KR101283739B1

KR101283739B1 - Ｏｆｄｍ 시스템에서의 주파수 옵셋 추정 방법

Info

Publication number: KR101283739B1
Application number: KR1020090124349A
Authority: KR
Inventors: 황현구; 김대호; 배정숙
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2013-07-08
Also published as: US20110142145A1; KR20110067657A

Abstract

주파수 옵셋 추정 방법을 제공한다. 주파수 옵셋 추정 방법은 수신신호에 대한 보호구간과 연관된 자기상관값들을 계산하는 단계, 상기 계산된 자기상관값들을, 신호가 있는 구간과 연관된 제1 자기상관값들과 신호가 있지 않은 구간과 연관된 제2 자기상관값들로 구분하는 단계, 상기 구분된 제2 자기상관값들의 이용 여부를 결정하는 단계, 및 상기 이용하기로 결정된 제2 자기상관값들과 상기 제1 자기상관값들을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하는 단계를 포함한다.

주파수, 옵셋, 추정, CP, 자기상관, 임계값

Description

ＯＦＤＭ 시스템에서의 주파수 옵셋 추정 방법{METHOD FOR FREQUENCY OFFSET ESTIMATION IN Orthogonal Frequency Division Multiplexing SYSTEM}

본 발명의 일실시예들은 OFDM 시스템에서의 주파수 옵셋 추정 방법에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-001-04, 과제명: 4세대 이동통신용 적응 무선접속 및 전송 기술개발].

일반적으로, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템에서는 CP(Cyclic Prefix, 보호구간)이 존재하고, 이 CP를 이용하여 주파수 옵셋을 추정한다.

그런데, OFDM 시스템이 서킷 통신이 아니라 패킷 통신을 한다면, CP는 항상 존재하지는 않는다. 이를 테면 3G LTE(Long Term Evolution) 시스템이 이에 속한다. 3G LTE 시스템은 패킷 통신을 사용하는데, 기준신호가 있는 OFDM 심볼 구간에는 항상 신호가 존재하지만 그 외의 구간에서는 신호가 존재하지 않을 수도 있다.

예컨대, 3G LTE 에서 사용되는 1ms 서브 프레임의 구조에서는 0번, 4번, 7 번, 11번 OFDM 심볼에는 항상 기준신호(Reference Signal)가 존재하고, 이외의 다른 OFDM 심볼에는 신호가 있을 수도 있고 없을 수도 있다. 이 경우, 주파수 옵셋 추정 방법은 신호, 즉 CP가 항상 있는 구간에서만 CP를 이용하여 자기 상관값을 계산하고, 계산된 자기 상관값으로 주파수 옵셋을 추정하는 것이다.

첫번째 종래방식은 CP가 존재하는 구간들에서만 자기 상관값을 계산하고, 계산된 자기 상관값으로 주파수 옵셋을 추정한다. 두번째, 종래방식은 실제 신호의 유무와 상관없이 항상 신호, 즉 CP가 있다고 가정하고 자기 상관값을 항상 주파수 옵셋을 추정하는데 이용하는 방식이다.

그러나, 종래의 두가지 방식 모두 효과적인 주파수 옵셋 추정을 하는데 문제가 있다. 우선, 신호가 항상 있는 구간에서만 자기 상관을 하는 첫번째 종래방식은 데이터가 모든 구간에 실제로 있는 상황에서는 두번째 종래방식보다 성능이 떨어진다.

도 1은 종래기술의 주파수 옵셋 추정 방법을 수행한 OFDM 시스템 성능을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, '실선'이 첫번째 종래방식의 성능인데, 이것은 '쇄선(동그라미)'보다 성능이 떨어진다. 여기서, '쇄선'은 데이터가 모든 구간에 있는 경우의 두번째 종래방식의 성능이다. 이렇게 성능이 떨어지는 이유는 첫번째 종래방식이 주파수 옵셋을 추정하는데 더 적은 샘플을 사용하기 때문이다.

또한, 항상 신호가 있다고 가정하고 자기 상관값을 항상 주파수 옵셋 추정하는데 이용하는 두번째 종래방식은 신호가 매우 드물게 있을 경우의 성능이 좋지 못하다. 왜냐하면, 신호가 없는 구간에서는 노이즈를 더해주기 때문이다.

한편, '점선(세모)'은 기준신호만 있고 데이터 신호가 없는 경우의 두번째 종래방식에 의한 성능이 보여진다. 도시한 바와 같이, 성능이 상당히 떨어지기 때문에, OFDM 시스템은 불안정하게 된다.

본 발명의 일실시예는 수신신호에 대한 보호구간(CP)과 연관된 자기상관값들을 계산하고, 계산된 자기상관값들 중, 신호가 있는 구간과 신호가 있지 않은 구간에 따라 선택된 자기상관값들을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하는 OFDM 시스템에서의 주파수 옵셋 추정 방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따른 주파수 옵셋 추정 방법은 수신신호에 대한 보호구간과 연관된 자기상관값들을 계산하는 단계, 상기 계산된 자기상관값들을, 신호가 있는 구간과 연관된 제1 자기상관값들과 신호가 있지 않은 구간과 연관된 제2 자기상관값들로 구분하는 단계, 상기 구분된 제2 자기상관값들의 이용 여부를 결정하는 단계, 및 상기 이용하기로 결정된 제2 자기상관값들과 상기 제1 자기상관값들을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 수신신호에 대한 보호구간과 연관된 자기상관값들을 계산하는 단계는 각 OFDM 심볼의 보호구간과 상기 보호구간과 관련된 데이터를 자기상관하는 것을 의미한다.

이때, 상기 구분된 제2 자기상관값들의 이용 여부를 결정하는 단계는 상기 제2 자기상관값에 대한 복소수값의 각도가 선정된 구간에 포함되는 경우, 상기 제2 자기상관값을 이용하기로 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 선정된 구간은 선정된 하위 임계값과 선정된 상위 임계값 사이의 구간이다.

이때, 상기 구분된 제2 자기상관값들의 이용 여부를 결정하는 단계는 상기 제2 자기상관값에 대한 복소수의 실수값이 선정된 임계값을 초과하는 경우, 상기 제2 자기상관값을 이용하기로 결정하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 주파수 옵셋 추정 방법은 상기 제1 자기상관값들과 연관된 실수값들의 평균에 비례하여 상기 임계값을 선정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 주파수 옵셋 추정 시스템은 수신신호에 대한 보호구간과 연관된 자기상관값들을 계산하는 자기상관값 계산부, 상기 계산된 자기상관값들을, 신호가 있는 구간과 연관된 제1 자기상관값들과 신호가 있지 않은 구간과 연관된 제2 자기상관값들로 구분하는 자기상관값 구분부, 상기 구분된 제2 자기상관값들의 이용 여부를 결정하는 이용여부 결정부, 및 상기 이용하기로 결정된 제2 자기상관값들과 상기 제1 자기상관값들을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정부를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, OFDM 시스템에서 주파수 옵셋을 효과적으로 추정할 수 있다.

이하, 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 옵셋 추정 방법을 도시한 흐름도 이다.

도 2를 참조하면, 주파수 옵셋 추정 방법은 수신신호에 대한 보호구간(CP)과 연관된 자기상관값을 계산한다(210).

도 3은 본 발명이 적용될 수 있는 신호 구조도의 일례를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 1ms의 서브 프레임은 0에서 13까지 총 14개의 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 심볼로 구성이 되어 있다. 여기서, 회색으로 표시된 0번, 4번, 7번, 11번 OFDM 심볼에는 항상 기준신호(Reference Signal)가 존재하고, 이외의 다른 OFDM 심볼에는 신호가 있을 수도 있고 없을 수도 있다.

도 3과 같은 신호를 수신하여 주파수 옵셋을 추정하기 위해, 주파수 옵셋 추정 방법은 각 OFDM 심볼의 보호구간(CP: Cyclic Prefix)와 보호구간과 관련된 데이터를 자기상관한 값을 구하는 것이다. 주파수 옵셋이 없다면, 상기 계산된 자기상관값은 실수가 될 것이고 허수부는 '0'이 될 것이다. 그러나, 주파수 옵셋이 있다면, 상기 계산된 자기상관값은 복소수가 될 것이고, 복소 평면에서 크기와 각도를 가지는 벡터로 표현될 수 있다.

상기와 같이, 계산된 자기상관값들은 신호가 항상 있는 구간에서의 '제1 자기상관값'과 신호가 항상 있지 않은 구간에서의 '제2 자기상관값'으로 구분될 수 있다. 예컨대, 도 3을 참조하면, 신호가 항상 있는 구간인 0번, 4번, 7번, 11번 OFDM 심볼에서 계산된 제1 자기상관값들은 당연히 의미있는 값이므로 주파수 옵셋 추정에 사용될 수 있다. 그러나, 신호가 항상 있는 구간이 아닌 나머지 OFDM 심볼 구간들에서 계산된 제2 자기상관값들은 실제 신호가 전송되었느냐 아니냐에 따라서 의미가 있을 수도 있고 의미가 없을 수도 있다.

따라서, 주파수 옵셋 추정 방법은 상기 구분된 자기상관값들 중에서 신호가 항상 있는 구간이 아닌, 신호가 항상 있지 않은 구간에서 계산된 제2 자기상관값들을 주파수 옵셋 추정에 사용할 지 말지를 결정해야 한다.

주파수 옵셋 추정 방법은 상기 계산된 자기상관값이 신호가 있는 구간에 포함되는지 여부를 판단한다(220). 즉, 상기 계산된 자기상관값들 중, 신호가 항상 있는 구간에서의 '제1 자기상관값'은 곧바로 주파수 옵셋 추정에 사용할 수 있으나, 신호가 항상 있지 않은 구간에서의 '제2 자기상관값'은 이용가치가 있는지 먼저 판단해야 한다.

이에 따라, 주파수 옵셋 추정 방법은 상기 신호가 항상 있지 않은 구간에서의 '제2 자기상관값'이 이용가치가 있는지 판단한다(230). 즉, 주파수 옵셋 추정 방법은 상기 제2 자기상관값이 주파수 옵셋 추정에 도움이 되는지 안되는지 여부를 판단할 수 있다. 주파수 옵셋 추정에 도움이 되는지 안되는지 여부를 판단하는 알고리즘은 여러 가지를 사용할 수 있다.

실시예로, 첫번째 알고리즘은 상기 제2 자기상관값으로 계산된 복소수 값의 각도가 선정된 구간안에 있을 경우에 상기 제2 자기상관값을 사용하기로 판단하는 것이다. 상기 선정된 구간은 선정된 하위 임계값과 선정된 상위 임계값 사이의 구간을 의미한다.

예를 들면, 주파수 옵셋 추정 방법은 제2 자기상관값으로 계산된 복소수의 각도가 -10도 에서 10도 사이에 속한 경우에만 제2 자기상관값을 사용할 수 있다. 그 이유는, 보통의 경우 주파수 옵셋이 잘 보정되어 있고, 따라서 주파수 옵셋의 크기는 0 Hz에 가깝기 때문에, 상기 자기상관값으로 계산된 복소수의 각도 역시 0도에 근접하게 되기 때문이다. 따라서, 0도에 근접하지 않은 복소수의 자기상관값은 노이즈(noise)로 판단할 수 있고, 이런 자기상관값은 주파수 옵셋 추정에 사용되지 않을 수 있다.

두번째 알고리즘은 상기 제2 자기상관값으로 계산된 복소수 실수값의 크기가 선정된 임계값을 초과하는 경우에, 제2 자기상관값을 사용하기로 판단하는 것이다. 상기 임계값은 상기 제1 자기상관값들과 연관된 실수값들의 평균에 비례하여 선정될 수 있다.

예를 들면, 주파수 옵셋 추정 방법은 제2 자기상관값으로 계산된 복소수 실수값의 크기가 0.75 * mag 을 넘는 경우에만, 제2 자기상관값을 사용할 수 있다. 여기서 'mag'는 신호가 항상 있는 구간에서 계산된 제1 자기상관값들의 실수값 평균이다. 이렇게 하는 이유는 신호가 존재하는 경우에는 자기상관값을 계산하는 과정에서 각 자기상관 신호 샘플들이 동위상으로 더해져서 큰 실수값을 형성하고, 따라서, 작은 실수값은 신호가 없을 확률이 높다는 것을 의미하기 때문이다.

상기와 같은 두가지 알고리즘은 함께 사용될 수도 있다. 즉, 주파수 옵셋 추정 방법은 자기상관값으로 계산된 복소수의 각도가 선정된 구간안에 있으면서 그 실수값이 임계값을 넘어서는 경우에, 제2 자기상관값을 사용하기로 판단할 수 있다.

최종적으로, 주파수 옵셋 추정 방법은 상기 제1 자기상관값과 상기 이용하기로 결정된 제2 자기상관값들을 이용하여 주파수 옵셋을 추정한다(240). 즉, 주파수 옵셋 추정 방법은 신호가 항상 있는 구간에서 계산된 '제1 자기상관값들'과 신호가 항상 있지는 않은 구간에서 계산된 제2 자기상관값들 중에서 '사용하기로 결정된 제2 자기상관값들'을 이용하여 주파수 옵셋을 추정할 수 있다.

도 4는 종래의 OFDM 시스템 성능과 본 발명의 OFDM 시스템 성능을 비교한 그래프를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, '실선'은 종래의 주파수 옵셋 추정 방법 중에서 항상 신호가 있는 구간에서의 자기상관값만을 이용하여 주파수 옵셋을 추정한 성능이다. 반면, '쇄선(동그라미)'은 제2 자기상관값으로 계산된 복소수의 각도가 -10 도에서 +10도 구간안에 있을 경우에, 상기 제2 자기상관값을 사용하기로 판단하는 본 발명의 알고리즘을 이용하여 주파수 옵셋을 추정한 성능이다.

'점선(세모)'은 본 발명의 자기상관값의 사용 판단 알고리즘 두 개를 함께 사용한 경우의 성능이다. 즉, '점선'은 제2 자기상관값으로 계산된 복소수의 각도가 -10 도에서 +10도 구간안에 있으면서, 동시에 제2 자기상관값으로 계산된 복소수의 실수값의 크기가 0.75 * mag 를 넘는 경우의 제2 자기상관값을 이용하여 주파수 옵셋을 추정한 성능이다.

도시한, 성능 그래프는 본 발명이 종래의 주파수 옵셋 추정 방법보다 더 효과적으로 주파수 옵셋을 추정함을 보여주고 있다.

이로써, 본 발명의 일실시예에 따른 OFDM 시스템에서 주파수 옵셋 추정 방 법은 패킷 전송 시스템에서 주파수 옵셋 추정을 효과적으로 할 수 있는 장점이 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 옵셋 추정 시스템을 도시한 블록도이다.

도 5를 참조하면, 주파수 옵셋 추정 시스템(500)은 자기상관값 계산부(510), 자기상관값 구분부(520), 이용여부 결정부(530), 주파수 옵셋 추정부(540), 및 임계값 선정부(550)를 포함할 수 있다.

자기상관값 계산부(510)는 수신신호에 대한 보호구간과 연관된 자기상관값들을 계산한다. 이때, 자기상관값 계산부(510)는 각 OFDM 심볼의 보호구간과 상기 보호구간과 관련된 데이터를 자기상관하여, 상기 자기상관값들을 계산할 수 있다.

자기상관값 구분부(520)는 상기 계산된 자기상관값들을 신호가 있는 구간과 연관된 '제1 자기상관값들'과 신호가 있지 않은 구간과 연관된 '제2 자기상관값들'로 구분한다.

이용여부 결정부(530)는 상기 구분된 제2 자기상관값들의 이용 여부를 결정한다.

실시예로, 이용여부 결정부(530)는 상기 제2 자기상관값에 대한 복소수값의 각도가 선정된 하위 임계값과 선정된 상위 임계값 사이의 구간에 포함되는 경우, 상기 제2 자기상관값을 이용하기로 결정할 수 있다. 예컨대, 이용여부 결정부(530)는 상기 제2 자기상관값으로 계산된 복소수의 각도가 -10 도(하위 임계값)에서 +10도(상위 임계값) 구간안에 있을 경우에, 상기 제2 자기상관값을 이용하기 로 결정할 수 있다.

다른 실시예로, 이용여부 결정부(530)는 상기 제2 자기상관값에 대한 복소수의 실수값이 선정된 임계값을 초과하는 경우, 상기 제2 자기상관값을 이용하기로 결정할 수 있다. 여기서, 임계값 선정부(550)는 상기 제1 자기상관값들과 연관된 실수값들의 평균에 비례하여 상기 임계값을 선정한다. 예컨대, 이용여부 결정부(530)는 상기 제2 자기상관값에 대한 복소수의 실수값이 0.75 * mag(선정된 임계값)를 초과하는 경우, 상기 제2 자기상관값을 이용하기로 결정할 수 있다.

주파수 옵셋 추정부(540)는 상기 이용하기로 결정된 제2 자기상관값들과 상기 제1 자기상관값들을 이용하여 주파수 옵셋을 추정한다.

또한, 본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니 라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 옵셋 추정 방법을 도시한 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

500: 주파수 옵셋 추정 시스템

510: 자기상관값 계산부

520: 자기상관값 구분부

530: 이용여부 결정부

540: 주파수 옵셋 추정부

550: 임계값 선정부

Claims

수신신호에 대한 보호구간과 연관된 자기상관값들을 계산하는 단계;

상기 계산된 자기상관값들을, 신호가 있는 구간과 연관된 제1 자기상관값들 및 신호가 있지 않은 구간과 연관된 제2 자기상관값들로 구분하는 단계;

상기 구분된 제2 자기상관값들의 이용 여부를 결정하는 단계; 및

상기 이용하기로 결정된 제2 자기상관값들과 상기 제1 자기상관값들을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하는 단계

를 포함하는 주파수 옵셋 추정 방법.
제1항에 있어서,

상기 구분된 제2 자기상관값들의 이용 여부를 결정하는 단계는,

상기 제2 자기상관값에 대한 복소수값의 각도가 미리 선정된 하위 임계값과 상위 임계값 사이의 구간에 포함되는 경우, 상기 제2 자기상관값을 이용하기로 결정하는 단계

를 포함하는 주파수 옵셋 추정 방법.
제1항에 있어서,

상기 구분된 제2 자기상관값들의 이용 여부를 결정하는 단계는,

상기 제2 자기상관값에 대한 복소수의 실수값이 선정된 임계값을 초과하는 경우, 상기 제2 자기상관값을 이용하기로 결정하는 단계

를 포함하는 주파수 옵셋 추정 방법.
제3항에 있어서,

상기 제1 자기상관값들과 연관된 실수값들의 평균에 비례하여 상기 임계값을 선정하는 단계

를 더 포함하는 주파수 옵셋 추정 방법.