KR101056276B1 - 협력 ｓｔｂｃ－ｏｆｄｍ 시스템을 위한 반복적 ｉｃｉ 제거 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 협력 STBC-OFDM 시스템을 위한 반복적 ICI 제거 방법에 관한 것으로, 초기 추정 및 간섭 제거 전에 수신 신호 전력에 따른 우선권을 부여하고, 부여된 우선권에 따라 부반송파 단위로 상기 추정 및 반복적 간섭 제거 이후에 STBC 복호를 수행함으로서 낮은 복잡도의 연산 추가만으로도 효과적으로 수신기의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 반복적 ICI 제거 방법에 관한 것이다.

Description

협력 ＳＴＢＣ－ＯＦＤＭ 시스템을 위한 반복적 ＩＣＩ 제거 방법{METHOD FOR ITERATIVELY CANCELLING ICI FOR COOPERATIVE STBC-OFDM SYSTEM}

본 발명은 협력 STBC-OFDM 시스템을 위한 반복적 ICI 제거 방법에 관한 것으로, 초기 추정 및 간섭 제거 전에 수신 신호 전력에 따른 우선권을 부여하고, 부여된 우선권에 따라 부반송파 단위로 상기 추정 및 반복적 간섭 제거 이후에 STBC 복호를 수행함으로서 낮은 복잡도의 연산 추가만으로도 효과적으로 수신기의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 반복적 ICI 제거 방법에 관한 것이다.

정보 통신 분야의 흐름과 다양한 문화 콘텐츠 서비스에 대한 수요가 증가함에 따라 ITU-R (International Telecommunication Union-Radiocommunication Sector)에서는 3세대 이후의 차세대 이동통신 시스템인 IMT-Advanced (International Mobile Telecommunication)의 표준화 작업을 진행하고 있으며 IMT-Advanced는 정지 및 저속 이동 상태에서 1 Gbps, 고속 이동상태에서 100 Mbps의 데이터 전송률을 목표로 한다. 또한, 현재 3GPP (3rd Generation Partnership Project)는 IMT-advanced의 요구 사항을 충족시키기 위한 시스템 표준으로 2005년부터 표준화 작업이 진행되고 있는 OFDMA/SC-FDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access/Single Carrier-Frequency Division Multiple Access) 전송 방식 기반인 LTE (Long Term Evolution) 시스템을 개선한 LTE-Advanced를 준비하고 있다. LTE-Advanced는 최대 하향 1 Gbps, 상향 500 Mbps의 데이터 전송률을 목표로 하고 있어서, 고속 테이터 전송을 위한 기술이 더욱더 필요하다.

공간 다이버시티(Spatial diversity)는 송수신단의 다수개의 안테나를 이용하여 링크의 신뢰도와 스펙트럼 효율성의 측면에서 많은 이득을 얻을 수 있는 방법이다. 그러나, 송수신단에 다수개의 안테나를 이용하는 다중 안테나 기법은 많은 연구에도 불구하고 안테나의 크기 및 안테나간 간섭 등의 문제로 인해 그 구현이 어려운 상황이다. 이러한 이유로 최근에 들어서는 동일한 셀 내에서 하나의 안테나를 갖는 단말간 협력 (cooperative system)을 통해 다중 안테나 기법의 장점을 취할 수 있는 협력 통신 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

또한, 시공간 부호화 (STBC: Space-Time Block Coding)는 기본적으로 주파수 플랫 페이딩 채널(frequency flat fading channel)을 가정하기 때문에, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식과 함께 사용될 경우 주파수 선택적 채널(frequency selective channel)은 다수개의 주파수 플랫 채널(frequency flat channel)로 근사화 될 수 있으며 이를 통한 자원의 효율적인 사용이 가능해진다.

협력 STBC-OFDM에서는 공간적으로 분리된 두 개의 송신기를 사용하기 때문에 서로 다른 오실레이터를 통해 전송되는 송신 신호의 중심 주파수들이 정확히 일치하기는 매우 어려우며, 따라서 송신 신호들과 수신기 간의 다수개의 주파수 옵셋 (CFO: Carrier Frequency Offset)이 존재하게 된다.

OFDM 시스템에서 주파수 옵셋은 수신 신호의 위상 회전뿐만 아니라 수신기 FFT(Fast Fourier Transform) 이후 진폭 왜곡과 ICI(Inter Channel Interference)를 유발하여 시스템 성능 열화의 주요한 원인이 된다. 일반적으로 OFDM 시스템의 주파수 동기는 대략적 주파수 동기와 미세 주파수 동기로 나뉘어져 수행되며, 미세 주파수 동기를 통해 추정된 주파수 옵셋은 수신기 FFT 이전에 보상된다. 하지만 협력 STBC-OFDM 시스템의 경우, 서로 다른 경로를 통해 송신된 신호가 하나의 안테나를 통해 수신되기 때문에 수신기에서 각 경로의 주파수 옵셋을 정확히 추정한 경우에도 주파수 옵셋의 보상 기준이 불명확해지며 수신기에는 항상 잔류 주파수 옵셋이 존재하게 된다. 따라서 협력 STBC-OFDM 시스템에서의 ICI 제거 과정은 필수적이다.

협력 STBC-OFDM 시스템에서 ICI 제거를 위한 방식으로는 전체 ICI 행렬의 역행렬을 통해 ICI를 제거하는 zero-forcing 기법, 전체 역행렬 연산을 대각 성분을 포함하는 부분 행렬의 역행렬 연산으로 근사화 하는 희소행렬분해(sparse matrix decomposition)를 이용하는 방법, 수신 신호의 추정과 추정된 신호를 바탕으로 수신 신호로부터 ICI를 제거하고 재 추정하는 반복적 ICI 제거 기법이 있다. Zero forcing 방식의 경우 역행렬 연산의 부담으로 인해 구현이 어려우며, 희소행렬분해를 이용하는 방식의 경우 FFT 크기가 증가할수록, 주파수 옵셋의 크기가 커질수록 연산의 복잡도가 증가한다는 단점이 존재하기 때문에 최근에는 반복적 ICI 제거 방식에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

반복적 ICI 제거 기법이 zero forcing 기법이나, 희소행렬분해를 이용하는 방식에 비해 적은 복잡도로 효과적으로 ICI를 제거할 수 있으나, 역시 주파수 옵셋의 크기가 증가할수록, 데이터 변조 차수가 증가할수록 성능이 열화되는 단점이 존재한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하고자 하는 것으로서, 협력 STBC-OFDM 시스템에서의 ICI 제거 방법으로서, 초기 추정 및 간섭 제거 과정에서의 우선권을 부여함으로써 초기 추정의 정확도를 향상시켜 반복 연산 과정에서의 성능 향상을 얻도록 하는 개선된 반복적 ICI 제거 방법을 제시하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하고자, 협력 STBC-OFDM 시스템에서의 반복적 ICI 제거 방법으로서, 수신 신호에 대한 초기 추정 이전에, 수신 신호 전력에 따른 우선 순위를 정하는 단계; 및 상기 우선 순위에 따라 초기 추정 및 추정된 결과를 이용한 ICI 제거 과정을 반복하는 단계를 포함하는 협력 STBC-OFDM 시스템에서의 반복적 ICI 제거 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 우선 순위는 수신 신호 전력의 크기에 비례하도록 구성되어, 수신 신호 전력이 높을 수록 우선 순위가 앞서도록 구성될 수 있다.

또한, 바람직하게는, 수신 신호에 대한 초기 추정 및 ICI 제거는 OFDM 심볼 내의 부반송파 단위로 수행되도록 구성될 수 있다.

또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 협력 STBC-OFDM 시스템에서의 반복적 ICI 제거 방법은, 상기 ICI 제거 과정이 부반송파의 수만큼 반복되어 수행된 이후에, STBC 복호를 수행하는 단계를 더 포함하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법에 의하면, 초기 추정 및 간섭 제거 전에 수신 신호 전력에 따른 우선권을 부여함으로써, 종래의 반복적 ICI 제거 방법에 비해 낮은 복잡도의 연산 추가만으로도 효과적으로 수신기의 성능을 향상시킬 수 있다.

이하에서는, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 협력 STBC-OFDM 시스템 시나리오를 나타낸 것이다. 기지국(11)과 릴레이(12)는 사전에 송신 데이터에 대한 정보를 알고 있다고 가정하며, 송신 데이터는 두 심볼 단위로 변조된다. 두 심볼 구간 동안의 채널을 준-정지(quasi-static) 상태

로 가정하면, 두 심볼 구간 동안 수신된 신호는 수학식 1과 같이 표현된다.

수학식 1에서

은 심볼구간 0과 1동안 수신된 신호를 나타내며,

는 메시지 심볼,

은 j번째 링크 채널의 주파수 응답(CFR: Channel Frequency Response)을 의미하며,

는 AWGN(Additive White Gaussian Noise)을 의미한다.

두 심볼 구간 동안 수신된 신호로부터 얻는 메시지 신호

와

의 복조 과정은 수학식 2와 같다.

도 2는 일반적인 OFDM 시스템과 협력 STBC-OFDM 시스템의 BER 성능을 나타낸 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 협력 STBC-OFDM 시스템은 다이버시티(diversity) 이득을 얻을 수 있기 때문에 일반적인 OFDM 시스템보다 우수한 성능을 얻을 수 있다.

협력 STBC-OFDM 시스템에서는 공간적으로 분리된 두 개의 송신기를 사용하기 때문에 서로 다른 오실레이터를 통해 전송되는 송신 신호의 중심 주파수들이 정확히 일치하기는 매우 어려우며, 따라서 송신 신호들과 수신기 간의 다수개의 주파수 옵셋이 존재하게 된다. 일반적으로 OFDM 시스템에서의 주파수 옵셋은 수신기 FFT를 통한 복조 과정에서 부반송파간 직교성의 파괴로 인한 수신 신호의 위상 회전과 진폭 왜곡, 그리고 인접 부반송파간 간섭을 유발한다. 특히, OFDM 시스템은 전송 대역에 비해 부반송파 간의 간격이 상대적으로 매우 작기 때문에 작은 주파수 옵셋에 대해서도 단일 반송파 시스템에 비해 상당히 민감한 성능 열화가 발생한다.

협력 STBC-OFDM 시스템에서 수신된 신호가 다수의 주파수 옵셋을 포함하는 경우, 수신기에서 각 경로의 주파수 옵셋을 정확히 추정한 경우에도 수신기 FFT 이전에 주파수 옵셋으로 인한 위상 회전을 보상해주는 일반적인 OFDM 시스템의 주파수 옵셋 보상 방식으로는 성능 열화를 극복할 수 없으며, 따라서 잔류 주파수 옵셋에 의해 발생하는 ICI로 인한 성능 열화가 존재하게 된다. 다수의 주파수 옵셋으로 인한 성능 열화를 극복하기 위하여, 하향링크의 프리앰블이나 파일럿을 사용하여 수신단에서 각 경로의 주파수 옵셋을 추정한 후 상향 링크를 통해 기지국과 릴레이로의 피드백을 이용하여 사전에 주파수 옵셋을 보상할 수 있으나, 피드백을 위한 오버헤드가 발생하기 때문에 수신단에서 주파수 옵셋을 보상하는 것이 일반적이다.

일반적인 OFDM 시스템에서 부반송파 인덱스를 k라 할 때, 정규화된 주파수 옵셋 ε이 발생한 경우의 수신단 FFT 이후 주파수 영역의 수신 신호

는 수학식 3과 같이 표현된다.

여기서, 정규화된 주파수 옵셋 ε는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있으며, 부반송파 간 간격에 대한 실제 주파수 옵셋의 비율을 의미한다.

여기서,

는 발생한 실제 주파수 옵셋,

는 부반송파간 간격,

는 시스템 전체 대역폭, N 은 FFT 크기, 그리고

는 시간영역의 샘플 간격을 의미한다.

수학식 3에 나타난 바와 같이, 주파수 옵셋의 영향은 크게 두 개의 항으로 표현된다. 우변의 첫 번째 항인

는 주파수 옵셋에 의해 발생한 수신 신호의 진폭 왜곡 및 위상 회전을 의미하며, 두 번째 항인

는 주파수 옵셋으로 인해 발생한 ICI로 k 번째 해당 부반송파를 제외한 모든 부반송파의 간섭의 합으로 표현된다. 수학식 3에서 보듯이, 정규화된 주파수 옵셋 ε이 커질수록 해당 부반송파의 신호 전력은 감소하는 반면, ICI의 양을 의미하는 두 번째 항이 증가함을 확인할 수 있다.

협력 STBC-OFDM 시스템에서 각 링크간 주파수 옵셋이 존재하는 경우, 두 심볼 구간 동안 수신된 신호는 수학식 3을 이용하여 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.

도 3은 협력 STBC-OFDM 시스템에서 잔류 주파수 옵셋으로 인해 발생하는 ICI에 의한 수신기 성능 열화를 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 수신기에서 채널 및 주파수 옵셋으로 인한 위상 회전을 이상적으로 알고 있다고 가정한 경우에도 잔류 주파수 옵셋으로 인해 발생하는 ICI에 의해 시스템의 성능이 심각하게 열화되는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 성능 열화를 방지하기 위해 협력 STBC-OFDM 시스템에서 ICI 제거 과정은 필수적이다.

수학식 5의 두 심볼 단위의 수신 신호를 행렬(matrix)로 표현하면 수학식 6과 같다.

여기서, 행렬 A, B, C, D는 N×N 크기의 서브 행렬(sub-matrix)로 수학식 7과 같은 값을 갖는다.

협력 STBC-OFDM 시스템에서 ICI 제거를 위한 방법으로는, 전체 ICI 행렬의 역행렬을 통해 ICI를 제거하는 zero-forcing 기법, 전체 역행렬 연산을 대각 성분을 포함하는 부분 행렬의 역행렬 연산으로 근사화하는 희소행렬분해를 이용하는 방법, 수신 신호의 추정과 추정된 신호를 바탕으로 수신 신호로부터 ICI를 제거하고 재 추정하는 반복적 ICI 제거 방법이 있다.

Zero-forcing 기법의 경우 ICI 행렬의 역행렬을 수신 신호에 곱함으로써 ICI 를 제거할 수 있지만, 크기의 역행렬 연산과정이 필요하기 때문에, 구현상 복잡도가 크다는 단점이 존재한다. 또한, 희소행렬분해를 이용하는 방법은 ICI 행렬의 주요 전력 분포가 대각 위치에 집중되어있다는 점을 이용하여 전체 역행렬 연산을 대각 성분을 포함한 부분 행렬의 역행렬 연산으로 변환하여 연산량을 감소시키는 방식으로 zero forcing 기법에 비해서는 효율적으로 복잡도를 개선할 수 있으나, 주파수 옵셋의 양 또는 FFT 크기가 증가할수록 ICI 제거에 필요한 탭(tap) 수가 증가한다는 단점이 존재한다.

한편, 반복적 ICI 제거 방법은 전체 ICI 행렬을 고려하여 반복적으로 ICI를 제거함으로써 큰 주파수 옵셋이 발생하는 경우에도 희소행렬분해를 이용한 방법에 비해 적은 연산량을 통해 효과적으로 수신 신호의 왜곡을 보상할 수 있는 방식이다. 반복적 ICI 제거 방법은 초기에 ICI 성분을 무시하고 대각 성분들만의 역행렬 연산을 통해서 초기 수신 신호 값을 추정하고, 추정된 수신 신호 값을 비대각행렬(off-diagonal matrix)과의 연산을 통해서 주파수 옵셋으로 인해 발생하는 ICI 성분을 추정하고 추정된 ICI를 수신신호에서 제거하는 과정을 반복적인 연산을 통해서 수행한다. 반복적 ICI 제거 방법에서 수신 신호는 수학식 8과 같이 표현된다.

여기서,

은 수학식 9와 같은 값을 갖는다.

따라서, 반복적 ICI 제거 방법에서 r 번째 반복 연산을 통해 복조된 신호는 수학식 10과 같이 표현된다.

이와 같이, 반복적 ICI 제거 방법은 다른 방식들에 비해 적은 연산량을 가지고 효과적으로 ICI 제거가 가능한 방식이나, 초기 추정 오류로 인한 성능 열화가 발생하는 단점이 존재하며, 이러한 성능 열화는 주파수 옵셋의 크기가 클수록, 변조 차수가 높을수록 증가하게 된다.

도 4는 정규화된 잔류 주파수 옵셋 ±0.1, ±0.2가 존재하는 경우에 있어서 반복적 ICI 제거 방법의 uncoded BER 성능을 나타낸 것이다. 도 4(a)의 정규화된 잔류 주파수 옵셋이 ±0.1 인 경우에는 1번의 반복 연산 만으로도 zero-forcing 기법과 유사한 ICI 제거 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있으나, 도 4(b)의 정규화된 잔류 주파수 옵셋이 ±0.2인 경우에는 zero-forcing 기법과 유사한 성능을 얻기 위한 반복 연산의 횟수가 크게 증가함을 확인할 수 있다. 이는 반복적 알고리즘의 특성상 반복 연산에 따른 ICI 제거 효과가 초기 추정 오차에 의존적이기 때문이며, 이로부터 초기 추정의 정확도를 향상시킴으로써 ICI 제거 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

수학식 5로부터 m 번째 수신 심볼의 k 번째 부반송파는 수학식 11과 같이 표현된다.

수학식 11에 나타낸 바와 같이, 수신 신호의 k 번째 부반송파는 주파수 옵셋으로 인한 진폭 왜곡과 채널의 주파수 응답, 그리고 메시지 신호의 곱으로 표현되는 첫 번째와 두 번째 항의 합과 k 번째 부반송파를 제외한 인접 부반송파의 간섭으로 표현된다. 따라서, 잡음의 영향을 무시하는 경우, 초기 추정 오차는 첫 번째와 두 번째 항을 합한 원하는 신호와 세 번째 항인 ICI의 비율(SIR: Signal to Interference power Ratio)에 의존적인 것을 알 수 있다. 또한, k 번째 부반송파의 SIR은 주파수 옵셋의 크기, 채널의 주파수 응답, 메시지 신호의 변조 차수에 의존적이다. 따라서, 주파수 옵셋이 클수록, 채널의 주파수 선택도(frequency selectivity)가 클수록, 메시지 신호의 변조 차수가 높을수록 SIR이 낮은 부반송파 위치에서의 초기 추정 오차가 발생할 확률이 증가하게 된다.

도 5는 주파수 선택적 페이딩 채널(frequency selective fading channel)의 예를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 딥 페이딩(deep fading)인 부반송파 구간은 상대적으로 전력이 높은 주변 부반송파로의 간섭의 영향을 많이 받기 때문에 낮은 SIR로 인해 상대적으로 초기 추정 오차가 발생할 확률이 높게 되며, 이러한 초기 추정 오차는 종래의 반복적 ICI 제거 방법의 성능 열화 원인이 된다.

도 6은 정규화된 주파수 옵셋이 ±0.1, ±0.2인 경우 종래 반복적 ICI 제거 방법의 각 부반송파의 수신 신호 전력에 따른 초기 추정 오차율을 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 수신 신호 전력이 작은 부반송파 위치에서의 초기 추정 오차가 상대적으로 수신 신호 전력이 높은 부반송파 위치에서의 초기 추정 오차율보다 높은 것을 확인할 수 있으며, 정규화된 잔류 주파수 옵셋의 크기가 클수록 초기 추정 오차율이 높은 것을 확인 할 수 있다. 또한, 도 6(a)의 QPSK와 비교하였을 때, 도 6(b)의 16-QAM인 경우에 초기 추정 오차율이 높은 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 종래 반복적 ICI 제거 방법의 초기 추정 오류에 의한 성능 열화를 개선시키고자 하는 것으로서, 수신 신호에 대한 초기 추정 이전에, 수신 신호 전력에 따른 우선 순위를 정하며, 수신 신호 전력이 높은 부반송파 위치에서부터 수신 신호 전력이 낮은 부반송파 위치로 초기 추정 및 추정된 결과를 이용한 ICI 제거 과정을 반복하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 ICI 제거 방식은 상대적으로 초기 추정 오차가 낮은 부반송파 위치, 즉 수신 신호 전력이 높은 부반송파 위치에 우선권을 부여함으로써 종래의 반복적 ICI 제거 기법에 비해 초기 추정 오차가 높은 부반송파 위치, 즉 수신 신호 전력이 낮은 부반송파 위치에서도 정확한 초기 추정이 가능하다는 특징을 갖는다. 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법은 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

로 수신 부반송파 전력에 따른 p[n] 번째 부반송파의 우선순위이다.

도 7(a)는 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 블록이 포함된 협력 STBC-OFDM 시스템을 위한 수신기 블록도이다. 도시된 바와 같이, 수신기 안테나를 통해 수신된 신호는 ADC와 AGC(710)를 거쳐, 초기 셀 탐색(initial cell search)(720), 시간 동기(timing synchronization)(730)와 주파수 동기(frequency synchronization)(740)가 수행되며, 반복적 ICI 제거 블록(760)은 주파수 동기(740)와 채널 동기(750)로부터 각각 주파수 옵셋과 채널 주파수 응답 신호를 입력 받아 수신 신호의 ICI를 제거함과 동시에 채널 등화를 수행한 후, 디코더(decoder)(770)로 신호를 인가한다.

도 7(b)는 종래의 반복적 ICI 제거 방법과 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법을 비교하여 나타낸 것이다.

종래의 반복적 ICI 제거 방법은 OFDM 한 심볼 단위로 매 반복 연산을 수행하며, 수학식 10에 나타낸 바와 같이 최초 수행시(r=0 인 경우)에 간섭 성분이 포함된 수신 신호로부터 송신 신호를 추정하고(761), 초기 추정된 송신 신호로부터 ICI를 추정하여 이를 수신신호에서 제거한 뒤(762), STBC 복호 과정(763)을 통해 송신 신호를 복호하고, 이를 반복 연산한다.

이에 반해, 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 알고리즘은 수학식 12에 나타낸 바와 같다. 즉, 초기 추정 및 간섭 제거 과정이 미리 결정된 우선순위에 따라 OFDM 심볼 내의 부반송파 단위로 수행된다. 다시 말해, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 알고리즘은 초기 추정 이전에 부반송파 단위로 수신 신호의 전력에 따른 초기 추정 및 간섭 제거의 우선 순위를 결정하며(764), 결정된 우선 순위에 따라 송신 심볼의 추정(765) 및 간섭 제거(766) 과정을 부반송파 수 만큼 반복 연산한다.

이로써, 초기 추정 및 간섭 제거 과정이 심볼 단위로 수행되기 때문에 초기 추정 및 간섭 제거의 오차가 크게 발생하는 종래의 반복적 ICI 제거 방법에 비하여, 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법은 수신 부반송파 신호의 전력 비교를 통한 SIR 측정과 우선 순위에 따른 초기 추정 및 간섭 제거 연산을 반복적으로 수행함으로써 초기 추정 및 간섭 제거 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있게 되며, 이러한 초기 추정 및 간섭 제거 성능 향상을 통해 반복적인 ICI 제거 과정에서의 성능 향상을 얻을 수 있다.

도 8은 정규화된 주파수 옵셋이 ±0.2인 경우, 종래의 반복적 ICI 제거 방법 과 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법에 따른 각 부반송파의 수신 신호 전력에 따른 초기 추정 오차율을 나타낸 것으로서, 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법이 보다 효과적으로 초기 추정 오차를 개선할 수 있음을 도 8로부터 확인할 수 있다. 또한, 도 8(a)의 QPSK 성능과 도 8(b)의 16-QAM 성능을 비교시, 변조 차수가 높아질수록 수신 신호의 분산이 커지기 때문에 종래 방법에 비해 본 발명에 따른 방법이 초기 추정의 정확도를 효과적으로 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

표 1은 협력 STBC-OFDM 시스템을 위한 ICI 제거 기법들의 복잡도를 비교한 것이다.

<협력 STBC-OFDM 시스템에서 ICI 제거 기법들의 복잡도 비교>

Zero-forcing 기법의 경우 전체 2N×2N 크기의 역행렬 연산이 필요하기 때문에 복잡도는

에 비례하며, 희소행렬분해를 이용한 간섭 제거 방법의 경우는 부분 행렬의 수

와 부분 행렬의 역행렬 연산

의 곱에 복잡도가 비례한다. 또한, 종래의 반복적 ICI 제거 방법의 경우 초기 추정을 위한 연산

와 반복적 ICI 제거에 필요한 연산

의 합에 복잡도(complexity)가 비례하게 된다. 이에 반해, 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법의 경우 수신 부반송파 전력 비교를 통한 우선 순위 결정을 위해

의 연산이 추가되나, 현 3GPP LTE 규격이 FFT 크기 128~2048을 지원한다는 점과 정규화된 주파수 옵셋 0.877로 인한 다수의 반복 연산이 필요하다는 점을 고려하였을 경우, 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법의 전력 비교를 위한 연산량은 상대적으로 매우 미미하다. 예를 들면, FFT 크기 128에 1회 반복 연산을 수행하는 경우 제안된 방식은 기존 방식에 비해 1.34%의 추가적인 연산을 필요로 하며, 3회 반복 연산을 필요로 하는 경우에는 0.45%의 연산량의 증가가 필요하다. 또한, FFT 크기가 커질수록 상대적인 연산량의 증가가 감소하게 되므로, 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법의 연산량이 종래 방법의 연산량과 유사함을 확인 할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법은 종래의 반복적 ICI 제거 방법과 유사한 복잡도로 수행되면서도 보다 우수한 성능을 얻을 수 있는 방법이다.

본 발명에서 제시하는 알고리즘의 성능 검증을 위한 모의실험은 랜덤하게 변하는 다중 경로 페이딩 채널 환경에서 충분히 많은 반복 과정을 거쳐 통계적인 성능 수치를 기록함으로써 수행되었으며, 정규화된 주파수 옵셋과 변조 차수에 따른 종래의 반복적 ICI 제거 방법과 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법의 성능 비교를 도 9와 도 10에 나타내었다. 표 2는 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법과 종래의 반복적 ICI 제거 방법의 성능 비교를 위해 적용된 시스템 파라미터이다.

도 9는 각 경로의 정규화된 주파수 옵셋이 ±0.1인 경우 변조 차수에 따른 BER 성능을 비교한 것이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 주파수 옵셋이 ±0.1인 경우에는 종래의 반복적 ICI 제거 방법이 주파수 옵셋이 존재하지 않는 이상적인 경우와 유사한 성능을 보이며, 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법은 기존 방식보다 약 0.5 dB의 성능 향상을 보임을 확인할 수 있다. 또한, 종래 방법과 본 발명에 따른 방법 모두 1회의 반복 연산만으로 우수한 ICI 제거 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

도 10은 각 경로의 정규화된 주파수 옵셋이 ±0.2인 경우 변조 차수와 반복 연산에 따른 BER 성능을 비교한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 정규화된 주파수 옵셋이 ±0.2인 경우에는 종래 방법과 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법 모두 초기 추정 오류로 인해 다수의 반복 연산을 필요로 하며, 반복 횟수가 충분하지 못한 경우에는 SNR이 높은 환경에서도 ICI로 인한 에러 흐름(error floor)이 발생하게 된다. 하지만, 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법의 경우, 초기 추정시의 수신 신호 전력에 따른 우선권을 부여함으로써 종래의 반복적 ICI 제거 방법에 비해 초기 추정 성능을 향상시킴을 확인할 수 있으며, 이러한 초기 추정에서의 성능 향상은 반복적인 ICI 제거 과정의 오차를 감소시킴으로써 매 반복 시에 종래 방법보다 향상된 성능을 얻을 수 있다. 또한, 변조 차수가 높을수록 수신 신호 전력의 분산이 증가하기 때문에 종래 방법에 비해 제안하는 방식이 향상된 ICI 제거 성능을 얻을 수 있음을 확인 할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하나의 실시예를 설명한 것일 뿐이므로, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 첨부된 특허청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법을 이용한 OFDM 수신기 구조는 초기 추정 및 간섭 제거 전에 수신 신호 전력에 따른 우선권을 부여함으로써, 종래의 반복 적 ICI 제거 방법에 비해 낮은 복잡도의 연산 추가만으로도 효과적으로 수신기의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 협력 STBC-OFDM 시스템 시나리오를 나타낸 것이다.

도 2는 일반적인 OFDM 시스템과 협력 STBC-OFDM 시스템의 BER 성능을 나타낸 것이다.

도 3은 협력 STBC-OFDM 시스템에서 잔류 주파수 옵셋으로 인해 발생하는 ICI에 의한 수신기 성능 열화를 나타낸 것이다.

도 4는 정규화된 잔류 주파수 옵셋 ±0.1, ±0.2가 존재하는 경우에 있어서 반복적 ICI 제거 방법의 uncoded BER 성능을 나타낸 것이다.

도 5는 주파수 선택적 페이딩 채널(frequency selective fading channel)의 예를 나타낸다.

도 6은 정규화된 주파수 옵셋이 ±0.1, ±0.2인 경우 종래 반복적 ICI 제거 방법의 각 부반송파의 수신 신호 전력에 따른 초기 추정 오차율을 나타낸 것이다.

도 7(a)는 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 블록이 포함된 협력 STBC-OFDM 시스템을 위한 수신기 블록도이다.

도 7(b)는 종래의 반복적 ICI 제거 방법과 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법을 비교하여 나타낸 것이다.

도 8은 정규화된 주파수 옵셋이 ±0.2인 경우, 종래의 반복적 ICI 제거 방법과 본 발명에 따른 반복적 ICI 제거 방법에 따른 각 부반송파의 수신 신호 전력에 따른 초기 추정 오차율을 나타낸 것이다.

도 9는 각 경로의 정규화된 주파수 옵셋이 ±0.1인 경우 변조 차수에 따른 BER 성능을 비교한 것이다.

도 10은 각 경로의 정규화된 주파수 옵셋이 ±0.2인 경우 변조 차수와 반복 연산에 따른 BER 성능을 비교한 것이다.

Claims (4)

1. 협력 STBC-OFDM 시스템에서의 반복적 ICI 제거 방법으로서,

   수신 신호에 대한 초기 추정 이전에, 수신 신호에 포함된 OFDM 심볼 내의 부반송파의 우선 순위를 상기 부반송파의 전력을 기초로 하여 정하는 단계; 및

   상기 우선 순위에 따라 초기 추정 및 추정된 결과를 이용한 ICI 제거 과정을 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 협력 STBC-OFDM 시스템에서의 반복적 ICI 제거 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 우선 순위는 상기 부반송파의 전력의 크기에 비례하는 것을 특징으로 하는 협력 STBC-OFDM 시스템에서의 반복적 ICI 제거 방법.
3. 제1항에 있어서,

   수신 신호에 대한 초기 추정 및 ICI 제거는 OFDM 심볼 내의 부반송파 단위로 수행되는 것을 특징으로 하는 협력 STBC-OFDM 시스템에서의 반복적 ICI 제거 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 ICI 제거 과정이 부반송파의 수만큼 반복되어 수행된 이후에, STBC 복호를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협력 STBC-OFDM 시스템에서의 반복적 ICI 제거 방법.

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