KR101263271B1 - 광대역 무선통신 시스템에서 이동평균법 이용하여 채널을추정하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

광대역 무선통신 시스템에서 이동평균법 이용하여 채널을추정하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광대역 무선통신 시스템에서 채널추정을 하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 광대역 무선통신 시스템의 수신 장치는, 파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 채널 추정기와, 이동평균 채널추정을 위하여, 신호대 간섭 및 잡음비를 최대화하는, 계수를 발생시키는 계수 발생기와, 상기 계수를 이용하여 주파수 축에서 이동평균 채널추정을 수행하는 이동평균 채널추정 필터를 포함하여, 주파수 선택성이 큰 통신 채널에서 주파수 축 이동평균 채널추정을 수행할 수 있다.
Figure R1020060102426
채널 추정, 파일럿, 주파수 선택성, 이동평균법

Description

광대역 무선통신 시스템에서 이동평균법 이용하여 채널을 추정하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CHANNEL ESTIMATING USING MOVING AVERAGE IN BROADBAND WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
도 1은 광대역 무선통신 시스템에서 파일럿 패턴의 예를 도시하고 있는 도면,
도 2는 광대역 무선통신 시스템에서 다수의 안테나로 송신되는 프리앰블의 예를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 수신단의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템의 수신단에서 이동평균법을 이용하여 채널 추정을 하는 절차를 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템의 수신단에서 이동평균법을 이용하여 채널 추정을 하는 절차를 도시하는 도면, 및
도 6은 본 발명에 따른 광대역 무선통신 시스템의 채널 추정 성능을 나타내는 그래프를 도시하는 도면.
본 발명은 광대역 무선통신 시스템에서 채널 추정에 관한 것으로, 특히 광대역 무선통신 시스템에서 채널간 편차를 고려하여 결정된 계수를 적용하여 이동평균 채널추정을 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
차세대 통신 시스템인 4세대(4th Generation, 이하 4G라 칭함) 통신 시스템에서는 약 100Mbps의 전송 속도를 가지는 다양한 서비스 품질을 가지는 서비스들을 사용자들에게 제공하기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 현재 4G 통신 시스템에서는 무선 근거리 통신 네트워크 시스템 및 무선 도시 지역 네트워크시스템과 같은 광대역 무선 접속 통신 시스템에 이동성(Mobility)과 서비스 품질(QoS : Quality of Service)을 보장하는 형태로 고속 서비스를 지원하도록 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한, 그 대표적인 통신 시스템이 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.16 통신 시스템이다.
상기 IEEE 802.16 통신 시스템은 물리 채널에서 광대역 전송 네트워크를 지원하기 위해 상기 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 OFDM이라 칭함)/직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 OFDMA이라 칭함) 방식을 적용한 통신시스템이다. 상기 IEEE 802.16 통신 시스템에서 단말의 이동성 및 무선망 구성의 유연성을 확보하고, 트래픽 분포나 통화 요구량 변화가 심한 무선 환경에서 더욱 효 율적인 서비스를 제공하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.
상기 IEEE 802.16과 같이 OFDM 방식을 사용하는 통신 시스템은 채널 추정시 주파수 영역 및 시간 영역의 2차원 채널 추정이 요구된다. 여기서, 상기 채널 추정을 위해 사용되는 송수신단 간에 서로 약속된 신호를 파일럿 신호라 한다. 즉, 상기 파일럿 신호를 이용하여 데이터 신호의 채널을 추정함으로써 정확한 데이터의 복원이 가능해진다. 하지만, 상기 파일럿이 잡음에 의해 왜곡되는 경우, 채널 추정의 오차를 발생시킨다. 이때, 상기 잡음에 의한 오차를 감소시키기 위해 상기 파일럿의 전력을 부스팅(Boosting) 하거나 또는 인접 파일럿을 함께 사용하여 이동평균법(MA : Moving Average)을 통해 채널을 추정할 수 있다. 이하 설명에서, 상기 이동평균법을 이용해 채널을 추정하는 방식을 이동평균 채널추정이라 칭한다.
도 1은 일반적인 광대역 무선통신 시스템에서의 파일럿 패턴을 도시하고 있다. 상기 도 1은 3×3 타일(Tile) 단위에 대해 하나의 파일럿으로 채널 추정을 수행하는 경우의 파일럿 패턴을 도시하고 있다.
상기 도 1을 참조하면, 하나의 3×3 타일은 3 개의 부 반송파와 3 개의 OFDM 심벌에 걸쳐있으며, 상기 타일의 중간에 파일럿이 위치한다. 이때, 상기 파일럿의 수신신호는 하기 수학식 1과 같이 나타낸다.
Figure 112006075944504-pat00001
상기 수학식 1에서, 상기 rp는 수신된 파일럿, 상기 H는 파일럿 신호에 대한 채널 계수, 상기 P는 송신된 파일럿, n은 백색 부가성 잡음(AWGN : Additive White Gaussian Noise)을 나타낸다.
여기서, 상기 P는 일반적으로 1로 사용하며, 이 경우, 상기 rp가 잡음이 추가된 채널 값이 되므로, 해당 타일에 대한 채널 추정 값으로 사용된다. 즉, 제 1 타일(110)에서 8개의 데이터 톤에 대한 채널은 제 1 파일럿(115)의 수신신호, 제 2 타일(120)의 채널은 제 2 파일럿(125)의 수신신호, 제 3 타일(130)의 채널은 제 3 파일럿(135)의 수신신호를 채널 추정 값으로 사용한다.
여기서, 상기 제 1 타일(110)의 채널 추정 값을 제 2 타일(120)을 사용하여 시간 축 이동평균 채널추정을 사용하는 경우, 채널 추정 값은 하기 수학식 2과 같다.
Figure 112006075944504-pat00002
상기 수학식 2에서, 상기 HMA1은 이동평균 채널추정을 사용한 제 1 타일(110)의 채널 추정 값, 상기 HP1은 제 1 파일럿(115)만을 이용한 상기 제 1 타일(110)의 채널 추정 값, 상기 HP2는 제 2 파일럿(125)만을 이용한 상기 제 2 타일(120)의 채널 추정 값을 나타낸다.
상기 수학식 2를 일반화하여 i 번째 타일에서 2N + 1 개의 타일을 이용하여 상기 이동평균 채널추정을 사용하는 경우, 상기 채널 추정 값은 하기 수학식 3과 같다.
Figure 112006075944504-pat00003
상기 수학식 3에서, 상기 HMA (i)는 i 번째 타일에서 이동평균 채널추정을 사용한 채널 추정 값, 상기 HP (k)는 k 번째 타일에서 파일럿만을 이용한 채널 추정 값을 나타낸다.
이때, 각 채널 추정 값에 대한 계수는 모두 1/(3N+1)로 동일하다.
한편, 상기 i 번째 타일의 채널 계수 HP (i)를 이용하여 인접 타일의 채널 계수 HP (j)를 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다(단, j = i-N, i-N+1, ... , i-1, i+1, ... , i+N-1. i+N).
Figure 112006075944504-pat00004
상기 수학식 4에서, 상기 e(j)은 HP (j)-HP (i), 상기 n(j)는 j 번째 타일에서의 백색 부가성 잡음을 나타낸다.
이때, 모든 타일에 대한 채널이 동일하다고 가정하는 경우, 즉 모든 j에 대 해 e(j)=0 인 경우, 상기 이동평균 채널추정 사용 신호대 잡음비(SNR : Signal to Noise Ratio)는 하기 수학식 5와 같이 증가한다.
Figure 112006075944504-pat00005
상기 수학식 5에서, 상기 SNRMA는 상기 이동평균 채널추정 후의 신호대 잡음비, 상기 2N+1은 상기 이동평균 채널추정을 위해 이용된 타일의 수, 상기 HP는 파일럿만을 이용한 채널 추정 값, 상기 σ는 백색 부가성 잡음의 분산, 상기 SNRp는 이동평균 채널추정 전의 신호대 잡음비를 나타낸다.
상술한 바와 같이, 상기 이동평균 채널추정은 시간 축에서 인접한 파일럿들의 채널이 유사하다는 근거하에 채널 추정 시 잡음의 영향을 줄일 수 있다. 하지만, 시간 축에서 하나의 파일럿만을 사용하는 경우, 예를 들어, 프리앰블(Preamble)을 통해 주파수 축으로만 다수의 파일럿을 사용하는 경우, 상기 시간 축에서 이동평균 채널추정을 사용할 수 없다. 따라서, 상기 주파수 축에서의 이동평균 채널추정이 고려된다. 이때 만일, 상기 채널의 주파수 선택성(Frequency Selectivity)이 크거나 상기 파일럿들이 인접하지 않은 경우, 상기 파일럿들에 대한 채널들의 유사성이 성립되지 않는다. 이 경우, 상기 이동평균 채널추정을 상기 주파수 축에서 적용한다 할지라도, 오히려 채널 추정 성능이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 광대역 무선통신 시스템에서 주파수 축에서 이동평균법을 이용하여 채널을 추정하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 광대역 무선통신 시스템에서 주파수 축 이동평균 채널추정 필터의 계수를 채널간 편차를 고려하여 설정하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 광대역 무선통신 시스템의 수신 장치는, 파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 채널 추정기와, 이동평균 채널추정을 위하여, 신호대 간섭 및 잡음비를 최대화하는, 계수를 발생시키는 계수 발생기와, 상기 계수를 이용하여 주파수 축에서 이동평균 채널추정을 수행하는 이동평균 채널추정 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 광대역 무선통신 시스템의 수신 장치는, 파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 채널 추정기와, 이동평균 채널추정을 위하여, 상기 이동평균 채널추정 수행 후 테일러 급수 전개한 채널 추정 값들 간의 상호 간섭을 제거하는, 계수를 발생시키는 계수 발생기와, 상기 계수를 이용하여 주파수 축에서 이동평균 채널추정을 수행하는 이동평균 채널추정 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 견지에 따르면, 광대역 무선통신 시스템의 수신단에서 채널을 추정하기 위한 방법은, 파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 과정과, 이동평균 채널추정을 위하여, 상기 이동평균 채널추정 수행 후의 신호대 간섭 및 잡음비를 최대화하는, 계수를 발생시키는 과정과, 상기 계수를 이용하여 주파수 축에서 이동평균 채널추정을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 4 견지에 따르면, 광대역 무선통신 시스템의 수신단에서 채널을 추정하기 위한 방법은, 파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 과정과, 이동평균 채널추정을 위하여, 상기 이동평균 채널추정 수행 후 테일러 급수 전개한 채널 추정 값들 간의 상호 간섭을 제거하는, 계수를 발생시키는 과정과, 상기 계수를 이용하여 주파수 축에서 이동평균 채널추정을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단 된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 광대역 무선통신 시스템에서 주파수 축 이동평균(MA : Moving Average) 채널추정 필터의 계수를 채널 간 편차를 고려하여 설정하고, 상기 주파수 축 이동평균 채널추정 필터를 이용하여 채널을 추정하기 위한 기술에 대해 설명한다. 이하 설명에서, 상기 이동평균법을 이용해 채널을 추정하는 방식을 이동평균 채널추정이라 칭한다.
이하 설명에서, 상기 무선통신 시스템은 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 OFDM이라 칭함) 방식의 시스템을 예로 들어 설명하며, 다른 방식의 무선통신 시스템에서도 동일하게 적용할 수 있다.
우선, 본 발명에 따른 이동평균 채널추정 필터의 계수 설정을 위한 수학적 근거를 수식을 이용하여 설명한다.
도 2는 광대역 무선통신 시스템에서 다수의 안테나로 송신되는 프리앰블(Preamble)의 예를 도시하고 있다. 상기 도 2은 각 안테나로 수신되는 4개의 OFDM 심벌의 예를 도시하고 있다.
단일 안테나 시스템에서 상기 프리앰블은 모든 주파수 축에서 파일럿으로 구성된 신호이다. 하지만, 다중 안테나 시스템에서는 상기 프리앰블에 포함된 파일럿을 안테나별로 나누어 사용한다. 예를 들어, 4개의 안테나를 사용하는 경우, 각 안테나는 상기 도 2에 도시된 바와 같이 매 네 번째 부반송파마다 하나의 파일럿이 포함된 프리앰블을 사용한다.
이하 설명은 상기 도 2에 도시된 바와 같이 일정 간격의 부반송파에 파일럿이 포함되는 경우를 가정한다.
먼저, 주파수 선택성(Frequency Selectivity)에 의한 채널 추정 성능 열화를 감소시키기 위해 제안하는 계수 결정 방식에 대해 설명한다.
상기 파일럿을 이용하여 추정된 채널은 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006075944504-pat00006
상기 수학식 6에서 상기 Hp[k]는 k번째 부반송파로 수신된 파일럿을 이용한 채널 추정 값, 상기 H[k]는 상기 k번째 부반송파에 대한 채널 값, 상기 e[k]는 상기 k번째 부반송파에 대한 채널 추정 값의 오차를 나타낸다.
상기 수학식 6에서 상기 H[k]는 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006075944504-pat00007
상기 수학식 7에서 상기 H[k]는 k번째 부반송파에 대한 채널 값, 상기 L은 다중 경로의 개수, 상기 hl은 l 번째 다중 경로의 게인(Gain) 값을 나타낸다.
또한, 인접 부반송파에 대한 채널은 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006075944504-pat00008
Figure 112006075944504-pat00009
상기 수학식 8에서 상기 H[k+n]은 k+n 번째 부반송파에 대한 채널, 상기 H[k-n]은 k-n 번째 부반송파에 대한 채널, 상기 L은 다중 경로의 개수, 상기 hl은 l 번째 다중 경로의 게인 값을 나타낸다. 여기서, 상기 도 2와 같은 프리앰블을 사용하는 경우, 상기 n은 4이다.
이때, 인접한 두 쌍의 채널 추정 값을 이용하여 이동평균 채널추정을 수행한 경우의 채널 추정 값은 하기 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006075944504-pat00010
상기 수학식 9에서 상기 HMA[k]는 k 번째 부반송파에 대한 채널의 이동평균 채널추정 수행 후 채널 추정 값, 상기 α, β 및 γ는 각 채널 추정 값들에 대한 계수를 나타낸다. 즉, Hp[k]의 계수는 α/(α+2β+2γ), Hp[k+n] 및 Hp[k-n]의 계수는 β/(α+2β+2γ), Hp[k+2n] 및 Hp[k-2n]의 계수는 γ/(α+2β+2γ)이다.
상기 이동평균 채널추정을 수행한 경우, 해당 부반송파로 수신된 파일럿의 신호대 간섭 및 잡음비(SINR : Signal to Interference and Noise Ratio)의 근사치는 하기 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006075944504-pat00011
Figure 112006075944504-pat00012
상기 수학식 10에서 상기 α, β 및 γ는 이동평균 채널추정 시 각 채널 추정 값들에 대한 계수, 상기 SNR은 파일럿 자체의 수신 신호대 잡음비(SNR : Signal to Noise Ratio), 상기 MSE1은 n개 부반송파 간격을 갖는 채널 간의 평균 제곱 오차(MSE : Mean Square Error), 상기 MSE2는 2n개 부반송파 간격을 갖는 채널 간의 평균 제곱 오차를 나타낸다. 여기서, 채널 간의 평균 제곱 오차는 주파수 선택성의 정도를 의미하며, 상기 MSE1은 E[|H[k]-H[k-n]|2], 상기 MSE2는 E[|H[k]-H[k-2n]|2]로 정의된다.
상기 수학식 10을 참조하면, 상기
Figure 112006075944504-pat00013
및
Figure 112006075944504-pat00014
은 주파수 선택 성에 의한 오차를, 상기
Figure 112006075944504-pat00015
는 잡음을, 상기 (α+2β+2γ)2는 원하는 신호 성분을 의미한다. 따라서, 상기 수학식 10의 수식을 최대화하도록 상기 α, β 및 γ를 결정함으로써, 이동평균 채널추정 시 채널 추정의 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 α, β 및 γ를 양의 정수로 가정하고, α+2β+2γ=2C가 되도록 최적화한다. 여기서 상기 C는 미리 정해진 양의 정수이다.
다음으로, 상기 주파수 선택성으로 인한 평균 제곱 오차를 완전히 제거하기 위해 제안하는 계수 결정 방식에 대해 설명한다.
상기 수학식 8에서 인접한 채널 간의 편차는 테일러 급수 전개(Taylor Serise Expansion)을 이용하여 하기 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006075944504-pat00016
상기 수학식 11에서, 상기 N은 해당 채널에서의 다중 경로 개수, 상기 n은 인접한 채널 간에 부반송파 차이 개수를 나타낸다.
상기 수학식 11을 이용하여 상기 수학식 8을 하기 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006075944504-pat00017
상기 수학식 12를 참조하면, 상기 al[n] 및 bl[n]이 부반송파 간의 편차, 즉, 주파수 선택성을 의미하는 요소이다.
이때, 상기 수학식 12를 이용하여 상술한 신호대 간섭 및 잡음비 기반의 방식을 사용한 계수가 [α/(1+2α), 1/(1+2α), α/(1+2α)]인 이동평균 채널추정을 하기 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006075944504-pat00018
상기 수학식 13을 참조하면, 상기 수학식 12의 표현을 이용하는 경우, 상기 al[n] 성분이 상쇄된다. 하지만 상기 bl[n] 성분은 잔존하여 간섭으로 작용한다. 따 라서, 상기 bl[n] 성분을 상쇄시키기 위해 Hp[k+2n] 및 hp[k-2n]을 포함하여 이동평균 채널추정을 사용한다.
상기 Hp[k+2n] 및 hp[k-2n]에 대해 테일러 급수 전개를 이용하면, 하기 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006075944504-pat00019
상기 수학식 14를 참조하면, 상기 Hp[k+2n] 및 hp[k-2n]을 합하는 경우, al[2n] 성분은 상쇄된다. 또한, 상기 bl[2n]은 4·bl[n]과 동일하다. 따라서, 하기 수학식 15와 같이 계수를 [
Figure 112006075944504-pat00020
,
Figure 112006075944504-pat00021
,
Figure 112006075944504-pat00022
,
Figure 112006075944504-pat00023
,
Figure 112006075944504-pat00024
]로 설정하여 이동평균 채널추정을 수행하면 상기 al[n] 및 bl[n] 성분이 모두 상쇄된다. 좀더 단순히 말하면, H[k+n]과 H[k+2n]의 계수 비가 1:-1/4이 성립하면 상기 al[n] 및 bl[n] 성분이 모두 상쇄된다.
Figure 112006075944504-pat00025
이때, 채널 추정 값에 대한 신호대 간섭 및 잡음비는 하기 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006075944504-pat00026
상기 수학식 16에서, 상기 α는 이동평균 채널추정 시 선택된 상수, 상기 SNR은 파일럿 신호의 신호대 잡음비를 나타낸다.
상기 수학식 16을 참조하면, 상기
Figure 112006075944504-pat00027
은 원하는 신호 성분, 상기
Figure 112006075944504-pat00028
은 잡음 성분을 의미한다. 즉, 상기 수학식 10과 비교하여 주파수 선택성에 따른 평균 제곱 오차가 사라진 것을 확인할 수 있다. 하지만, 상기 수학식 10에 비하여 잡음 성분이 커진 것을 확인할 수 있다.
따라서, 채널의 다중경로 지연 확산(Multipath Delay Spread)이 큰 경우, 상기 테일러 급수 전개에 기반한 계수 결정 방식을 사용하고, 상기 다중경로 지연확 산이 비교적 작은 경우, 상기 신호대 간섭 및 잡음비를 최소화에 기반하는 계수 결정 방식을 사용한다. 여기서, 상기 계수 결정은 시스템 설계시 반영되어 상기 시스템 내에서 고정된 값으로 사용될 수도 있고, 채널 변화에 따라 매번 산출하여 사용할 수도 있다.
이하 본 발명은 상술한 바와 같이 결정된 계수를 이용하여 이동평균 채널추정을 수행하기 위한 수신단의 구조 및 동작에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 수신단의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 수신단은 RF(Radio Frequency) 처리기(301), 아날로그 디지털 변환기(Analog Digital Converter, 이하 ADC라 칭함)(303), OFDM 복조기(305), 자원 디매핑기(307), 채널 추정기(309), 계수 발생기(311), 이동평균 채널추정 필터(313), 등화기(Equalizer)(315), 복조기(317) 및 복호화기(319)를 포함하여 구성된다.
상기 RF 처리기(301)는 안테나를 통해 수신된 RF 대역 신호를 기저대역 신호로 변환한다. 상기 ADC(303)는 상기 RF 처리기(301)로부터 아날로그 신호를 제공받아 디지털 신호로 변환한다. 상기 OFDM 복조기(305)는 상기 ADC(305)로부터 OFDM 심벌을 제공받아 FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 시간 영역 신호를 주파수 영역 신호로 변환한다.
상기 자원 디매핑기(307)는 상기 OFDM 복조기(305)로부터 주파수 축으로 나열된 신호들을 제공받아 데이터 신호, 파일럿 신호, 지연확산 측정을 위한 훈련신호 등을 구분한다. 즉, 상기 자원 디매핑기(307)는 상기 데이터 신호를 상기 등화기(313)로 출력하고, 상기 파일럿 신호를 상기 채널 추정기(309)로 출력한다.
상기 채널 추정기(309)는 상기 자원 디매핑기(307)로부터 파일럿 신호를 제공받아 상기 파일럿 신호를 이용하여 해당 각 부반송파의 채널을 추정하여 상기 계수 발생기(311) 및 이동평균 채널추정 필터(313)로 출력한다.
상기 계수 발생기(311)는 이동평균 채널추정을 수행하기 위한 계수를 산출한다. 예를 들어, 상술한 신호대 간섭 및 잡음비 기반의 계수를 사용하는 경우, 상기 계수 발생기(311)는 상기 채널 추정기(309)로부터 제공되는 부반송파들의 채널 추정 값을 이용하여 파일럿 신호의 자체 신호대 잡음비, 인접 채널 간의 평균 제곱 오차( E[|H[k]-H[k-n]|2] )를 계산하고, 신호대 간섭 및 잡음비 계산식의 결과가 최대가 되도록 상기 계수를 산출한다. 여기서, 상기 신호대 간섭 및 잡음비 계산식은, 사용하는 채널 추정 값의 수에 따라 다수의 계산식을 저장하여 사용한다. 예를 들어, 5개의 채널 추정 값을 이용하여 상기 d을 수행하는 경우, 상기 수학식 10에 l나타난 바와 같은 계산식을 사용할 수 있다.
또는, 상술한 테일러 급수 전개 기반의 계수를 사용하는 경우, 상기 계수 발h생기(311)는 테일러 급수 전개를 기반으로 주파수 선택성을 제거할 수 있는 비율d로 상기 계수를 산출한다. 여기서, 상기 계수 간의 비율은, 사용하려는 채널 추v정 값의 수에 따라 다수의 비율 정보를 저장하여 사용한다. 예를 들어, 5개의 채널 추정 값을 이용하여 상기 테일러 급수 기반 이동평균 채널추정을 수행하는 경우, 상기 계수는 추정하려는 채널(H[k])을 기준으로 근접한 채널(H[k+n])과 다음으로 근접한 채널(H[k+2n])의 비가 1:-1/4가 되도록 계수를 결정한다.
여기서, 상기 계수 발생기(311)는 계수를 일정 주기로 산출하거나, 매 채널 추정시마다 산출할 수 있다. 반면, 시스템 설계시 상기 계수를 고정된 값으로 사용하는 경우, 상기 계수 발생기(311)는 계수 산출 동작을 수행하지 않으며, 채널 추정시마다 미리 저장되어 있는 계수를 상기 이동평균 채널추정 필터(313)로 출력한다.
상기 이동평균 채널추정 필터(313)는 상기 계수 발생기(311)로부터 제공되는 계수로 상기 채널 추정기(309)로부터 제공되는 부 반송파별 채널 추정 값들에 대해 이동평균 채널추정을 수행하여 전체 주파수 대역에 대한 채널 추정 값들을 출력한다.
상기 등화기(315)는 상기 자원 디매핑기(307)로부터 데이터 신호를 제공받고, 상기 이동평균 채널추정 필터(313)로부터 채널 추정 값을 제공받아 채널을 통과하며 발생된 상기 데이터 신호의 왜곡을 보상한다.
상기 복조기(317)는 상기 등화기(315)로부터 데이터 신호를 제공받아 해당 복조방식에 따라 비트열로 변환한다. 상기 복호화기(319)는 상기 복조기(317)로부터 비트열을 제공받아 해당 부호화율 및 부호화방식에 따라 사용자 데이터를 복원한다.
상기 도 3를 참조하여 설명한 구성에서, 상기 수신단은 상술한 신호대 간섭 및 잡음비 기반 또는 테일러 급수 기반의 계수 중 하나를 사용한다. 또 다른 실시 예로, 미 도시되었지만 다중경로 지연 확산을 측정하는 지연확산 측정기를 구성하여, 다중경로 지연 확산, 즉 주파수 선택성에 따라 두 가지 계수 중 하나를 선택하여 이동평균 채널추정을 수행할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템의 수신단에서 이동평균법을 이용하여 채널 추정을 하는 절차를 도시하고 있다. 상기 도 4는 상기 이동평균 채널추정을 위한 계수를 시스템 설계시 결정하여 고정적으로 사용하는 경우의 절차를 도시하고 있다.
상기 도 4을 참조하면, 상기 수신단은 401단계에서 송신단으로부터 신호가 수신되는지 확인한다.
상기 신호가 수신되면, 상기 수신단은 403단계로 진행하여 수신 신호에 포함된 파일럿 신호를 이용하여 각 부반송파들의 채널을 추정한다. 예를 들어, 상기 파일럿 신호는 상기 도 2에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.
이후, 상기 수신단은 405단계로 진행하여 이동평균 채널추정을 수행하기 위한 계수를 확인한다. 이때, 상기 계수는 상술한 신호대 간섭 및 잡음비 기반 또는 상기 테일러 급수 기반으로 결정된 계수이며, 시스템 설계시 결정되어 미리 저장되어 있다.
상기 계수를 확인한 후, 상기 수신단은 407단계로 진행하여 다수의 채널 추 정 값에 상기 확인된 계수를 적용하여 이동평균 채널추정을 수행한다. 다시 말해, 각각의 채널 추정 값과 대응되는 계수를 곱하고, 계수가 곱해진 각 채널 추정 값들을 합함으로써 이동평균 채널추정을 사용한 채널 추정 값을 획득한다.
상기 이동평균 채널추정을 수행한 후, 상기 수신단은 409단계로 진행하여 상기 이동평균 채널추정을 통해 획득한 채널 추정 값을 이용하여 데이터를 복원한다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템의 수신단에서 이동평균법을 이용하여 채널 추정을 하는 절차를 도시하고 있다. 상기 도 5는 상기 이동평균 채널추정을 위한 계수를 수신단에서 직접 산출하여 사용하는 경우의 절차를 도시하고 있다.
상기 도 5를 참조하면, 상기 수신단은 501단계에서 송신단으로부터 신호가 수신되는지 확인한다.
상기 신호가 수신되면, 상기 수신단은 503단계로 진행하여 수신 신호에 포함된 파일럿 신호를 이용하여 각 부반송파들의 채널을 추정한다. 예를 들어, 상기 파일럿 신호는 상기 도 2에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.
이후, 상기 수신단은 505단계로 진행하여 이동평균 채널추정의 계수를 결정하기 위한 계산식 또는 계수 비율을 확인한다. 다시 말해, 상술한 신호대 간섭 및 잡음비를 최소화하는 계수를 사용하는 경우, 사용하려는 채널 추정 값의 수에 따라 미리 저장된 상기 신호대 간섭 및 잡음비 계산식을 확인한다. 예를 들어, 5개의 채널 추정 값을 사용하는 경우, 상기 수학식 10에 나타난 바와 같은 계산식을 확인한 다.
또는, 상술한 테일러 급수 기반의 계수를 사용하는 경우, 사용하려는 채널 추정 값의 수에 따라 테일러 급수 전개를 기반으로 미리 산출되어 저장된 계수 비율을 확인한다. 예를 들어, 5개의 채널 추정 값을 이용하여 상기 테일러 급수 기반 이동평균 채널추정을 수행하는 경우, 상기 계수는 추정하려는 채널(H[k])을 기준으로 근접한 채널(H[k+n])과 다음으로 근접한 채널(H[k+2n])의 비율은 1:-1/4이다.
이후, 상기 수신단은 507단계로 진행하여 상기 이동평균 채널추정을 수행하기 위한 계수를 산출한다. 다시 말해, 상술한 신호대 간섭 및 잡음비를 최소화하는 계수를 사용하는 경우, 상기 확인된 계산식이 최대가 되도록 상기 계수를 산출한다. 또는, 상기 테일러 급수 기반의 계수를 사용하는 경우, 상기 확인된 계수 비율에 따라 상기 계수를 산출한다.
상기 계수를 산출한 후, 상기 수신단은 509단계로 진행하여 다수의 채널 추정 값에 상기 확인된 계수를 적용하여 이동평균 채널추정을 수행한다. 다시 말해, 각각의 채널 추정 값과 대응되는 계수를 곱하고, 계수가 곱해진 각 채널 추정 값들을 합함으로써 이동평균 채널추정을 사용한 채널 추정 값을 획득한다.
상기 이동평균 채널추정을 수행한 후, 상기 수신단은 511단계로 진행하여 상기 이동평균 채널추정을 통해 획득된 채널 추정 값을 이용하여 데이터를 복원한다.
상기 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 실시 예는, 신호대 간섭 및 잡음비 기반 또는 테일러 급수 기반의 계수 중 한 가지를 고정적으로 사용하는 경우에 대해 설명하였다. 또 다른 실시 예로, 다중경로 확산 지연, 즉 주파수 선택성에 따라 상기 두 가지 계수 중 하나를 선택하여 상기 이동평균 채널추정을 수행할 수도 있다.
도 6는 본 발명에 따른 광대역 무선통신 시스템의 채널 추정 성능을 나타내는 그래프를 도시하고 있다.
상기 도 6의 (a)는 9 탭(Tap) 다중경로 채널을 가정하여 신호대 잡음비에 대한 평균 제곱 오차를 나타내는 그래프이다. 이때, 상술한 신호대 간섭 및 잡음비 기반의 계수 결정 방식을 이용하여 상기 수학식 10에서 α를 2, β를 2, γ를 1로 결정한 경우의 성능을 도시하고 있다. 상기 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 신호대 간섭 및 잡음비 기반의 계수 결정 방식을 이용하는 경우, 이동평균 채널추정을 사용하지 않은 경우에 비해 약 7dB 정도의 이득을 나타내고 있다.
상기 도 6의 (b)는 12 탭 다중경로 채널을 가정하여 신호대 잡음비에 대한 평균 제곱 오차를 나타내는 그래프이다. 이때, 상술한 신호대 간섭 및 잡음비 기반의 계수 결정 방식을 이용하여 상기 수학식 13에서 α를 0.5로 결정한 경우의 성능을 도시하고 있다. 또한, 상술한 테일러 급수 전개 기반의 계수 결정 방식을 이용하여 상기 수학식 15에서 α를 0.4로 결정한 경우의 성능을 도시하고 있다. 상기 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 테일러 급수 전개에 기반한 방식은 상기 신호대 간섭 및 잡음비 기반의 방식에 비해 낮은 신호대 잡음비에서 열악한 성능을 보이지만, 상기 신호대 잡음비가 20dB 이상으로 증가할수록 우수한 성능을 나타내고 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 광대역 무선통신 시스템에서 주파수 선택성을 고려하여 이동평균 채널추정을 위한 계수를 결정함으로써, 상기 주파수 선택성이 큰 통신 채널에서 주파수 축 이동평균 채널추정을 수행할 수 있다.

Claims (20)

  1. 광대역 무선통신 시스템의 수신 장치에 있어서,
    파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 채널 추정기와,
    이동평균(MA : Moving Average) 채널추정을 위하여, 신호대 간섭 및 잡음비(SINR : Signal to Interference and Noise Ratio)를 최대화하는, 계수를 발생시키는 계수 발생기와,
    상기 계수를 이용하여 주파수 축에서 이동평균 채널추정을 수행하는 이동평균 채널추정 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 계수 발생기는,
    기 저장된 계수를 확인하여 출력하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 계수 발생기는,
    기 저장된 상기 신호대 간섭 및 잡음비의 계산식을 확인하여, 상기 계산식이 최대가 되도록 계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 계수 발생기는,
    하기 수학식 17을 최대화하는 α, β 및 γ를 결정하여 계수 [γ/(α+2β+2γ), β/(α+2β+2γ), α/(α+2β+2γ), β/(α+2β+2γ), γ/(α+2β+2γ)]를 산출하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112006075944504-pat00029
    여기서, 상기 SNR은 파일럿 자체의 수신 신호대 잡음비(SNR : Signal to Noise Ratio), 상기 MSE은 인접 채널 간의 평균 제곱 오차(MSE : Mean Square Error)를 나타냄.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 이동평균 채널추정 필터로부터의 채널 추정 값을 이용하여 데이터 신호의 왜곡을 보상하는 등화기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 광대역 무선통신 시스템의 수신 장치에 있어서,
    파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 채널 추정기와,
    이동평균(MA : Moving Average) 채널추정을 위하여, 상기 이동평균 채널추정 수행 후 테일러 급수 전개(Taylor Series Expantion)한 채널 추정 값들 간의 상호 간섭을 제거하는, 계수를 발생시키는 계수 발생기와,
    상기 계수를 이용하여 주파수 축에서 이동평균 채널추정을 수행하는 이동평균 채널추정 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 계수 발생기는,
    기 저장된 계수를 확인하여 출력하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 계수 발생기는,
    기 저장된 테일러 급수 전개에 의한 계수 비율 정보를 확인하여, 상기 비율을 만족하도록 상기 계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 계수 발생기는,
    기 저장된 계수 비율 [-α/4 : α : 1 : α : -α/4]에 만족하도록 상기 계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 이동평균 채널추정 필터로부터의 채널 추정 값을 이용하여 데이터 신호의 왜곡을 보상하는 등화기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 광대역 무선통신 시스템의 수신단에서 채널을 추정하기 위한 방법에 있어서,
    파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 과정과,
    이동평균(MA : Moving Average) 채널추정을 위하여, 상기 이동평균 채널추정 수행 후의 신호대 간섭 및 잡음비(SINR : Signal to Interference and Noise Ratio)를 최대화하는, 계수를 발생시키는 과정과,
    상기 계수를 이용하여 주파수 축에서 이동평균 채널추정을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 계수를 발생시키는 과정은,
    기 저장된 계수를 확인하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 계수를 산출하는 과정은,
    기 저장된 상기 신호대 간섭 및 잡음비의 계산식을 확인하는 과정과,
    상기 계산식이 최대가 되도록 계수를 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 계수를 산출하는 과정은,
    하기 수학식 18을 최대화하는 α, β 및 γ를 결정하는 과정과,
    상기 α, β 및 γ로부터 계수 [γ/(α+2β+2γ), β/(α+2β+2γ), α/(α+2β+2γ), β/(α+2β+2γ), γ/(α+2β+2γ)]를 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112006075944504-pat00030
    여기서, 상기 SNR은 파일럿 자체의 수신 신호대 잡음비(SNR : Signal to Noise Ratio), 상기 MSE은 인접 채널 간의 평균 제곱 오차(MSE : Mean Square Error)를 나타냄.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 이동평균 채널추정을 통해 획득한 채널 추정 값을 이용하여 데이터 신호의 왜곡을 보상하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 광대역 무선통신 시스템의 수신단에서 채널을 추정하기 위한 방법에 있어서,
    파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 과정과,
    이동평균(MA : Moving Average) 채널추정을 위하여, 상기 이동평균 채널추정 수행 후 테일러 급수 전개(Taylor Series Expantion)한 채널 추정 값들 간의 상호 간섭을 제거하는, 계수를 발생시키는 과정과,
    상기 계수를 이용하여 주파수 축에서 이동평균 채널추정을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 계수를 발생시키는 과정은,
    기 저장된 계수를 확인하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 계수를 산출하는 과정은,
    기 저장된 테일러 급수 전개에 의한 계수 비율 정보를 확인하는 과정과,
    상기 비율을 만족하도록 상기 계수를 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 계수를 산출하는 과정은,
    기 저장된 계수 비율 [-α/4 : α : 1 : α : -α/4]를 확인하는 과정과,
    상기 비율을 만족하도록 상기 계수를 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 이동평균 채널추정을 통해 획득한 채널 추정 값을 이용하여 데이터 신호의 왜곡을 보상하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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