KR101239655B1 - 오에프디엠 시스템에서의 에프에프티 윈도우 조절방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 OFDM 시스템에서의 FFT 윈도우 조절방법은 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 짧은 경우와 긴 경우로 구분하여 각각의 경우에 경로 페이딩(Fading) 채널 지연에 의해 손상된 보호구간(A₁)에 가중치(α)를 곱하는 A단계와, 상기 경로 페이딩(Fading) 채널 지연에 의해 손상되지 않은 구간(A₂)에 가중치(1-α)를 곱하는 B단계, 및 상기 A단계와 B단계를 더하여 FFT에 입력(A₃)하는 C단계로 이루어져, 인접 심볼간 간섭, 인접 채널간 간섭 및 잡음을 최소화할 수 있다.

Description

오에프디엠 시스템에서의 에프에프티 윈도우 조절방법{Method for Adjusting FFT Window of OFDM System}

본 발명은 직교주파수분할다중(OFDM) 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직교주파수분할다중(OFDM) 시스템에서 보호구간을 이용하는 효율적인 OFDM 시스템에서의 FFT 윈도우 조절방법에 관한 것이다.

일반적으로 직교주파수분할다중(OFDM) 시스템에서 보호구간을 이용하는 효율적인 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform;FFT) 윈도우 조절방법은 수신된 데이터를 고속 푸리에 변환(FFT)하기 전에 채널 임펄스 응답(CIR) 정보와 신호 대 잡음비(SNR) 정보를 이용하여 인접 심볼 간 간섭(ISI), 인접 채널 간 간섭(ICI) 및 잡음 전력이 최소화되도록 고속 푸리에 변환 윈도우를 조절해줌으로써 전체 시스템의 성능을 개선시킨다.

그러나, 종래의 OFDM 시스템에서는 직사각형태의 FFT 윈도우만을 사용하거나 보호구간(Guard Interval)을 이용하더라도 손상되지 않은 부분만을 이용하여 채널의 최대 지연 길이가 길어질수록 그 이득이 제한적이었다.

도 1은 일반적인 OFDM 시스템의 송신부에서 데이터를 변조하는 개략적인 개념도이고, 도 2는 일반적인 OFDM 시스템의 송신부에서 보호구간을 붙이는 과정을 나타낸 개념도로서, 보호구간삽입 블록은 인접 심볼간 간섭 및 인접 채널간 간섭을 피하기 위해 도 2와 같이 IFFT한 결과의 뒤쪽 보호구간 만큼을 앞에 복사하여 붙여준다.

도 3은 종래의 실시예로서 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 짧은, 경로가 2개인 채널에서 수신된 심볼의 모양을 나타낸 개념도로서, 채널의 최대 지연 길이가 보호구간보다 짧은 경우에 채널을 통과한 신호의 모양을 나타내고 있으며, 설명을 위해 채널의 경로가 2개인 경우를 가정하였다.

도 3과 같이 연속적인 OFDM 심볼이 전송되었을 때, 수신된 심볼 중 A부분은 경로 2에 의해 지연된 이전 심볼의 정보가 더해져 있어서 인접 심볼간 간섭이 발생한 부분이다. 하지만 B와 C는 보호구간에 의해 동일한 심볼 정보만 포함되어 있으므로 수신 동기부에서 FFT 시작지점을 B구간 안으로 정한 뒤 직사각형태의 FFT 윈도우를 씌운 다음 FFT를 하게 되면 인접 심볼 간 간섭 및 인접 채널 간 간섭이 발생하지 않게 된다.

보호구간을 인접 심볼간 간섭 및 인접 채널간 간섭을 발생하지 않도록 하는 용도 이외에 채널의 최대 지연 길이를 추정하여 잡음 감쇄를 위한 목적으로 사용하는 방법도 있다. 도 3의 수신된 심볼에서 A구간과 B구간은 보호구간, 즉 심볼의 뒷부분을 복사한 부분이다. A구간은 이전 심볼에 의해서 손상되었지만 B구간은 전혀 손상되지 않은 부분이고, 미세 시간 동기와 채널의 최대 지연 길이를 정확히 추정하게 되면 B구간이 어디부터 어디까지인지를 알 수 있다. B구간과 같이 전혀 손상되지 않은 보호구간은 심볼의 뒷부분에 동일한 정보가 그대로 있으므로 둘을 단순히 더해서 2로 나누어주면 신호 성분은 그대로 있고, 잡음 전력은 반으로 줄어드는 효과가 발생하여 상당한 시스템 성능 개선이 있게 된다.

손상되지 않은 보호구간을 이용하는 방식은 보호구간이 길고 채널의 최대 지연길이가 짧을수록 잡음을 줄일 수 있는 구간이 넓어져서 좋은 성능을 기대할 수 있다. 하지만, 그렇기 때문에 채널의 최대 지연길이가 길어질수록 점점 성능 이득은 줄어들게 된다. 또한, 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 더 길어졌을 때 발생되는 인접 심볼간 간섭 및 인접 채널간 간섭에 의해 심각한 성능 열화가 발생하게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 채널의 지연길이가 길 때 인접 심볼간 간섭 및 인접 채널간 간섭에 의한 성능 열화를 줄일 수 있는 OFDM 시스템에서의 FFT 윈도우 조절방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 채널의 최대 지연 길이가 보호구간보다 길 때에는 보호구간뿐만 아니라 심볼의 바깥부분 정보도 활용하여 부득이하게 발생하는 인접 심볼간 간섭 및 인접 채널간 간섭을 최소화시키는 OFDM 시스템에서의 FFT 윈도우 조절방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 OFDM 시스템에서의 FFT 윈도우 조절방법은, 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 짧은 경우에 경로 페이딩(Fading) 채널 지연에 의해 손상된 보호구간(A₁)에 가중치(α)를 곱하는 A단계와; 상기 경로 페이딩(Fading) 채널 지연에 의해 손상되지 않은 구간(A₂)에 가중치(1-α)를 곱하는 B단계; 및 상기 A단계와 B단계를 더하여 FFT에 입력(A₃)하는 C단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 OFDM 시스템에서의 FFT 윈도우 조절방법은, 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 긴 경우에 FFT 시작지점(A₁)에 가중치(α)를 곱하는 A단계와; 상기 FFT 길이보다 벗어난 지점(A₂)에 가중치(1-α)를 곱하는 B단계; 및 상기 A단계와 B단계를 더하여 FFT에 입력(A₃)하는 C단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 발명에 의한 OFDM 시스템에서의 FFT 윈도우 조절방법을 사용할 경우, 인접 심볼간 간섭, 인접 채널간 간섭 및 손상된 보호구간의 잡음을 최소화하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 채널의 최대 지연길이가 길수록 더 큰 성능이득을 얻을 수 있으며, 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 더 길더라도 성능이득을 기대할 수 있다.

도 1은 일반적인 OFDM 시스템의 송신부에서 데이터를 변조하는 개략적인 개념도이다.
도 2는 일반적인 OFDM 시스템의 송신부에서 보호구간을 붙이는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 3은 일반적인 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 짧은, 경로가 2개인 채널에서 수신된 심볼의 모양을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 짧은, 경로가 2개인 채널에서 수신된 손상된 보호구간을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 손상된 보호구간을 활용하여 인접 심볼간 간섭, 인접 채널간 간섭, 잡음을 최소화하는 방법을 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 긴, 경로가 2개인 채널에서 수신된 심볼의 모양을 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 긴, 경로가 2개인 채널에서 FFT 시작지점을 첫 번째 경로의 위치로 하였을 때, FFT 입력에 들어가는 인접 심볼간 간섭을 나타낸 개념도이다.
도 8은 본 발명의 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 긴, 경로가 2개인 채널에서 인접 심볼간 간섭, 인접 채널간 간섭, 잡음을 최소화하는 방법을 나타낸 블록도이다.

이하, 첨부된 도면과 수학식을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 짧은, 경로가 2개인 채널에서 수신된 손상된 보호구간을 나타낸 개념도이다. 수신된 심볼의 보호구간에서 손상되지 않은 부분은 종래의 기술에서 이미 잡음을 효과적으로 제거하는 방법이 알려져 있으므로 설명하지 않겠다.

도 4를 참조하면, 수신된 심볼의 A₁구간은 이전 심볼에 의해, 즉 다중 경로 페이딩(Fading) 채널 지연에 의해 손상된 보호구간이고, 상기 손상된 보호구간 A₁구간과 인접 심볼간 간섭이 발생하지 않은 A₂구간을 다음과 같이 수학식 1로 표현할 수 있다.

여기서, I는 이전 심볼에 의한 간섭성분이고, N₁과 N₂는 각각 A₁구간과 A₂구간에 더해진 잡음을 의미한다.

본 발명에서는 종래의 기술에서 인접 심볼간 간섭에 의해 손상되어 사용하지 않던 A₁구간을 채널 임펄스 정보와 신호 대 잡음비(SNR)를 이용하여 인접 심볼간 간섭 및 인접 채널간 간섭을 최소화하고 잡음 전력을 줄여서 전체적인 성능을 개선하는 데 활용하고자 한다.

도 5는 본 발명의 손상된 보호구간을 활용하여 인접 심볼간 간섭, 인접 채널간 간섭, 잡음을 최소화하는 방법을 나타낸 블록도로서, A₁구간을 사용하는 방법을 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, 손상된 보호구간 A₁구간과 손상되지 않은 A₂구간에 각각 가중치를 곱하여 더한 뒤 FFT 입력(A₃)으로 만들어주는 방법이다. 도 5를 수학식으로 다음과 같이 표현할 수 있다.

여기서, 최적의 가중치인 α값을 구하기 위해서 수학식 2에 수학식 1을 대입하여 전개하면 수학식 3과 같다.

여기서,A₃=S₁+S₂이 되면 잡음이 0이 되고, 인접 심볼간 간섭 및 인접 채널간 간섭도 없어지는 조건이 된다. 따라서 수학식 3에서 S₁+S₂항을 제외한 나머지 항들의 합이 수학식 4와 같이 가장 0에 가까워지는 α값을 구하면 된다.

여기서, 수학식 4의 값은 순시적인 것이므로 이 값이 평균적으로 가장 0에 가깝게 나오는 값을 구하기 위해 이것의 평균 전력을 구하고, 이 값이 가장 0에 가까운 α값을 찾으면 된다. 수학식 4의 모든 항들이 독립이므로 평균 전력은 간단하게 수학식 5로 표현된다.

여기서, Ps₂와 P_I는 도 4에서 알 수 있듯이 둘 다 채널의 2번째 경로에 의해 만들어진 심볼과 간섭의 평균전력이고, OFDM 심볼간 평균 전력이 동일하기 때문에 Ps₂=P_I라고 할 수 있다. 이에 따라 수학식 5를 α에 관한 2차 방정식 형태로 전개하면 수학식 6을 얻을 수 있다

여기서, 수학식 6을 만족하는 α의 실수해는 존재하지 않으므로, 좌변이 가장 0에 가까워지는 α값을 찾기 위하여 α에 관해 미분을 하면 다음과 같이 α값을 구할 수 있다. 이 값은 도 5에 적용하였을 때, 인접 심볼간 간섭, 인접 채널간 간섭, 잡음을 최소화하는 값이다.

상기에서 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 작은 경우를 살펴보았으나, 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 긴 경우에 살펴보기로 한다.

도 6은 본 발명의 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 긴, 경로가 2개인 채널에서 수신된 심볼의 모양을 나타낸 개념도이다.

도 6을 참조하면, 수신된 심볼의 A구간은 채널의 첫 번째 경로에 의한 현재 심볼과 두 번째 경로에 의한 이전 심볼의 정보가 더해진 형태로 수신되는 구간이고, B구간은 현재 심볼의 정보만 들어있는 구간, C구간은 첫 번째 경로에 의한 다음 심볼의 정보와 두 번째 경로에 의한 현재 심볼의 정보가 더해져 있는 구간이다.

인접 심볼간 간섭이 없는 구간은 B구간뿐이지만 B구간의 길이가 FFT를 위한 길이보다 짧기 때문에 종래의 OFDM 시스템에서는 이러한 경우에 FFT 시작 위치를 결정하는 것이 까다로운 문제였다. 왜냐하면 경로 1의 파워가 경로 2의 파워보다 큰 경우에는 P₁을 FFT 시작지점으로 정했을 때 인접 심볼간 간섭 및 인접 채널간 간섭이 가장 작아지게 되지만, 반대로 경로 2의 파워가 더 큰 경우에는 P₂를 FFT 시작지점으로 하여야 인접 심볼간 간섭 및 인접 채널간 간섭을 가장 줄일 수 있기 때문이다.

도 6의 실시예에서는 설명을 간단히 하기 위해 경로를 2개만 두었지만, 경로의 개수가 더 많아지면 최적의 FFT시작지점을 찾는 것은 점점 복잡한 일이 된다.

본 발명에서는 최적의 FFT 시작지점을 찾기 위해 복잡한 계산을 수행하는 대신 모든 경로들 중에 가장 첫 번째 경로에 FFT 시작지점을 맞추고, 발생하는 인접 심볼간 간섭 및 인접 채널간 간섭을 최소화하도록 FFT 입력을 조절하는 방법을 다음과 같다.

도 7은 본 발명의 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 긴, 경로가 2개인 채널에서 FFT 시작지점을 첫 번째 경로의 위치로 하였을 때, FFT 입력에 들어가는 인접 심볼간 간섭을 나타낸 개념도이고, 도 8은 본 발명의 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 긴, 경로가 2개인 채널에서 인접 심볼간 간섭, 인접 채널간 간섭, 잡음을 최소화하는 방법을 나타낸 블록도이다.

도 7을 참조하면, FFT 입력의 앞부분(채널의 최대 지연길이―보호구간의 길이) 만큼이 인접 심볼간 간섭을 받게 되는데, A₁구간이 여기에 해당되며 수학식 8의 A₁으로 표현될 수 있다.

또한, 인접 심볼간 간섭 및 인접 채널간 간섭, 잡음이 모두 제거되도록 FFT 입력을 조정한다고 했을 때, 최적 값(A_opt)은 다음과 같다.

도 8의 FFT 입력에서 A₃구간이 신호성분만 들어있는 최적 값 A_opt에 가깝게 하기 위해 A₁구간과 A₂구간을 상기 수학식 3에서 처럼 이용하게 되면, 수학식 9와 같이 표현할 수 있다.

동일한 방식으로 A_opt에 해당하는 항을 제외한 나머지 항들의 평균 전력은 수학식 10으로 나타낼 수 있다.

여기서, Ps₁와 P_I1는 첫 번째 경로를 통과한 심볼의 평균전력이므로 동일하고, 마찬가지로 Ps₂와 P_I2는 두 번째 경로를 통과한 심볼의 평균전력이므로 동일하다. 따라서 수학식 10은 α에 관해 정리하여 수학식 11로 다시 표현될 수 있다.

수학식 11이 가장 0에 가까운 α값을 구해야 하므로 α에 관한 2차 방정식 형태로 놓으면 수학식 11을 0으로 만드는 실수 α값은 존재하지 않으므로 미분을 사용하여 가장 0에 가까운 α값을 수학식 12와 같이 얻어낼 수 있다.

FFT 시작지점을 첫 번째 경로로 고정시키는 대신 채널 임펄스 응답 정보와 신호 대 잡음비 정보를 이용하여 위와 같이 인접 심볼간 간섭과 인접 채널간 간섭뿐만 아니라 잡음 전력까지 최소화시킴으로써 채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 긴 경우에 성능 열화를 최소화할 수 있다. 또한, 손상된 보호구간을 활용하는 방법을 동시에 적용하여 성능을 더 개선할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (4)

1. OFDM 시스템에서의 FFT 윈도우 조절방법에 있어서,
   채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 짧은 경우에 경로 페이딩(Fading) 채널 지연에 의해 손상된 보호구간(A₁)에 가중치(α)를 곱하는 A단계와;
   상기 경로 페이딩(Fading) 채널 지연에 의해 손상되지 않은 구간(A₂)에 가중치(1-α)를 곱하는 B단계; 및
   상기 A단계와 B단계를 더하여 FFT에 입력(A₃)하는 C단계;를 포함하며, 상기 가중치(α)는 하기의 수학식7에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 OFDM 시스템에서의 FFT 윈도우 조절방법.
   [수학식 7]
   

   

   
   (여기서, Ps₂는 두 번째 경로를 통과한 심볼의 평균전력이고, P_N은 잡음의 평균전력이다.)
   
2. 삭제
3. OFDM 시스템에서의 FFT 윈도우 조절방법에 있어서,
   채널의 최대 지연길이가 보호구간보다 긴 경우에 FFT 시작지점(A₁)에 가중치(α)를 곱하는 A단계와;
   상기 FFT 길이보다 벗어난 지점(A₂)에 가중치(1-α)를 곱하는 B단계; 및
   상기 A단계와 B단계를 더하여 FFT에 입력(A₃)하는 C단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDM 시스템에서의 FFT 윈도우 조절방법.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 가중치(α)는 하기의 수학식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 OFDM 시스템에서의 FFT 윈도우 조절방법.
   

   

   
   여기서, Ps₁와 Ps₂는 각각 첫 번째와 두 번째 경로를 통과한 심볼의 평균전력이고, P_N은 잡음의 평균전력이다.

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