KR101302267B1

KR101302267B1 - Ｓｃ－ｆｄｍａ 기반 이동통신 시스템에서 오버 샘플링을이용한 채널 추정방법 및 장치

Info

Publication number: KR101302267B1
Application number: KR1020080069776A
Authority: KR
Inventors: 박병성; 박희걸; 권혁찬; 이정승; 김홍직; 강덕창
Original assignee: 에릭슨 엘지 주식회사
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2013-09-02
Also published as: KR20090110196A

Abstract

SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 기반 이동통신 시스템에서 오버 샘플링(over-sampling)을 이용한 채널 추정 방법 및 장치가 개시된다. 채널 추정을 위해, 대상신호 및 다른 사용자 신호를 포함하는 RS(reference signal) 심볼 신호를 수신하고, RS 심볼 신호를 기준 신호(DM RS)로 코드 보상하여 보상신호를 형성하고, 상기 보상신호를 오버 샘플링(over-sampling)하여 샘플링 신호를 형성하고, 상기 샘플링 신호를 역 고속 푸리에 변환(inverse fast fourier transform) 하여 지연 신호를 형성하고, 상기 지연 신호를 필터링하여 다른 사용자 신호가 상수값으로 처리된 시간 영역의 필터링 신호를 형성하고, 상기 시간 영역의 필터링 신호를 고속 푸리에 변환(fast fourier transform)하여 주파수 영역의 필터링 신호를 형성하고, 상기 주파수 영역의 필터링 신호에서 상기 상수값 이상의 신호로써 상기 대상신호의 채널을 추정한다.

SC-FDMA, 오버 샘플링, 채널 추정

Description

ＳＣ－ＦＤＭＡ 기반 이동통신 시스템에서 오버 샘플링을 이용한 채널 추정방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR CHANNEL ESTIMATION USING OVER-SAMPLING IN SC-FDMA BASED MOBILE TELECOMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 SC-FDMA 기반 이동통신 시스템에 관한 것으로, 특히 오버 샘플링(over-sampling)을 이용한 채널 추정방법 및 장치에 관한 것이다.

SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 방식은 3GPP(3^rd Generation Partnership Project) LTE(Long Term Evolution)에서 상향 링크(link)의 다중 접속 규격으로 합의된 방식이다. 이하 SC-FDMA 방식을 이용한 이동통신 시스템을 SC-FDMA 시스템이라 하며, 넓은 의미에서 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템의 일종으로 본다.

SC-FDMA 시스템은 기존의 OFDMA 시스템과 달리 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT) 모듈이 추가된다. 이것은 주파수 직교성(orthogonality)을 유지하면서 동시에 단일 반송파(single carrier)의 성격을 가지게 하기 위함이다.

SC-FDMA 시스템에서 잡음(noise)이나 다중 경로(multi-path) 문제 등으로 인하여 전송한 데이터와 수신한 데이터 사이에는 다소의 변위가 발생하는데, 이러한 문제를 해결하기 위하여 채널 추정이 사용된다. 채널 추정(channel estimation)이란 전송되는 데이터들 사이에 기지국과 단말기 간에 약속된 값인 파일롯(pilot)을 전송하고, 수신한 파일롯 값의 변위를 기초로 수신된 데이터의 원래 값을 추정하는 것이다. SC-FDMA 시스템에서 채널 추정은 성능 향상을 위해 필수적이다.

SC-FDMA 시스템에서는 상향 물리 제어 채널로서 가용 부반송파 자원중 양끝에 위치한 12개의 부반송파를 사용하며, 채널 추정용 기준 신호(DM RS; demodulation reference signal)로 CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto Correlation) 코드를, 다중 사용자 접속을 위해 CAZAC 코드의 순환 자리이동(cyclic shift)이 사용된다. 다중 경로에 의한 지연확산 특성으로 인해 인접한 순환 자리이동값을 사용하는 다른 사용자로부터의 간섭이 생길 수 있는데, 적은 수의 부반송파 사용으로 인해 간섭 신호의 제어가 쉽지 않아 성능이 제한될 수 있는 문제점이 있다.

수신 신호의 타이밍 추정이 정확하고 채널의 다중 경로에 의한 지연 확산이 협소한 경우, 사용자간 순환 자리이동값의 차이가 2 또는 3으로 작더라도 사용자간 채널 사이의 간섭없이 사용자 구분이 가능할 수 있다. 그러나, 수신 신호의 타이밍 추정에 지연 오류가 있고 다중 경로에 의한 채널 응답의 지연이 길어질 경우 예측된 채널 성분에 인접 순환 자리이동을 사용하는 다른 사용자에 의한 간섭 성분이 포함될 수 있으며 이 경우 송신 전력을 높이더라도 원하는 수준의 수신 성능을 얻 지 못 할 수 있다.

SC-FDMA 기반 이동통신 시스템에서 오버 샘플링(over-sampling)을 이용한 채널 추정방법 및 장치를 제공한다. 특히, SC-FDMA 시스템에서 적은 수의 부반송파를 사용하는 상향 물리 제어 채널의 채널 추정을 위해 오버 샘플링 및 시간영역 필터링(time-domain filtering) 기법을 이용한다.

본 발명의 SC-FDMA 시스템 채널 추정장치는, 대상신호 및 다른 사용자 신호를 포함하는 RS(reference signal) 심볼 신호를 기준 신호(DM RS)로 코드 보상하여 보상신호를 형성하는 코드 보상부; 상기 보상신호를 오버 샘플링(over-sampling)하여 샘플링 신호를 형성하는 오버 샘플링부; 상기 샘플링 신호를 역 고속 푸리에 변환(inverse fast fourier transform) 하여 지연 신호를 형성하는 IFFT(inverse fast fourier transform)부; 상기 지연 신호를 필터링하여 다른 사용자 신호가 상수값으로 처리된 시간 영역의 필터링 신호를 형성하는 필터링부; 및 상기 시간 영역의 필터링 신호를 고속 푸리에 변환(fast fourier transform)하여 주파수 영역의 필터링 신호를 형성하는 FFT(fast fourier transform)부; 상기 주파수 영역의 필터링 신호에서 상기 상수값 이상의 신호로써 상기 대상신호의 채널을 추정하는 채널추정부를 포함한다.

또한, 본 발명의 SC-FDMA 시스템 채널 추정방법은, a) 대상신호 및 다른 사 용자 신호를 포함하는 RS(reference signal) 심볼 신호를 수신하는 단계; b) RS 심볼 신호를 기준 신호(DM RS)로 코드 보상하여 보상신호를 형성하는 단계; c) 상기 보상신호를 오버 샘플링(over-sampling)하여 샘플링 신호를 형성하는 단계; d) 상기 샘플링 신호를 역 고속 푸리에 변환(inverse fast fourier transform) 하여 지연 신호를 형성하는 단계; e) 상기 지연 신호를 필터링하여 다른 사용자 신호가 상수값으로 처리된 시간 영역의 필터링 신호를 형성하는 단계; f) 상기 시간 영역의 필터링 신호를 고속 푸리에 변환(fast fourier transform)하여 주파수 영역의 필터링 신호를 형성하는 단계; 및 g) 상기 주파수 영역의 필터링 신호에서 상기 상수값 이상의 신호로써 상기 대상신호의 채널을 추정하는 단계를 포함한다.

SC-FDMA 오버 샘플링(over-sampling) 및 시간 영역 필터링(time-domain filtering) 기법을 사용하여 적은 수의 부반송파를 사용하는 이동통신 시스템에서 상향 물리 제어 채널 추정을 수행함으로써 다른 사용자의 간섭을 효과적으로 제어하고 수신 성능을 향상시킬 수 있다.

3GPP(3^rd Generation Partnership Project)에서 차세대 이동통신 시스템으로 논의되고 있는 LTE(Long Term Evolution) 시스템의 상향 링크는 SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 방식으로 동작된다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 채널 추정 방법이 적용되는 SC-FDMA 시스템의 수신기(100)는 수신신 호가 포함하는 보호 구간(CP; Cyclic Prefix)을 제거하기 위한 CP 제거부(110), 시간 영역(domain)의 신호를 주파수 영역의 신호로 변환해주는 FFT부(120), 부반송파(subcarrier) 디맵핑부(demapping)(130), 신호의 주파수 특성을 필요한 범위로 균등화시키기 위한 등화부(equalizer)(140), 주파수 도메인의 신호를 시간 도메인의 신호로 변환해 주는 IDFT부(150), 코드화된 신호의 코드를 해제하여 신호에 포함된 데이터를 추출하는 디코더부(decoder)(160) 및 채널 추정장치(170)를 포함한다.

본 발명에서 채널 추정을 위한 기준 신호(DM RS; demodulation reference signal)로서 CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto Correlation) 코드가 사용된다. 이하 SC-FDMA 방식을 이용한 이동통신 시스템을 SC-FDMA 시스템이라 하며, 넓은 의미에서 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템의 일종으로 본다.

상기 기준 신호는 다음의 수학식 1과 같이 정의된다.

수학식 1에서

는 기준 신호의 기본 시퀀스 수(base sequence number),

는 기준 신호 시퀀스(sequence) 의 길이,

는 기준 신호의 기본 시퀀스(base sequence)를 나타내고,

는 기준 신호의 순환 자리이동(cyclic shift)을 나타낸다. 같은 기본 시퀀스 내에 순환 자리이동의 수만큼 서로 다른 기준 신호를 정의할 수 있으며, 이는 자기 상관(auto correlation)의 경우 디락-델타(Dirac-delta) 함수로 표현되는 CAZAC 코드 특성을 활용한 것이다.

도 2를 참조하면, SC-FDMA 시스템의 상향 제어 채널의 경우 가용 부반송파(subcarrier) 자원은 1개의 RB(resource block)(=12 부반송파)를 포함하며, 코드 영역에서의 사용자 구분을 위해 순환 자리이동

는

(6 사용자 구분), 또는

(4 사용자 구분)등으로 할당할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정부의 구성을 보이는 블록도이고,도 4는 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정 과정의 신호 변화를 보이는 개략도이다. SC-FDMA 시스템에서 기준 신호의 기본 시퀀스 길이(

)=12에 따라 한 슬롯(slot)은 12개의 부반송파로 구성되기 때문에 기준 신호의 코드 길이 또한 12로 짧은 것이 특징이다. 길이 12의 CAZAC 코드에서 6명의 사용자(또는 4명)를 구분하려면 코드 보상후 역 고속 푸리에 변환(inverse fast fourier transform)한 샘플에서 사용자당 2 샘플(또는 3샘플)에 해당하는 채널을 추출하여야 한다.

하나의 슬롯당 12개의 부반송파로 이루어진 SC-FDMA 시스템을 6명의 사용자가 서로 다른 순환 자리이동(

)을 사용하여 다중 접속되어 있는 경우를 가정하면, 도 3의 코드 보상부(171)는 채널을 추정하고자 하는 대 상신호(이하, 자기신호라 함) 및 다른 사용자 신호를 포함하는 RS 심볼 신호를 수신하고, RS 심볼 신호를 기준 신호(DM RS)로 코드 보상하여 보상신호를 형성한다. 즉, 자기 신호의 상관값이 디락델타 함수로 나타나는 CAZAC 코드의 특성을 활용하여 코드 보상 신호를 형성하기 위해, 코드 보상부(171)는 채널 추정부(170)에 입력된 RS 심볼 신호에 자기 기준 신호의 CAZAC 코드의 공액 복소수(complex conjugate)를 곱한다. 이 때, 자기 사용자의 기준신호의 순환자리 이동값은

중 어느 하나로 표현될 수 있다. 오버 샘플링부(172)는 보상신호의 샘플을 늘리기 위한 목적으로 제로 페이딩하여(zero padding) 오버 샘플링(over sampling)을 수행한다. 오버 샘플링부(172)는 입력된 보상신호를 오버 샘플링하여 2ⁿ개의 샘플을 포함하는 샘플링 신호를 형성한다.

IFFT부(173)는 주파수 영역의 샘플링 신호를 2ⁿ번 역 고속 푸리에 변환(IFFT)하여 샘플링 신호가 포함하는 자기 신호 성분 외에 다른 사용자의 채널 성분 즉 간섭 신호 성분이 지연된 시간 영역의 지연 신호를 형성한다.

필터링부(filtering unit)(174)는 지연 신호가 포함하는 2ⁿ개 샘플 중 간섭 신호 성분 구간을 0으로 소거시키는 필터링 과정을 수행하여 자기 신호(사용자 신호) 성분을 제외한 나머지 부분(

-1)의 성분이 0으로 소거된 시간 영역의 필터링 신호를 형성한다. 필터링부(174)는 지연신호에 특정함수를 곱하여 필터링을 수 행할 수 있다.

FFT부(175)는 시간 영역의 필터링 신호에 대해 2ⁿ번의 FFT를 수행하여 주파수 영역의 필터링 신호를 형성한다.

채널추정부(16)는 2ⁿ개 주파수 영역의 필터링 신호 중 성분이 0이 아닌

개의 샘플로써 사용자의 주파수 영역 채널로 추정한다. 이와 같이, 기준 신호를 이용하여 얻어진 채널 추정 결과는 상향 제어 채널 복구에 이용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정 장치와 종래 채널 추정 장치의 상향 제어 채널 링크 성능을 비교한 그래프이다. 본 발명의 채널 추정 기법을 통해 자기 신호와 다른 사용자 신호 사이의 간섭을 효과적으로 제어하여 기존의 채널 추정 기법보다 반송파 대 간섭 및 잡음 비율(CINR)과 에러율(BER)이 감소한다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 설정하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 설정 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 SC-FDMA 시스템 상향 제어 채널 수신기의 구성을 보이는 블록도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SC-FDMA 시스템 상향 제어 채널 영역의 구성을 보이는 개략도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 SC-FDMA 시스템 채널 추정 장치의 구성을 보이는 블록도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 SC-FDMA 시스템 채널 추정 과정에 따른 신호의 변화를 보이는 개략도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정 장치와 종래 채널 추정 장치의 상향 제어 채널 링크 성능을 비교한 그래프.

** 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 **

: 기준 신호 시퀀스 길이

2ⁿ: 오버 샘플링 길이

CINR : 반송파 대 간섭 및 잡음 비율(Carrier to Interference and Noise Ratio)

BER: 에러율(Bit Error Rate)

Claims

SC-FDMA 방식을 이용한 이동통신 시스템의 채널 추정 장치로서,

대상신호 및 다른 사용자 신호를 포함하는 RS(reference signal) 심볼 신호를 기준 신호(DM RS)로 코드 보상하여 보상신호를 형성하는 코드 보상부;

상기 보상신호를 오버 샘플링(over-sampling)하여 샘플링 신호를 형성하는 오버 샘플링부;

상기 샘플링 신호를 역 고속 푸리에 변환(inverse fast fourier transform) 하여 지연 신호를 형성하는 IFFT(inverse fast fourier transform)부;

상기 지연 신호를 필터링하여 다른 사용자 신호가 상수값으로 처리된 시간 영역의 필터링 신호를 형성하는 필터링부;

상기 시간 영역의 필터링 신호를 고속 푸리에 변환(fast fourier transform)하여 주파수 영역의 필터링 신호를 형성하는 FFT(fast fourier transform)부; 및

상기 주파수 영역의 필터링 신호에서 상기 상수값 이상의 신호로써 상기 대상신호의 채널을 추정하는 채널추정부를 포함하는 채널 추정 장치.
제 1항에 있어서,

상기 IFFT부는 IDFT(inverse discrete fourier transform)를 수행하고,

상기 FFT부는 DFT(discrete fourier transform)를 수행하는 채널 추정 장치.
제 1항에 있어서,

상기 오버 샘플링부는,

2ⁿ 길이로 제로 페이딩(zero padding)하여 샘플링(sampling)하는 것을 특징으로 하는 채널 추정 장치.
제 1항에 있어서,

상기 대상신호, 상기 다른 사용자 신호 및 상기 기준신호는 CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto Correlation) 코드로 표현되고,

상기 다른 사용자 신호는 상기 대상신호를 기준으로 순환 자리 이동된 신호인, 채널 추정 장치.
SC-FDMA 방식을 이용한 이동통신 시스템의 채널 추정 방법으로서,

a) 대상신호 및 다른 사용자 신호를 포함하는 RS(reference signal) 심볼 신호를 수신하는 단계;

b) RS 심볼 신호를 기준 신호(DM RS)로 코드 보상하여 보상신호를 형성하는 단계;

c) 상기 보상신호를 오버 샘플링(over-sampling)하여 샘플링 신호를 형성하는 단계;

d) 상기 샘플링 신호를 역 고속 푸리에 변환(inverse fast fourier transform) 하여 지연 신호를 형성하는 단계;

e) 상기 지연 신호를 필터링하여 다른 사용자 신호가 상수값으로 처리된 시간 영역의 필터링 신호를 형성하는 단계;

f) 상기 시간 영역의 필터링 신호를 고속 푸리에 변환(fast fourier transform)하여 주파수 영역의 필터링 신호를 형성하는 단계; 및

g) 상기 주파수 영역의 필터링 신호에서 상기 상수값 이상의 신호로써 상기 대상신호의 채널을 추정하는 단계를 포함하는 채널 추정 방법.
제 5항에 있어서,

상기 역 고속 푸리에 변환은 역 이산 푸리에 변환(inverse discrete fourier transform)이고,

상기 고속 푸리에 변환은 이산 푸리에 변환(discrete fourier transform)인 것을 특징으로 하는 채널 추정 방법.
제 5항에 있어서,

상기 c) 단계는,

2ⁿ 길이로 제로 페이딩(zero padding)하여 샘플링(sampling)하는 것을 특징으로 하는 채널 추정 방법.
제 5항에 있어서,

상기 대상신호, 상기 다른 사용자 신호 및 상기 기준신호는 CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto Correlation) 코드로 표현되고,

상기 다른 사용자 신호는 상기 대상신호를 기준으로 순환 자리 이동된 신호인, 채널 추정 방법.