KR101314776B1

KR101314776B1 - 이동통신 시스템에서 주파수 옵셋을 보상하기 위한 장치 및방법

Info

Publication number: KR101314776B1
Application number: KR1020070017696A
Authority: KR
Inventors: 천현수
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2013-10-08
Also published as: KR20080078110A

Abstract

본 발명은 이동통신 시스템에서 주파수 옵셋을 보상하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 수신 신호를 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform : FFT)하여 주파수 영역의 신호로 변환하는 과정과, 상기 변환된 신호의 주파수 옵셋을 추정하는 과정과, 상기 추정된 주파수 옵셋에 대한 반대 부호의 주파수 옵셋을 이용하여 상기 추정된 주파수 옵셋에 대한 보상 벡터를 계산하는 과정과, 상기 변환된 신호와 상기 보상 벡터와의 컨벌루션을 계산하는 과정을 포함하여, 낮은 복잡도와 저렴한 비용으로 보다 열악한 환경에서도 높은 수신 감도를 보장할 수 있는 이점이 있다.

주파수 옵셋, 고속 퓨리에 변환기, 다중화, 컨벌루션

Description

이동통신 시스템에서 주파수 옵셋을 보상하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FREQUENCY OFFSET COMPENSATION IN MOBILE COMMUNICATION SYSTEM}

도 1은 본 발명에 따른 FFT 기반 이동통신 시스템에서 수신기의 구성을 도시한 도면, 및

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 FFT 기반 이동통신 시스템에서 주파수 옵셋을 보상하기 위한 방법의 절차를 도시한 흐름도.

본 발명은 이동통신 시스템에서 주파수 옵셋을 보상하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 고속 퓨리에 변환기 기반 주파수 분할 다중화/다중 접속 방식의 이동통신 시스템에서 주파수 옵셋을 보상하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

무선/유선 채널의 주파수 선택적 특성을 보상하기 위하여 다양한 방법의 등 화기술이 연구되어왔다. 이들 기술들은 높은 복잡도를 낮추기 위하여 대부분 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform : 이하 'FFT'라 칭함) 장치를 사용하여 수신된 신호를 주파수 영역으로 변환한 뒤 보상하는 방법을 취한다. 다중화 방식으로서 다중 반송파를 사용하는 직교 주파수 분할 다중 방식(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM)이나 DMT(Discrete Multi-Tone), 또는 다중 접속 방식으로서 단일 반송파 주파수 분할 다중 접속 방식(Single Carrier Frequency Domain Multiple Access : SC-FDMA)이나 직교 주파수 분할 다중 접속 방식(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access: OFDMA)은 모두 수신단에 FFT를 사용하여 채널에 의한 주파수 선택적 왜곡을 보상하는 방법을 채택하고 있다.

이들 기술을 이용하여 송신기가 데이터를 전송하기 위해서는 기저대역으로부터 조금 떨어진 주파수 영역에 전송하기 위하여 국부 발진기(Local Oscillator)를 사용하게 되고, 신기는 수신된 신호를 기저대역으로 낮추어 처리하기 위하여 동일한 주파수로 발진하는 국부 발진기를 사용하게 된다. 이때, 수신기는 전송기와 수신기간의 국부 발진기간의 불완전성이나, 도플러 효과와 같이 전송 채널에서 발생하는 주파수 천이에 의해서 발생하는 주파수 옵셋(frequency offset)에 대한 추정 및 보상과정을 수행해야 한다. 종래 기술은 상기 주파수 옵셋에 의한 성능 저하를 보상하기 위하여, 수신기에서 추정된 주파수 옵셋을 바탕으로 크기는 같고 부호는 반대인 동일한 양의 위상을 시간 영역에서 천이시킴으로써 주파수 옵셋을 보상한다.

한편, 주파수 분할 다중화 방식의 경우, 수신신호의 대부분이 FFT 이후에서 처리되는 것이 유리하다. 특히, 다중 접속 방식의 경우, 대부분 주파수 분할 다중 접속 방식을 채택하고 있으며, 따라서 사용자들이 서로 다른 주파수 대역을 사용하고 있으므로 사용자 구분을 위해서는 FFT 이후의 주파수 영역에서 처리되는 것이 유리하다. 따라서, 기존의 방법을 이용하여 시간 영역에서 위상 천이를 통해 주파수 옵셋을 보상하는 경우, 주파수 옵셋의 보상이 필요한 모든 사용자 신호에 대해서 선택적으로 적용하려면 복잡도가 크게 증가하게 되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 이동통신 시스템에서 주파수 옵셋을 보상하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 이동통신 시스템에서 고속 퓨리에 변환기 기반 주파수 분할 다중화/다중 접속 방식의 이동통신 시스템에서 주파수 영역에서 다중 사용자로부터 수신되는 신호 혹은 단일 사용자의 다중 부반송파 위치에 수신되는 신호의 주파수 옵셋을 보상하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 이동통신 시스템의 주파수 옵셋 보상 방법은, 수신 신호를 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform : FFT)하여 주파수 영역의 신호로 변환하는 과정과, 상기 변환된 신호의 주파수 옵셋을 추정하는 과정과, 상기 추정된 주파수 옵셋에 대한 반대 부호의 주파수 옵셋을 이용하여 상기 추정된 주파수 옵셋에 대한 보상 벡터를 계산하는 과정 과, 상기 변환된 신호와 상기 보상 벡터와의 컨벌루션을 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 이동통신 시스템의 주파수 옵셋 보상 장치는, 수신 신호를 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform : FFT)하여 주파수 영역의 신호로 변환하는 고속 퓨리에 변환기와, 상기 변환된 신호의 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정기와, 상기 추정된 주파수 옵셋에 대한 반대 부호의 주파수 옵셋을 이용하여 상기 추정된 주파수 옵셋에 대한 보상 벡터를 계산하고, 상기 변환된 신호와 상기 보상 벡터와의 컨벌루션을 계산하는 주파수 옵셋 보정기를 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 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명은 이동통신 시스템에서 주파수 옵셋을 보상하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 이하 설명에서는 다중 사용자로부터 신호를 수신하는 다중 사용자 접속 방식의 수신기를 예로 들어 설명할 것이나, 주파수 분할 다중화 방식의 단일 사용자 수신기에도 적용 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 FFT 기반 이동통신 시스템에서 수신기의 구성을 도시한 도면이다. 상기 수신기는 고속 퓨리에 변환기(Fast Fourier Transform : 이하 'FFT'라 칭함)(101), 주파수 옵셋 추정기(103), 주파수 옵셋 보정기(105), 채널 추정기(107), 채널 등화기(109), 채널 복조기(111), 채널 복호화기(113)를 포함하여 구성된다.

상기 도 1을 참조하면, 먼저, 상기 FFT(101)는 수신 안테나를 통해 수신되는 시간 영역의 데이터를 고속 푸리에 변환하고, 상기 고속 푸리에 변환된 주파수 영역의 데이터를 상기 주파수 옵셋 추정기(103) 및 주파수 옵셋 보정기(105)로 출력한다.

상기 주파수 옵셋 추정기(103)는 상기 주파수 영역의 데이터에 대한 주파수 옵셋을 추정하고, 상기 추정된 주파수 옵셋을 상기 주파수 옵셋 보정기(105)로 출력한다.

상기 주파수 옵셋 보정기(105)는 상기 주파수 영역의 데이터에 대한 주파수 옵셋을 이용하여 상기 주파수 옵셋에 대한 보상 벡터를 계산하고, 상기 주파수 영역의 데이터와 상기 보상 벡터의 컨벌루션을 계산하여 상기 주파수 옵셋을 보정한 후, 상기 주파수 옵셋이 보정된 데이터를 상기 채널 추정기(107) 및 채널 등화기(109)로 출력한다.

상기 채널 추정기(107)는 송수신 시 발생하는 채널 열화로 인한 주파수 영역에서의 위상 및 진폭의 일그러짐에 따른 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널을 상 기 채널 등화기(109)로 출력한다.

상기 채널 등화기(109)는 상기 주파수 옵셋이 보정된 데이터의 채널에 의한 신호 왜곡을 제거하고, 신호 왜곡이 제거된 데이터를 상기 채널 복조기(111)로 출력한다.

상기 채널 복조기(111)는 상기 데이터를 해당 복조 방식으로 복조하여 상기 채널 복호화기(113)로 출력하고, 상기 채널 복호화기(113)는 상기 복조된 데이터를 해당 부호율로 채널 복호화하여 원래 데이터를 복원한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 FFT 기반 이동통신 시스템에서 주파수 옵셋을 보상하기 위한 방법의 절차를 도시한 흐름도이다.

상기 도 2를 참조하면, 기지국은 201단계에서 새로운 수신 신호를 버퍼링한다.

여기서, 주파수 옵셋 f_o가 존재하는 경우, 상기 수신 신호 r(t)는 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 x(t)는 사용자가 전송한 신호를 나타내고, 상기

는 임의의 값을 갖는 초기 위상을 나타낸다.

이후, 상기 기지국은 203단계에서 상기 수신 신호를 FFT하여 주파수 영역의 신호로 변환한다. 이때, 상기 주파수 옵셋의 영향으로, 상기 전송 신호는 주파수 영역에서 원래의 형태를 갖지 못하고, 다른 주파수 영역으로 퍼진 형태를 가지게 된다. 즉, 상기 수신 신호에서 주파수 옵셋에 의해 추가되는 성분은 상기 FFT를 통해 전송 신호 x(t)의 주파수 표현 X(f)와 Sinc 함수(function)의 컨벌루션으로 나타난다.

여기서, 상기 FFT를 통해 주파수 영역의 신호로 변환된 신호 R(f)는 하기 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 T는 심볼 구간의 길이를 나타내고, 상기 *는 컨벌루션 연산자를 나타내며, 상기

은 임의의 위상 값으로서 채널추정을 통해 보상되는 값이므로 무시할 수 있다.

여기서, 상기 <수학식 2>를 간단하게 나타내기 위하여, 심볼 구간의 길이를 충분히 길다고 가정하면, n번째 부반송파 위치로 수신되는 신호는 하기 <수학식 > 과 같이 나타낼 수 있다.

즉, 상기 n번째 부반송파 위치에 수신되는 신호는, 원하는 신호인 n번째 부반송파로 전송된 신호와 간섭신호로 작용하는 인접 부반송파로 전송된 신호들의 합으로 나타나게 된다. 여기서, 상기 주파수 옵셋을 보상하기 위해서는 주파수 영역에서 상기 수신 신호에 작용한 Sinc 함수의 컨벌루션의 영향을 제거하여야 한다.

이를 위해, 상기 기지국은 205단계에서 사용자 인덱스 k를 1로 초기화한다. 이후, 상기 기지국은 207단계에서 k번째 사용자의 주파수 옵셋을 추정하고, 상기 추정한 주파수 옵셋에 대한 보상 벡터 v_k, 즉 위상 천이 신호를 계산한다. 여기서, 상기 기지국은 상기 주파수 옵셋을 정확히 추정할 수 있다고 가정한다. 이때, 상기 보상 벡터는 상기 추정된 주파수 옵셋의 반대 부호를 갖는 -fo에 대한 Sinc 함수로서 계산할 수 있다.

이후, 상기 기지국은 209단계로 진행하여 상기 주파수 영역에서 선택된 k번째 사용자의 신호에 대하여 상기 보상 벡터와의 컨벌루션을 계산함으로써, 상기 주파수 옵셋을 보상한다.

여기서, 상기 주파수 영역에서 주파수 옵셋 보상된 신호는 하기 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.

이후, 상기 기지국은 211단계에서 상기 k번째 사용자 신호에 대한 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널을 보상한 후, 213단계로 진행하여 상기 k번째 사용자 신호를 시간 영역으로 변환하여 복조한다. 이후, 상기 기지국은 215단계에서 상기 k가 전체 사용자 수 N보다 작은지 여부를 검사한다. 만약, 상기 k가 전체 사용자 수 N보다 작을 시, 상기 기지국은 215단계에서 상기 k를 상기 k에 1 더한 수로 갱신하고, 상기 207단계로 돌아가 이하 과정을 반복 수행한다. 반면, 상기 k가 전체 사용자 수 N보다 작지 않을 시, 상기 기지국은 201단계로 돌아가 이하 과정을 반복 수행한다.

한편, 단일 사용자 수신기에서 상기 <수학식 2>에서 sinc 함수가 갖는 의미는 주파수 옵셋이 0인 경우, 즉

가 0인 경우, 원하는 부반송파 주파수는 1/T의 정수배가 되며, 이때 최대값은 1을 갖고, 원하지 않는 부반송파 주파수에 대해서는 0을 갖게 되어 간섭을 일으키지 않게 되나,

인 경우, 원하는 주파수에서는 최대값을 갖지 못하고, 원하지 않는 다른 부반송파 주파수에 대해서는 0이 아닌 값 을 갖게 되는 누설 (leakage) 현상에 의하여 간섭이 일어나는 것을 의미한다.

그러나, 대부분의 기지국은 수신되는 신호의 특성을 이용하여 최대한 주파수 동기상태를 유지하게 되므로, 부반송파 대역폭의 0.1 이내의 주파수 옵셋을 갖게 된다. 이러한 경우, 성능 저하를 일으키는 주요 원인은 근접한 인접 부반송파 신호가 간섭신호로 작용하는 인접 주파수 간섭 현상과 파일롯 신호를 통해 추정 및 보상되지 못하는 큰 위상 천이이다. 간섭신호의 양으로 볼 때, 인접 부반송파 주파수에서 간섭을 일으키는 정도는 원하는 부반송파 신호 대비 약 20 dB 이상 낮은 상태이다.

따라서, 이론적으로는 모든 부반송파 대역에 대해 주파수 옵셋을 보상하기 위한 컨벌루션 연산이 요구되나, 성능에 중요한 영향을 미치는 인접 부 반송파 신호에 대해서만 선택적으로 보상할 필요가 있다. 다시 말해, 각 사용자의 모든 부반송파 대역에 대해 컨벌루션 연산을 수행하면, 주파수 옵셋에 의한 인접 반송파의 간섭을 최대한 줄일 수 있으나 복잡도가 높아지므로, 인접 반송파 간섭의 정도에 따라 영향이 가장 큰 부반송파 혹은 L개의 부반송파로 구성된 부반송파 그룹의 컨벌루션 연산을 통해, 즉 위상 천이를 통해 보상할 수 있다.

여기서, 상기 주파수 옵셋을 보상하기 위한 윈도우의 크기 L은 최대 전체 유효 반송파 개수로서, 최소 1의 값을 가질 수 있으나, 주파수 옵셋이 심한 경우를 0.1 정도로 보면, 상기 L은 최대 3의 값을 가지는 것이 적당하다.

한편, 다중 사용자 수신기의 경우, 다중 사용자 환경에서 각 사용자가 서로 다른 부반송파 주파수를 할당받아 전송하게 되므로, 단일 사용자 환경일 때의 보상 을 사용자 수와 같은 회수로 수행해야 하는 차이가 있을 뿐, 모든 내용은 단일 사용자 수신기와 동일하다.

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, 본 발명은 고속 퓨리에 변환기를 수신기에 사용하는 이동통신 시스템에서 주파수 영역에서 낮은 복잡도로 주파수 옵셋에 의한 주파수간 간섭을 줄임으로써, 비용 문제로 주파수 옵셋에 의한 주파수간 간섭에 의한 성능 저하를 극복하지 못한 경우, 저렴한 비용으로 수신 감도를 개선할 수 있으며, 주파수 옵셋에 의한 영향을 효과적으로 개선할 수 있으므로, 상대적으로 저렴한 가격의 국부 발진기를 사용할 수 있게 함으로써 송신기와 수신기의 개발단가를 모두 낮출 수 있으며, 도플러 현상에 의한 주파수 천이 현상을 극복하게 함으로써, 보다 열악한 환경에서도 높은 수신 감도를 보장할 수 있는 이점이 있다.

Claims

이동통신 시스템의 주파수 옵셋 보상 방법에 있어서,

수신 신호를 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform : FFT)하여 주파수 영역의 신호로 변환하는 과정과,

상기 변환된 신호의 주파수 옵셋을 추정하는 과정과,

상기 추정된 주파수 옵셋에 대한 반대 부호의 주파수 옵셋을 이용하여 상기 추정된 주파수 옵셋에 대한 보상 벡터를 계산하는 과정과,

상기 변환된 신호와 상기 보상 벡터와의 컨벌루션을 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 컨벌루션을 통해 주파수 옵셋 보상된 신호는 하기 <수학식 5>와 같이 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, 상기 R(f)는 상기 고속 퓨리에 변환을 통해 주파수 영역의 신호로 변환된 신호를 나타내고, 상기 *는 컨벌루션 연산자를 나타내며, 상기 T는 심볼 구 간의 길이를 나타내고, 상기
은 임의의 위상 값으로서 채널추정을 통해 보상되는 값이므로 무시할 수 있는 값이며, 상기 f_o는 주파수 옵셋을 나타내고, 상기 sinc()는 Sinc 함수(function)를 나타냄.
제 1 항에 있어서,

상기 수신 신호는 다중 사용자로부터 수신되는 각 신호 혹은 단일 사용자로부터 다중 부반송파로 수신된 신호 중 하나임을 특징으로 하는 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 수신 신호가 단일 사용자로부터 다중 부반송파로 수신된 신호일 경우, 상기 보상 벡터와의 컨벌루션은 인접 반송파 간섭의 정도에 따라 간섭 정도가 가장 큰 부반송파 혹은 소정 개수의 부반송파로 구성된 부반송파 그룹에 대해서만 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 소정 개수는 최대 3의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
이동통신 시스템의 주파수 옵셋 보상 장치에 있어서,

수신 신호를 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform : FFT)하여 주파수 영역의 신호로 변환하는 고속 퓨리에 변환기와,

상기 변환된 신호의 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정기와,

상기 추정된 주파수 옵셋에 대한 반대 부호의 주파수 옵셋을 이용하여 상기 추정된 주파수 옵셋에 대한 보상 벡터를 계산하고, 상기 변환된 신호와 상기 보상 벡터와의 컨벌루션을 계산하는 주파수 옵셋 보정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 수신 신호는 다중 사용자로부터 수신되는 각 신호 혹은 단일 사용자로부터 다중 부반송파로 수신된 신호 중 하나임을 특징으로 하는 장치.
제 7 항에 있어서, 상기 주파수 옵셋 보정기는

상기 수신 신호가 단일 사용자로부터 다중 부반송파로 수신된 신호일 경우, 인접 반송파 간섭의 정도에 따라 간섭 정도가 가장 큰 부반송파 혹은 소정 개수의 부반송파로 구성된 부반송파 그룹에 대해서만 상기 보상 벡터와의 컨벌루션을 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.