KR101063346B1

KR101063346B1 - 3ｇｐｐｌｔｅ 시스템의 셀 탐색기 복잡도 최소화를 위한 ｃｐ길이 선결정 방법

Info

Publication number: KR101063346B1
Application number: KR1020090031858A
Authority: KR
Inventors: 장경희; 김영범; 김종훈
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2011-09-07
Also published as: KR20100113342A

Abstract

본 발명은 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long Term Evolution) 시스템의 하향링크에서는 초기 동기화 및 셀 탐색 과정중, SSS검출시 복잡도를 최소화하는 방법에 대한 것으로써 3GPP LTE 하향링크 시스템의 동기화 및 셀 탐색 방법에서, PSS를 사용하여 셀을 탐색하는 제1단계와 상기 제1단계 후 CP를 선결정하는 제2단계 및 상기 제2단계에서 extended CP로 결정된 경우, extended CP를 사용하여 1회의 FFT(Fast Fourier Transform)만을 수행한 뒤, SSS검출 및 BCH검출을 실행하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3GPP LTE 하향링크 시스템의 초기 셀 탐색기에서 SSS검출시 복잡도 최소화 방법으로 이루어져 FFT와 cross-correlation의 복잡도를 최대 50%까지 감소시킬수 있는 성능의 향상을 기대할 수 있다.

3GPP LTE, Cell Searcher, CP Length Pre-decision, Synchronization Signal, PSS, SSS

Description

3ＧＰＰＬＴＥ 시스템의 셀 탐색기 복잡도 최소화를 위한 ＣＰ길이 선결정 방법{A CP Length Pre-decision Method for reducing complexity of cell searcher in the downlink of 3GPP LTE system}

본 발명은 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long Term Evolution) 시스템의 하향링크에서는 초기 동기화 및 셀 탐색 과정에서 SSS검출시 복잡도를 최소화하는 방법에 관한 것이다.

3GPP LTE 시스템의 동기화 및 셀 탐색과정은 도1에서 도시한 바와 같이 PSS(101), SSS(102) 그리고 BCH(Broadcast CHannel)(103)을 사용하여 수행된다. LTE 시스템은 3개의 셀 ID가 들어있는 168개의 셀 그룹 ID가 있어 총 504개의 셀을 구별할 수 있다. PSS는 셀 ID 3개를 구별하고, SSS는 셀 그룹 ID 168개를 구별하며 이 두 신호를 사용하여 동기 및 셀 탐색을 수행한다.

이를 자세히 살펴보면 먼저 한 프레임에 같은 신호를 두 번 전송하는 PSS를 사용하여 심볼 타이밍과 주파수 동기를 추정하고, 셀 그룹 ID내의 셀 ID를 획득한다. 셀 ID의 경우 세가지 경우가 존재하기 때문에 알고 있는 PSS와의 cross-correlation을 이용하여 간단히 획득 가능하다. 이후, 한 프레임에 서로 다른 두 신호가 전송되는 SSS를 사용하여 프레임 경계와 셀 그룹 ID를 검출한다.

기존 방법의 경우 PSS는 슬롯의 마지막에 전송되므로 CP의 길이를 알지 못하더라도 PSS를 검출할 수 있지만, SSS를 검출하기 위해서는 CP길이에 대한 정보가 필요하다. 따라서, PSS를 이용하여 심볼 타이밍과 주파수 동기, 그리고 셀 ID를 얻은 후 두번째 단계인 SSS를 수행하기 위해 2번의 FFT를 수행하며 그후 두가지 CP의 길이를 고려하여 각 FFT의 수행에 대해 168개의 reference SSS와의 cross-correlation을 수행하여 총 336개의 결과중 가장 높은 값을 가지는 것을 찾아 CP길이와 셀 그룹 ID를 구해야만 하는 불편함이 있어 왔다.

본 발명은 상기한 바와 같은 cross-correlation의 횟수를 줄이기 위해 안출된 것으로, CP길이를 SSS검출 이전에 미리 선결정함으로써 cross-correlation의 횟수를 줄여서 시스템의 성능을 향상 시킬 수 있는 3GPP LTE 하향링크 시스템의 초기 셀 탐색기에서 SSS검출시 복잡도 최소화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1특징에 따른 3GPP LTE 하향링크 시스템의 초기 셀 탐색기에서 SSS검출시 복잡도 최소화 방법은 PSS를 사용하여 셀을 탐색하는 제1단계와, 상기 제1단계 후 CP를 선결정하는 제2단계 및 상기 제2단계에서 extended CP로 결정된 경우, extended CP를 사용하여 1회의 FFT만을 수행한 후 SSS검출 및 BCH검출을 실행하는 제3단계를 포함한다.

여기서 상기 제2단계는 3GPP LTE 시스템의 CP 심볼 중 하나인 reference PSS 신호의 A부분과 대응하는 것이 extended CP인 경우 A영역, normal CP인 경우 SSS의 끝부분과 상기 reference 신호 A와의 cross-correlation값인 C_A와, 상기 reference 신호의 B부분과 대응하는 각 CP의 B^*영역과 상기 reference 신호 B영역과의 cross-correlation 인 C_B를 구하는 제1공정과 상기 제1공정에서 구해진 값들을 M = C_A/ C_B 와 같이 이용해서 CP length decision metric인 M을 구하는 제2공정 및 상기 제2공 정에서 구해진 M과 시스템에 기 설정된 threshold 값을 비교하여 M이 threshold보다 큰경우 extended CP를 선결정하는 제3공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2단계에서 extended CP가 결정되지 않은 경우에는 normal CP와 extended CP 모두를 고려하여 2회의 FFT를 수행한 후 SSS검출 및 BCH검출을 실행하는 제4단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, extended CP로 선결정 된 경우에는 SSS 검출 시 1회의 FFT만을 실행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 확장 CP(extended CP)를 이용하는 경우가 정상 CP(normal CP)를 이용하는 경우보다 M의 값이 더 높은 것을 특징으로 한다.

또한, C_A와 C_B는 각각

,

의 수식으로 결정되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 3GPP LTE 하향링크 시스템의 초기 셀 탐색기에서 SSS검출시 복잡도 최소화 방법에 의하면 CP길이를 선 결정함으로써 낮은 성능열화를 가지는 효과와 함께 복잡도를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

먼저, 3GPP LTE시스템의 프레임에 대해서 살펴본다.

3GPP LTE시스템은 10ms의 무선 프레임으로 구성되며, 그 구조는 FDD(Frequency Division Duplex,주파수 분할 두플렉스)를 지원하는 type 1과 TDD(Time Division Duplex, 시간 분할 두플렉스)를 지원하는 type 2가 있다. CP(Cyclic Prefix)는 두가지의 길이가 있으며 각 모드는 CP길이에 따라 정상 CP(normal CP)와 확장 CP(extended CP)로 나뉘며 각 무선 프레임은 10개의 서브 프레임으로 구성되고 각 서브 프레임은 2개의 슬롯으로 구성된다.

3GPP LTE시스템의 CP길이 선결정에 대해서 SS를 PSS와 SSS로 나누어 살펴본다.

SS(Synchronization Signal,동기신호)은 3GPP LTE시스템에서 동기화 및 셀 탐색을 위한 신호로써 PSS(Primary Synchonization Signal,1차 동기 신호)와 SSS(Secondary Synchronization Signal,2차 동기 신호)로 구성된다.

PSS는 1/2 무선 프레임의 주기로 전송되며 3종류의 셀 ID정보를 가지고 있어 심볼타이밍과 주파수 동기, 셀 ID그룹을 추적하는데 사용되며 수학식 1과 같은 Zadoff-Chu 시퀀스를 사용하여 생성된다.

여기서, u값은 25, 29 또는 34의 값을 가지며, type 1모드의 경우 1번 슬롯과 11번 슬롯의 마지막 심볼에 전송된다.

SSS는 무선 프레임의 주기로 전송되며 type 1모드의 경우 1번 슬롯과 11번 슬롯의 PSS 바로 앞에 전송되어 무선 프레임의 시작 타이밍을 추정하는데 사용된다. 또한, 168개의 셀 그룹 ID를 가지고 있어서 PSS를 이용해 구한 셀 ID를 이용해 셀 그룹 ID를 검출할 수 있다. SSS는 아래 수학식 2에서와 같은 31길이를 갖는 2개의 이진 시퀀스를 결합해 생성한다.

상기 수학식 2에서

,

은 각각 다른 M시퀀스의 cyclic shift에 의해 구분되며,

은 M 시퀀스의 cyclic shift와 PSS에 의해서 정의된다.

도2는 type 1의 3GPP LTE 하향링크 프레임을 도시하고 있으며 위에서 설명했던 PSS와 SSS의 슬롯내에서의 위치를 보여준다.

PSS와 SSS는 모두 DC 부반송파를 기준으로 62개의 부반송파에 할당되며, 특히 SSS는 주파수 다이버시티 효과를 위해 인터리브방식으로 할당된다.

본 발명은 상기한 SSS수행전 CP길이를 선결정하는 과정을 추가하여 상호상관(cross-correlation)작업의 반복 횟수를 줄여 시스템 전체의 성능 향상을 꾀하였는바, 본 발명에서 취한 방법에 대해서는 아래에 자세히 설명토록 한다

도3은 본 발명에 의한 3GPP LTE 하향링크 시스템의 동기화및 초기 셀 탐색과정을 나타낸 것이다.

PSS를 사용한 첫 단계(300)에서 셀 탐색 과정을 수행한 뒤, SSS의 검출 이전에 CP(Cyclic Prefix)를 선결정하게 된다. 3GPP LTE 시스템의 CP 심볼 구조는 도4a에서 도4c에서 도시한 바와 같이 참조 PSS(Reference PSS)(도4a), 확장 CP(Extended CP)인 경우(도4b) 및 정상 CP(normal CP)인 경우(도4c)와 같은 심볼 구조의 차이가 존재하며 이러한 차이를 이용해서 본 발명은 CP를 선결정한다.

도4b와 도4c을 비교해보면 extended CP는 A^*부분이 Reference PSS의 A와 동일한 신호가 채널을 거친 영역을 나타내고, normal CP는 B^*까지만 CP가 되고 그 앞은 PSS의 바로 앞에 전송되는 SSS의 끝부분을 나타낸다.

이러한 두 CP구조의 차이를 이용하여 CP길이 결정 계수(CP length decision metric)을 아래의 수학식 5와 같이 계산하고 그 값이 시스템에 기설정된 문턱값(threshold)보다 큰 경우는 extended CP로 결정하고, 그렇지 않은 경우는 기존의 방식을 이용해서 SSS 검출과 BCH검출을 수행한다.(도3의 320, 325)

아래의 수학식 3과 4는 CP length decision metric을 구하기 위해 필요한 인수를 구하는 과정이다.

상기 수학식 3에서 C_A는 extended CP인 경우 A^*영역, normal CP인 경우 SSS의 끝부분과 reference 신호 A와의 cross-correlation값을 나타낸다.

한편, 상기 수학식 4에서 CB는 각 CP의 B*영역과 reference신호 B영역과의 상호상관(cross-correlation)값을 나타낸다.

이때, 수학식 3과 수학식 4의 N_eCP, N_nCP, N_FFT, 는 각각 extended CP인 경우의 CP길이, normal CP인 경우의 CP길이, FFT의 길이를 나타낸다.

상기 수학식 5에서 M은 CP길이결정계수(CP length decision metric)이다.

상기 수학식 3, 수학식 4 및 수학식 5와 같은 과정으로 구해진 M값과 시스템에 기설정된 문턱값(threshold)를 비교하여 M > threshold인 경우 extended CP를 선결정해서 두번의 FFT(고속 푸리에 변환,Fast Fourier Transform)를 한번으로 줄인다.(도3의 308, 318)

상기와 같은 CP길이의 선결정에 의한 M값을 구하는 경우, Extended CP를 이 용하는 경우는 C_A, C_B모두 CP가 삽입되므로 C_A, C_B모두 높은 상호상관값(cross-correlation값)을 가지므로 CP length decision metric M은 1에 가까운 값을 가진다.

한편, Normal CP를 이용하는 경우 도4c의 B^*구간은 extended CP와 마찬가지로 CP가 삽입되므로 높은 C_B값을 가지나 C_A의 경우 CP가 삽입되지 않기 때문에 낮은 값을 가지게 되어 전체적으로 M은 낮은 값을 가지게 된다.

도5은 5MHz 대역폭을 갖는 3GPP LTE 시스템에서 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 환경에서의 Eb/N0(bit energy per noise density)에 따른 normal CP와 extended CP를 각각 이용한 경우 CP length decision metric M값을 -10dB, 0dB 및 10dB에서 도시한 그래프이며, 도6은 같은 대역폭에서 Veh-A 60km/h 채널 환경에서의 M값을 -10dB, 0dB 및 10dB에서 도시한 그래프이다.

도5에서 도시된 바와 같이 AWGN환경하에서는 0dB부터 M값이 구별되는 것을 확인 할 수 있으나, 도6의 경우 0dB부터 M값이 구별되나 그 편차가 큰 것을 볼 수 있다.

따라서 M이 threshold보다 큰 경우는 extended CP로 결정하여도 normal CP로 전송하여 큰 M을 갖는 경우가 거의 없기 때문에 성능의 열화가 거의 없으나, M이 threshold보다 작은 경우는 normal CP로 결정하게 되면 extended CP로 전송하여 낮은 M을 갖는 경우가 많아서 이로인한 성능의 열화가 발생한다. 이러한 성능의 열화를 방지하기 위해 M이 threshold보다 작은 경우에는 기존의 방법대로 2번의 FFT 를 수행하는 방법을 사용하게 된다.

도7 부터 도10까지는 본 발명에 따른 방법과 기존의 방법으로 3GPP LTE시스템에서의 성능을 모의실험한 결과이며 아래 표1은 모의실험을 위한 파라미터들의 값을 개시하고 있다.

Parameter	값
Carrier 주파수	2.0 GHz
Bandwidth	5MHz, 10MHz, 20MHz
PSS	셀 ID : 0 (0,1,2)
SSS	셀 그룹 ID : 0 (0~167)
CP Type	normal CP, extended CP
Channel	ITU-R M.1225 Veh-A
Mobility[km/h]	60
Threshold Value	AWGN : 0.7, 0.8, 0.9 Veh-A : 1.2, 1.3, 1.4

도7은 기존의 방법과 본원발명에 의한 방법을 threshold값에 따른 SSS검출확률 성능 분석을 AWGN상황하에서 도시한 것이고, 도8은 기존의 방법과 본원발명에 의한 방법을 threshold값에 따른 SSS검출확률 성능분석을 Veh-A 60km/h하에서 실시한 각각의 성능을 분석,비교하여 개시한 것으로써 threshold가 높거나, 대역이 넓을수록 성능의 열화가 낮아진다.

도9와 도10은 각각 도7과 도8에 의한 성능시험시 각 방법의 복잡도를 도시한 그래프로써 AWGN환경(도9)에서와 Veh-A 60km/h 이동환경(도10)아래에서 모두 threshold가 낮을수록 복잡도가 감소한다.

하기한 수학식 6은 도9와 도10에 나타난 본원발명의 복잡도를 표현한 식으로써 M은 CP length decision metric을, P(M > threshold)는 M이 threshold보다 클 확률을 각각 나타낸다.

도1은 기존 3GPP LTE 시스템의 동기화 및 셀 탐색과정을 도시한 그래프이다.

도2는 FDD(Frequency Division Duplex)를 지원하는 type 1의 3GPP LTE 하향링크 프레임을 도시한다.

도3은 본 발명에 의한 3GPP LTE 하향링크 시스템의 동기화 및 초기 셀 탐색과정을 도시한다.

도4a은 3GPP LTE시스템에서 Reference PSS의 CP 심볼 구조를 도시한다.

도4b은 3GPP LTE시스템에서 Extended CP의 CP 심볼 구조를 도시한다.

도4c은 3GPP LTE시스템에서 Normal CP의 CP 심볼 구조를 도시한다.

도5는 5MHz 대역폭을 갖는 3GPP LTE 시스템에서 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 환경에서의 Eb/N0(bit energy per noise density)에 따른 normal CP와 extended CP를 각각 이용한 경우 CP length decision metric M값을 -10dB, 0dB 및 10dB에서 도시한 그래프이다.

도6은 5MHz 대역폭을 갖는 3GPP LTE 시스템에서 Veh-A 60km/h 채널 환경에서 Eb/N0(bit energy per noise density)에 따른 normal CP와 extended CP를 각각 이용한 경우 CP length decision metric M값을 -10dB, 0dB 및 10dB에서 도시한 그래프이다.

도7은 기존의 방법과 본원발명에 의한 방법을 threshold값에 따른 SSS검출확률 성능 분석을 AWGN상황하에서 도시한 그래프이다.

도8은 기존의 방법과 본원발명에 의한 방법을 threshold값에 따른 SSS검출확 률 성능분석을 Veh-A 60km/h하에서 실시한 각각의 성능을 분석,비교하여 도시한 그래프이다.

도9와 기존의 방법과 본원발명에 의한 방법을 threshold값에 따른 SSS검출확률 성능 분석을 AWGN상황하에서 실험시 각각의 복잡도를 도시한 그래프이다.

도10은 기존의 방법과 본원발명에 의한 방법을 threshold값에 따른 SSS검출확률 성능분석을 Veh-A 60km/h하에서 실험시 각각의 복잡도를 도시한 그래프이다.

Claims

1차동기신호(PSS)를 사용하여 셀을 탐색하는 제1단계;

참조 PSS(reference PSS)의 세 개의 구분된 심볼구조를 처음에서 시작하여 두 번째, 세 번째 부분을 각각 A 신호, B 신호라 하며,

상기 A 신호 및 B 신호와 동일한 신호가 채널을 거친 후의 신호를 각각 A* 신호, B* 신호라고 할 때, 확장 CP(extended CP)는 상기 A* 신호와 B* 신호가 연속적으로 배열된 신호이며,

정상 CP(normal CP)는 상기 B* 신호만 배열된 신호이며,

정상 CP 앞에 전송된 SSS신호의 끝부분 중 상기 확장 CP의 A* 신호의 길이만큼을 마지막부분이라 할 때,

확장CP(extended CP)인 경우에는 A* 신호와 상기 A 신호와의 상호 상관값(C_A)을, 정상CP(normal CP)인 경우에는 상기 마지막부분과 상기 신호 A와의 상호 상관값(cross-correlation값)(C_A)을 구하고, 각 CP의 상기 B* 신호와 상기 B 신호와의 상호 상관값(cross-correlation값)인 C_B를 구하는 제2단계;

상기 제2단계에 의해 구해진 값들을 이용해서 CP길이결정계수(CP length decision metric) M을 M = C_A / C_B 의 식으로 구하는 제3단계;

상기 제3단계에서 구해진 M과 시스템에 기 설정된 문턱값(threshold) 값을 비교하여 M이 문턱값(threshold)보다 큰경우 확장CP(extended CP)를 선결정하는 제4단계; 및

상기 제4단계에서 확장 CP(extended CP)로 선결정된 경우, 상기 확장 CP(extended CP)를 사용하여 1회의 FFT를 수행한 뒤 2차동기신호(SSS)검출 및 브로드캐스팅 채널(BCH)검출을 실행하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3GPP LTE 하향링크 시스템의 초기 셀 탐색기에서 SSS검출시 복잡도 최소화 방법.

삭제

청구항 1에 있어서,

상기 제4단계에서 확장CP(extended CP)가 결정되지 않은 경우, 정상CP(normal CP)와 확장 CP(extended CP)모두를 고려하여 2회의 FFT를 수행한 뒤 2차동기신호(SSS)검출 및 브로드캐스팅 채널(BCH)검출을 실행하는 제6단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3GPP LTE 하향링크 시스템의 초기 셀 탐색기에서 SSS검출시 복잡도 최소화 방법.

삭제

청구항 1항에서,

상기 제3단계는 확장 CP(extended CP)를 이용하는 경우가 정상 CP(normal CP)를 이용하는 경우보다 상기 M의 값이 더 높은 것을 특징으로 하는 3GPP LTE 하향링크 시스템의 초기 셀 탐색기에서 SSS검출시 복잡도 최소화 방법.

삭제