KR101121086B1 - 유니크 워드 기반 주파수 영역 등화기 기반 단일반송파 방식을 위한 채널 추정 기법 - Google Patents

유니크 워드 기반 주파수 영역 등화기 기반 단일반송파 방식을 위한 채널 추정 기법 Download PDF

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Abstract

채널의 다중경로를 통과한 신호들은 지연확산 영향으로 심하게 왜곡이 되거나 inter symbol interference(ISI)가 발생하므로 왜곡된 채널을 추정하여 보상해야 한다. 기존 iterative 채널 추정 방식에서는 채널 시간 지연 길이(channel time delay length: CTDL)를 안다고 가정하여 DFT 기반으로 채널 시간 지연 길이 밖으로 zero padding 함으로 노이즈 성분을 제거하는 알고리즘이다. 반면에 본 발명은 노이즈 제거를 위한 채널 시간 지연 길이를 추정(channel time delay length estimation: CTDLE)하고 CTDL 안으로 있는 노이즈 성분까지 노이즈 제거 문턱값 추정(noise elimination threshold estimation: NETE) 알고리즘을 사용하여 노이즈 성분들을 효과적으로 제거한다.

Description

유니크 워드 기반 주파수 영역 등화기 기반 단일반송파 방식을 위한 채널 추정 기법{A CHANNEL ESTIMATION SCHEME IN UNIQUE-WORD BASED SC-FDE SYSTEM}
본 발명은 채널 시간 지연 길이 추정 알고리즘 및 노이즈 제거 문턱값 추정 알고리즘에 관한 것이다.
주파수 영역 등화기 기반 단일반송파 방식(single carrier with frequency domain equalization: SC-FDE)은 직교 주파수 분할 다중(orthogonal frequency division multiplexing: OFDM)과 비교하여 낮은 첨두전력 대 평균전력 비(peak-to-average power ratio: PAPR)를 가지며, 주파수 편차에 의한 성능 저하가 비교적 작은 장점을 가진다. 또한, unique word(UW) 기반으로 SC-FDE를 구성할 때, cyclic prefix(CP) 대신으로 보호구간으로 사용할 뿐만 아니라 주파수 영역 등화기에서 채널 추정과 동기화 하는데 용이하다. 기존 iterative 채널 추정 방식에서는 채널 시간 지연 길이 밖으로 zero padding 함으로 노이즈 성분을 제거하는 알고리즘이다. 그리고 UW를 복원하여 inter symbol interference(ISI)를 제거하고 채널 임펄스 응답(channel impulse response: CIR)을 반복적으로 추정한다. 그러나 참고문헌 Shigang Tang, Ke Gong, Jintao Wang and Yu Zhang, "Iterative Channel Estimation for Unique-Word Based Single-Carrier Block Transmission," IEEE trans. Circuit and Systems fo Commun. June 2008.은 채널 시간 지연 길이 안으로 있는 노이즈 성분 때문에 채널 추정 성능 저하에 영향을 끼치며, 전제조건이 채널 시간 지연 길이를 안다고 가정을 했기에 이에 본 발명은 UW 기반 SC-FDE 시스템에서 채널 시간 지연 길이 추정(channel time delay length estimation: CTDLE)하고 안으로 있는 노이즈 성분까지 제거하는 노이즈 제거 문턱값 추정(noise elimination threshold estimation: NETE) 알고리즘을 제안한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 채널 시간 지연 길이 추정 알고리즘 및 노이즈 제거 문턱값 추정 알고리즘을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 유니크 워드 기반 주파수 영역 등화기 기반 단일반송파 방식 시스템을 위한 채널 추정 기법은, 채널 임펄스 응답의 파워가 1에 근사하다는 점을 이용하여 채널 시간 지연 길이를 추정하는 채널 시간 지연 길이 추정 단계; 상기 채널 시간 지연 길이 이후의 샘플은 잡음이므로 노이즈 표준편차를 추정하는 노이즈 표준편차 추정 단계; 상기 노이즈 표준편차에 이득을 곱하여 노이즈 제거 문턱값을 산출하는 노이즈 제거 문턱값 생성 단계; 상기 노이즈 제거 문턱값을 이용하여 채널 임펄스 응답 안에 있는 노이즈 성분을 제거하는 노이즈 제거 문턱값 과정; 상기 노이즈 제거 문턱값 과정을 통과한 채널 임펄스 응답이 급속 푸리에 변환 과정을 거치는 급속 푸리에 변환 과정; 상기 노이즈 제거 문턱값을 이용하여 유니크 워드 복원 과정 중에 남아 있는 노이즈 성분을 제거하는 유니크 워드 복원 과정; 및 상기 노이즈 제거 문턱값 과정 및 상기 급속 푸리에 변환 과정을 재차 반복하여 채널 추정값을 생성하는 채널 추정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 유니크 워드 기반 주파수 영역 등화기 기반 단일반송파 방식 시스템을 위한 채널 추정 기법에서 채널 보상은 주파수 영역에서 수신 신호를 LS(Least Square) 또는 MMSE(Minimum Mean Square Error) 방식을 적용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 유니크 워드 기반 주파수 영역 등화기 기반 단일반송파 방식 시스템에서 지상파 3차원 텔레비전 전송을 위한 채널 추정 기법에서 채널 보상 후 유니크 워드 성분을 제거하고 데이터 성분을 복조하는 것을 특징으로 한다.
제안된 SC-FDE시스템에서 채널 추정 성능을 높이기 위해서 CTDLE와 NETE 알고리즘을 사용하여 채널 추정 성능이 좋아짐을 확인 할 수 있다. 또한, 이 알고리즘들은 UW, pilot 및 preamble과 같은 훈련 시퀀스가 사용할 때. DVB-T2 시스템의 OFDM 방식과 LTE(long term evolution) uplink 시스템의 SC-FDMA(single carrier with frequency division multiplexing access) 방식과 같은 다른 시스템에서도 알고리즘을 적용할 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 전형적인 SC-FDE 프레임 구조를 도시한 도면.
도 2는 SC-FDE 시스템 블록도.
도 3은 기존 UW 복원 과정을 도시한 도면.
도 4는 CTDLE 알고리즘을 설명하는 도면.
도 5는 UW 복원 과정을 나타내는 도면.
도 6은 NET 이득값을 6으로 했을 때 채널의 mean square error(MSE)를 나타내는 도면.
도 7은 iteration을 1번만 했을 때 채널의 bit error rate(BER)를 나타내는 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 전형적인 SC-FDE 프레임 구조이다. i번째 블록의 길이 K는 심벌
Figure 112010073224867-pat00001
을 나타낸다. K의 길이는 데이터 길이 N과 보호구간 길이 Q로 구성되고 각각은 데이터 심벌
Figure 112010073224867-pat00002
과 UW
Figure 112010073224867-pat00003
이다. 즉, K=N＋Q이며 수학식 1로 나타낸다.
Figure 112010073224867-pat00004
채널을 걸쳐 수신된 i번째 신호 블록은 수학식 2로 표현한다. hl ,i은 CIR이고 wn,i는 부가 백색 가우스 잡음(additive white gaussian noise: AWGN)이다.
Figure 112010073224867-pat00005
도 2는 SC-FDE 시스템 블록도를 나타낸다. 기존의 채널 추정 방식 블록들과 빗금이 칠해진 블록들의 부분은 새로운 알고리즘이 추가된 부분이다. 점선으로 표시한 블록들의 부분은 정확한 채널 추정을 하기 위해 재차 추정하는 반복성을 나타낸다.
초기 CIR(channel impulse response) 추정
Figure 112010073224867-pat00006
은 주파수 영역에서 수신된 UW신호
Figure 112010073224867-pat00007
과 이미 알고 있는 UW신호 cn을 통해 구하고 다시 시간 영역으로 돌아가 초기 CIR을 추정하며 수학식 3과 같이 나타낸다. Ck는
Figure 112010073224867-pat00008
를 의미한다.
Figure 112010073224867-pat00009
추정된 CIR은 CTDL(L)을 안다고 가정하여 DFT기반으로 채널 시간 지연 길이 밖으로 zero padding 함으로 노이즈 성분을 제거한다. wn은 백색부가 잡음이다.
잔재하는 ISI를 제거하기 위해 UW 복원 과정을 수행한다. 복원 과정 중 yn을 생성시키기 위해 심벌 decision
Figure 112010073224867-pat00010
과
Figure 112010073224867-pat00011
의 곱으로 도 3으로 표현된다.
초기 CIR 추정할 때 CTDL 안에 있는 노이즈 성분들 때문에 채널 추정 성능을 저하시키고, UW 복원 과정에서 rn－yn 부분에서도 노이즈 성분들 때문에 채널 추정 성능을 저하시킨다. 또한 CTDL을 실제 알지 못하므로 현 시스템에 적용하기 힘들다.
노이즈 제거를 위한 채널 시간 지연 길이를 추정(channel time delay length estimation: CTDLE)한다. 추정된 CIR은 시간영역에서 올바른 CIR h[n]과 잡음부로 수학식 4와 같다.
Figure 112010073224867-pat00012
CTDL을 추정하기 위해 CIR의 파워가
Figure 112010073224867-pat00013
이라는 점을 이용한다. 도 4는 CTDLE 알고리즘을 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, CIR 파워는 1보다 크거나 작을 수 있기 때문에 margin을 3% 잡아준다. 그리고 초기 문턱값을 1과 CIR을 0으로 설정한다. 문턱값이 점차 감소할 때, 검출된 샘플은 CIR이기 때문에 샘플을 누적시키고 CIR 파워를 구한다. 구한 CIR 파워가 97%까지 도달하면 문턱값에 나타나는 마지막 CIR 샘플은 추정된 CTDL
Figure 112010073224867-pat00014
이다. 그러나 CTDL은 보통 20us 이하가 대부분의 경우이다. 그러므로
Figure 112010073224867-pat00015
값이 20us 이상 넘어서 검출될 때, default
Figure 112010073224867-pat00016
은 20us로 정한다.
Figure 112010073224867-pat00017
값 이후 즉,
Figure 112010073224867-pat00018
까지 샘플은 잡음 w[n]이므로 노이즈 표준편차를 수학식 5와 수학식 6을 통해 추정할 수 있다.
Figure 112010073224867-pat00019
Figure 112010073224867-pat00020
추정된 노이즈 표준편차
Figure 112010073224867-pat00021
는 이득의 알맞은 비율로 곱하고 NET을 만든다. NET 기준 이하일 때, 노이즈는 0으로 만들어 추정된 CIR 안에 있는 노이즈 성분을 제거한다. 수학식 7과 수학식 8은 NET 과정이다.
Figure 112010073224867-pat00022
Figure 112010073224867-pat00023
NET 과정을 통과한 CIR은 FFT 과정을 걸쳐
Figure 112010073224867-pat00024
를 생성한다.
Figure 112010073224867-pat00025
UW 복원 과정은 Q 길이 기준으로 복원 지점 pn을 수학식 10으로 나타낸다. 복원 과정 중 yn을 생성시키기 위해 심벌 decision
Figure 112010073224867-pat00026
과
Figure 112010073224867-pat00027
의 곱으로 수학식 11로 표현된다.
Figure 112010073224867-pat00028
Figure 112010073224867-pat00029
그러나 rn－yn은 데이터 성분과 노이즈 성분들이 남아 있기 때문에 NETE 알고리즘을 수학식 12에 적용하여 그 성분들을 제거한다. 도 5는 UW 복원 과정을 나타낸다.
Figure 112010073224867-pat00030
복원된 UW(pn)은 수학식 3, 수학식 8과 수학식 9를 재차 수행하여 더욱 정확한 채널 추정값을 생성한다. 여기까지 iteration 1번 과정이며 더욱 정확한 채널을 추정하려면 도 2의 점선으로 표시된 블록들을 다시 수행하여 재갱신한다. iteration 1번일 때, 채널 보상은 주파수 영역에서 수신신호
Figure 112010073224867-pat00031
를 가장 간단한 방식인 least square(LS) 방식을 적용하며 수학식 13으로 나타낸다.
Figure 112010073224867-pat00032
보상 후 UW 성분을 제거하고 데이터 성분을 복조한다.
VSB 변조 기술기반 ATSC(advanced terrestrial systems committee) 시스템은 현재 우리나라에서 채택하여 사용하고 있으며 19.3Mbps 낮은 전송속도와 다중경로에 취약점을 나타내고 있다. 그래서 지상파 3차원 텔레비전 전송을 위하고 낮은 전송속도를 극복하기 위해서 SC-FDE는 ATSC 방식의 대역폭에서 동작하고 DVB-T2(digital video broadcasting-terrestrial 2)의 30Mbps급 전송속도를 구현하기 위해 8K 블록사이즈와 19/256 비율의 UW을 사용했다. 256QAM을 위한 심벌의 decision boundary는 측정된 값 0.469이며 채널은 브라질 채널 B 모델이다. 도 6은 bit error rate(BER) 성능이다. NET 이득값이 낮을 때는 노이즈 성분들이 꽤 남아 있고, NET 이득값이 높을 때는 노이즈 성분은 완전히 제거되지만 본래 신호까지 손상시킬 수 있다. 그러므로 적적할 NET 이득값을 적용해야만 한다. NET 이득값을 6으로 했을 때 BER 성능은 상술한 참고문헌에서 CTDL을 안다고 가정했을 때 CTDL 후 DFT 기반으로 zero padding 노이즈 제거했을 때보다 성능이 더 좋아짐을 알 수 있다. 도 6은 NET 이득값을 6으로 했을 때 채널의 mean square error(MSE)이며 수학식 14는 채널의 MSE를 구하는 식이다. 도 7을 통하여 iteration을 1번만 하여도 채널을 충분히 보상할 수 있음을 보여 준다.
Figure 112010073224867-pat00033
상술한 바와 같이, 제안된 SC-FDE시스템에서 채널 추정 성능을 높이기 위해서 CTDLE와 NETE 알고리즘을 사용하여 채널 추정 성능이 좋아짐을 확인 할 수 있다. 또한, 이 알고리즘들은 UW, pilot 및 preamble과 같은 훈련 시퀀스가 사용할 때. DVB-T2 시스템의 OFDM 방식과 LTE(long term evolution) uplink 시스템의 SC-FDMA(single carrier with frequency division multiplexing access) 방식과 같은 다른 시스템에서도 알고리즘을 적용할 수 있는 장점을 갖는다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (3)

  1. 미리 결정된 시간 간격 기준치를 채널 시간 지연 길이(
    Figure 112012006555244-pat00041
    )로 정함으로써 채널 시간 지연 길이를 추정하는 채널 시간 지연 길이 추정 단계;
    상기 채널 시간 지연 길이 이후의 샘플을 잡음으로 추정하여, 상기 채널 시간 지연 길이(
    Figure 112012006555244-pat00042
    ) 이후에서 보호구간 길이(Q)까지의 샘플 데이터를 이용하여 노이즈 표준편차를 추정하는 노이즈 표준편차 추정 단계;
    상기 노이즈 표준편차에 이득을 곱하여 노이즈 제거 문턱값을 산출하는 노이즈 제거 문턱값 생성 단계;
    상기 노이즈 제거 문턱값을 이용하여 채널 임펄스 응답 안에 있는 노이즈 성분을 제거하는 노이즈 제거 문턱값 과정;
    상기 노이즈 제거 문턱값 과정을 통과한 채널 임펄스 응답이 급속 푸리에 변환 과정을 거치는 급속 푸리에 변환 과정;
    상기 노이즈 제거 문턱값을 이용하여 유니크 워드 복원 과정 중에 남아 있는 노이즈 성분을 제거하는 유니크 워드 복원 과정; 및
    상기 노이즈 제거 문턱값 과정 및 상기 급속 푸리에 변환 과정을 재차 반복하여 채널 추정값을 생성하는 채널 추정 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유니크 워드 기반 주파수 영역 등화기 기반 단일반송파 방식 시스템을 위한 채널 추정 기법.
  2. 제1항에 있어서,
    채널 보상은 주파수 영역에서 수신 신호를 LS(Least Square) 또는 MMSE(Minimum Mean Square Error) 방식을 적용하는 것을 특징으로 하는 유니크 워드 기반 주파수 영역 등화기 기반 단일반송파 방식 시스템을 위한 채널 추정 기법.
  3. 제1항에 있어서,
    채널 보상 후 유니크 워드 성분을 제거하고 데이터 성분을 복조하는 것을 특징으로 하는 유니크 워드 기반 주파수 영역 등화기 기반 단일반송파 방식 시스템을 위한 채널 추정 기법.
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