가 할수록 더욱 일치함을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, the vertical axis of the graph represents the number of signals used for channel estimation, and the horizontal axis represents the signal-to-noise ratio. As shown in FIG. 3, the number of pilot signals and reference data signals 300 used for channel estimation in an orthogonal frequency division multiplexing system according to an embodiment of the present invention is correctly detected at the pilot signal and the actual receiver. It can be seen that the number nearly coincides with the
도4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수분할다중화 시스템에서의 채널추정성능을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing channel estimation performance in an orthogonal frequency division multiplexing system according to an embodiment of the present invention.
도4를 참조하면, 그래프의 세로 축은 평균자승오차를 나타낸 것이고, 가로 축은 신호대잡음비를 나타낸 것이다. 여기서, 평균자승오차는 채널추정에 사용된 신호들의 오차 제곱에 평균을 의미하는 것으로서, 수치가 낮을수록 채널추정의 성능이 높다는 것을 의미한다. 도4에서 도시된 바와 같이, 채널추정에 있어서, 파일롯 신호만을 사용한 경우(410), 기준데이터 신호 및 파일롯 신호를 사용한 경우(420) 및 실제 올바르게 검파된 데이터 신호와 파일롯 신호를 사용한 경우(430)를 비교하면, 신호대잡음비가 증가함에 따라 실제 올바르게 검파된 데이터 신호와 파일롯 신호를 사용한 경우(430)와 본 발명의 일 실시 예에 따른 방법에 의한 경우(420)의 평균자승오차 값이 거의 일치함을 알 수 있다. 4, the vertical axis of the graph shows the mean square error, and the horizontal axis shows the signal-to-noise ratio. Here, the mean squared error means an average of error squares of the signals used in the channel estimation, and the lower the numerical value, the higher the performance of the channel estimation. As shown in FIG. 4, in the channel estimation, only the pilot signal is used (410), the reference data signal and the pilot signal are used (420), and the actual correctly detected data signal and the pilot signal are used (430). In comparison, the mean square error values of the data signal and the pilot signal detected correctly as the signal-to-noise ratio is increased (430) and the method (420) by the method according to an embodiment of the present invention are substantially the same. It can be seen.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수분할다중화 시스템에서의 채널추정방법 및 그 장치에 따르면, 기존에 파일롯 신호만을 사용한 채널추정방법에 비해 보다 많은 양의 정보를 채널 추정에 이용할 수 있기 때문에 평균자승오차 성능이 향상되는 효과가 있다. 이에 따라, 최소평균자승오차 추정법을 이용하는 직교주파수분할다중화 시스템의 채널추정 성능을 향상 시킬 수 있다.Therefore, according to the channel estimation method and apparatus in the orthogonal frequency division multiplexing system according to an embodiment of the present invention, since a larger amount of information can be used for channel estimation than the conventional channel estimation method using only pilot signals. The mean square error performance is improved. Accordingly, the channel estimation performance of an orthogonal frequency division multiplexing system using the least mean square error estimation method can be improved.
이상에서 보는 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As described above, those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. Therefore, the above-described embodiments are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive, and the scope of the present invention is indicated by the appended claims rather than the foregoing description, and the meaning and scope of the claims and All changes or modifications derived from the equivalent concept should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
도1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수분할다중화 시스템에서의 채널추정방법을 나타낸 도면.1 is a diagram illustrating a channel estimation method in an orthogonal frequency division multiplexing system according to an embodiment of the present invention.
도2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직교주파수분할다중화 시스템에서의 채널추정장치를 나타낸 도면.2 is a diagram illustrating a channel estimating apparatus in an orthogonal frequency division multiplexing system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파일롯 신호 및 기준데이터 신호를 나타낸 그래프.3 is a graph showing a pilot signal and a reference data signal according to an embodiment of the present invention.
도4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 채널추정성능을 나타낸 그래프.4 is a graph showing channel estimation performance according to an embodiment of the present invention.
******** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **************** Explanation of symbols for the main parts of the drawing ********
220: 심볼오류확률 추정부220: symbol error probability estimation unit
233: 데이터 추정부233: data estimator
235: 기준 데이터 신호 추정부235: reference data signal estimator
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