KR101390317B1

KR101390317B1 - 직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 채널 임펄스 응답의추정 오류를 보상하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101390317B1
Application number: KR1020070078131A
Authority: KR
Inventors: 옥광만; 최형진; 이준경; 임세빈; 장준희; 허헌; 이은옥
Original assignee: 성균관대학교산학협력단; 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2014-05-02
Also published as: KR20090013957A

Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : 이하 'OFDM'이라 함) 시스템에서 채널 임펄스 응답(Channel Impulse Response : 이하 'CIR'이라 칭함)의 추정 오류를 보상하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 초기 채널을 추정하는 초기 채널 추정기와, 상기 추정된 초기 채널 값에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 CIR을 추정하는 IFFT 연산기와, 상기 추정된 CIR에 대하여 최대 파워를 갖는 경로를 검출하는 최대 파워 경로 검출부와, 상기 검출된 최대 파워 경로의 CIR 값과 CIR 추정 오류 함수를 이용하여, 모든 경로에 대한 CIR 추정 오류를 보상하는 CIR 오류 보상부를 포함하여, 초기 채널 추정치에 존재하는 잡음의 영향과 보호 대역 설정에 따른 스펙트럼 누수 영향을 효과적으로 제거할 수 있는 이점이 있다. 나아가 보호 대역 설정에 따른 성능의 열화를 보완하여 우수한 채널 추정 성능을 제공하므로 수신기의 성능 향상을 가져올 수 있는 이점이 있다.

OFDM, DFT 기반 채널 추정, CIR 추정 오류 보상, 보호 대역

Description

직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 채널 임펄스 응답의 추정 오류를 보상하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COMPENSATION OF CHANNEL IMPULSE RESPONSE ESTIMATION ERROR IN ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING SYSTEMS}

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : OFDM) 시스템에 관한 것으로, 특히 DFT(Discrete Fourier transform) 기반의 채널 추정 알고리즘에서 CIR(Channel Impulse Response)의 추정 오류를 보상하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : 이하 'OFDM'이라 함) 방식은 입력데이터를 단일 반송파로 고속 전송하는 대신 다수의 반송파들 상에서 병렬로 저속 전송함으로써, 주파수 선택적 페이딩이나 협대역 간섭에 대한 영향을 적게 받도록 하는 방식이다. 이러한 OFDM 방식은 서브 채널들의 스펙트럼들이 상호 직교성을 유지하면서 서로 중첩되어 있어 스펙트럼 효율이 좋 다.

OFDM 시스템에서, 송신 신호는 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform : 이하 'IFFT'라 칭함)에 의해 변조되고, 수신 신호는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform : 이하 'FFT'라 칭함)에 의해 복조되기 때문에 디지털 변조 및 복조부의 효율적인 구성이 가능하다. 이러한 구성의 가장 큰 장점은 각 반송파마다 한 번의 복소 곱셈(complex multiplication)만이 필요한 등화기(equalizer)로 간단하게 수신기를 구성할 수 있다는 점이다.

상기 OFDM 방식에서 다중경로 페이딩에 의해 야기되는 간섭은 서브채널들의 개수에 비례하여 심볼 주기를 증가시킴으로써 감소시킬 수 있다. 이를 위하여 전송되는 소정 개수의 심볼들마다 보호구간(guard interval)이 삽입된다. 상기 보호구간에는 통상 반송파들의 개수에 대응하는 개수의 심볼들로 구성되는 프레임의 마지막 심볼들이 복사되며, 이들 심볼들은 주기적 프리픽스(Cyclic Prefix : 이하 'CP'라 칭함)라 칭한다. 상기 CP의 길이는 무선채널의 채널 특성을 나타내는 채널 임펄스 응답(Channel Impulse Response : 이하 'CIR'이라 칭함)의 길이보다 길어야 한다. 상기 CIR의 길이가 상기 CP의 길이보다 긴 경우 채널간 간섭(ICI)과 심볼간 간섭(ISI)에 의한 영향으로 인하여 시스템의 성능이 저하된다. 실제의 시스템에서 CP의 길이는 미리 주어진다. 랜덤한 성질을 가지는 무선 환경(Air interface)의 특성상 전송 도중 주어진 CP 길이보다 긴 주기를 가지는 CIR이 나타날 수 있으며, 이런 경우는 무선 채널의 전송 특성 또한 주파수 선택적인 특성에 따라 나타난다.

상기 OFDM 시스템에서 수신신호는 채널의 다중 경로 지연에 의한 주파수 선 택적 페이딩 영향과 이동체 속도 증가에 따른 도플러 주파수에 상당한 영향을 받으며, 특히 이동체 속도가 빠르게 증가하여 도플러 편이 현상이 심화되면 가간섭성 시간의 감소로 인해 부프레임 내에서도 채널의 변화가 증가하게 된다.

이러한 채널의 영향을 보상하기 위한 채널 추정 알고리즘에는, 주파수 영역에서 채널 주파수 응답(Channel Frequency Response : 이하 'CFR'이라 칭함)을 추정하는 방식으로 OFDM 심볼의 파일럿을 이용하는 LS(Least Square), 채널의 상관성을 이용한 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean Squares Error : MMSE) 등이 있다. 또한, 이와는 달리 시간영역에서의 채널 임펄스 응답(Channel Impulse Response : CIR)을 추정하는 방식으로 DFT(Discrete Fourier transform), DCT(Discrete Cosine Transform), TDP(Time Domain Processing) 기반의 채널 추정 방식이 있는데, 위의 3가지 채널 추정 방식에는, IFFT를 통해 추정된 CIR에서 유효한 성분만을 선택하고, 유효 CIR 값 이외의 성분에 대해서는 잡음으로 간주하여 이를 강제로 영으로 대체함으로써, 잡음의 영향을 감쇄시켜 채널 추정 성능을 향상시킨다는 공통적인 특징이 있다.

하지만, 상기 3가지 채널 추정 방식에서, 사용하는 채널의 환경에 따라서 선택되어지는 CIR의 성분이 모두 유효한 CIR이 아닐 수가 있다. 이 경우에는 잡음의 영향을 충분히 없애지 못하는 단점이 있다. 상기 방식의 또 다른 문제는, OFDM 통신 시스템에서 인접 채널과의 간섭을 줄이기 위한 목적으로 정보의 전송이 이루어지지 않는 보호 대역(Guard Band : 이하 'GB'라 칭함)을 높은 주파수 대역과 낮은 주파수 대역의 부반송파에 각각 할당하는데, 상기 보호 대역의 설정으로 인해 CIR 추정 오류가 발생한다는 점이다. 즉, 정보의 전송이 이루어지지 않는 GB에는 영의 값이 할당이 되는데, 이는 가용 부반송파 구간과 GB 구간 경계점에서 신호의 급격한 변화를 야기하여 스펙트럼 누수(spectral leakage)를 야기한다. 상기 스펙트럼 누수로 인하여, 채널의 최대 지연 시간 이상의 영역에서 CIR에 누수(leakage) 성분들이 나타나며, 채널의 최대 지연 시간 내에서도 CIR이 임펄스 모델(수학식 2)과 비교하여 이상적인 위치의 주변으로 퍼지는 현상이 나타나게 된다. 따라서, CIR 추정 오류가 발생하게 되며, 상기 CIR 추정 오류에 대한 별도의 보완없이 잡음의 영향만 제거하게 된다면, FFT를 한 후의 채널 추정 신호(CFR)는 주파수 영역의 양끝 대역에서 채널 추정의 왜곡을 보이게 되어 큰 성능 열화를 가지게 된다.

여기서, 도 1은 OFDM 시스템에서 GB의 설정으로 인한 CIR의 추정 오류 현상의 예를 도시한 도면이다. 상기 도 1을 참조하면, GB의 설정으로 임펄스 형태의 지연 프로파일을 갖는 CIR이 분산되어 나타나는 현상을 확인할 수 있다. 또한, 도 2는 주파수 영역에서 기존 방식의 부반송파별 MSE 성능을 도시한 예시도이다. 상기 도 2를 참조하면, CIR 추정 오류로 인하여 추정된 CFR은 주파수 영역의 양끝 대역에서 채널 추정의 왜곡을 보임을 확인할 수 있다. 마지막으로, 도 3은 기존 방식에서 GB의 설정으로 인한 성능의 열화를 Uncoded BER(Bit Error Rate)로 비교 도시한 그래프이다. 여기서, 상기 도 3은 상기 기존 방식 중 DFT 기반의 채널 추정 방식을 적용한 OFDM 시스템을 예로 들어 비교 도시한 그래프이며, 도시된 바와 같이, GB를 설정한 시스템이 GB를 설정하지 않은 시스템에 비해 성능의 열화를 보임을 확인할 수 있다.

따라서, 다중 경로 페이딩 환경의 OFDM 시스템에서 CIR 추정 오류를 보상하기 위한 방안의 제시가 필요하다.

본 발명의 목적은 OFDM 시스템에서 CIR의 추정 오류를 보상하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 OFDM 시스템에서 DFT 기반의 채널 추정 방식에서 유효 CIR을 선택하기 전에 CIR의 추정 오류를 보상하여, 초기 채널 추정치에 존재하는 잡음의 영향과 GB 설정에 따른 스펙트럼 누수 영향을 효과적으로 제거하고 나아가 성능 열화를 극복하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 OFDM 시스템에서 GB의 크기와 파일럿 심볼의 배치를 고려하여 사전에 CIR 추정 오류 함수를 계산하고, 상기 계산된 CIR 추정 오류 함수를 이용하여 CIR의 추정 오류를 보상하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 수신기의 채널 추정 장치는, 초기 채널을 추정하는 초기 채널 추정기와, 상기 추정된 초기 채널 값에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 CIR(Channel Impulse Response)을 추정하는 IFFT 연산기와, 상기 추정된 CIR에 대하여 최대 파워를 갖는 경로를 검출하는 최대 파워 경로 검출부와, 상기 검출된 최대 파워 경로의 CIR 값과 CIR 추정 오류 함수를 이용하여, 모든 경로에 대한 CIR 추정 오류를 보상하는 CIR 오류 보상부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 통신 시스템의 채널 추정 방법은, 초기 채널을 추정하는 과정과, 상기 추정된 초기 채널 값에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 CIR(Channel Impulse Response)을 추정하는 과정과, 상기 추정된 CIR에 대하여 최대 파워를 갖는 경로를 검출하는 과정과, 상기 검출된 최대 파워 경로의 CIR 값과 CIR 추정 오류 함수를 이용하여, 모든 경로에 대한 CIR 추정 오류를 보상하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 OFDM 시스템에서 DFT 기반의 채널 추정 방식에서 유효 CIR을 선택하기 전에 CIR의 추정 오류를 보상함으로써, 초기 채널 추정치에 존재하는 잡음의 영향과 GB 설정에 따른 스펙트럼 누수 영향을 효과적으로 제거하고, 나아가 GB 설정에 따른 성능의 열화를 보완하여 우수한 채널 추정 성능을 제공하므로 수신기의 성능 향상을 가져올 수 있는 이점이 있다. 또한, MMSE(Minimum Mean-Square Error) 방식 등에서 필요한 SNR(Signal-to-Noise Ratio)이나 채널에 대한 사전 정보가 필요하지 않기 때문에 사용이 편리한 이점이 있다.

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 OFDM 시스템에서 CIR의 추정 오류를 보상하기 위한 장치 및 방법에 대해 설명하기로 한다. 특히, 본 발명은 DFT 기반의 채널 추정 방식에서 유효 CIR을 선택하기 전에 CIR의 추정 오류를 보상하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 이는 채널의 상태에 따라서 적응적으로 고려될 수 있다. 본 발명에서는 상기 CIR의 추정 오류를 보상하기 위해 CIR 추정 오류 함수를 이용하며, 이는 GB의 크기와 파일럿 심볼의 배치를 고려하여 사전에 계산된다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 시스템에서 DFT 기반의 채널 추정 방식을 사용하는 수신기 구조를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 수신기 구조는 보호구간(Guard Interval) 제거기(401), 제 1 FFT 연산기(402), 초기 채널(initial channel) 추정기(403), IFFT 연산기(404), CIR 추정 오류 보상기(405), 유효(effective) CIR 선택기(406), 제 2 FFT 연산기(407), 등화기(Equalizer)(408), 보호대역(Guard Band) 제거기(409), 파일럿 제거기(410), 데이터 심볼 디매핑기(Data Symbol Demapper)(411)를 포함하여 구성된다.

상기 도 4를 참조하면, 상기 보호구간 제거기(401)는 다중 경로 페이딩 채널을 통과하여 안테나(Antenna)를 통해 수신된 기저대역 신호에서 보호구간을 제거하여 출력한다.

상기 제 1 FFT 연산기(402)는 상기 보호구간이 제거된 신호에 FFT 연산을 수행하여 주파수 영역의 신호를 상기 등화기(408)로 출력하고, 상기 주파수 영역의 신호 중 파일럿 심볼을 상기 초기 채널 추정기(403)로 출력한다. 여기서, 상기 주파수 영역의 신호는 하기 <수학식 1>과 같이 나타난다. 여기서, 상기 주파수 영역의 신호에는 대역의 양쪽 끝에 GB가 설정되어 있다.

여기서, 상기 Y(m,k)는 다중 경로 페이딩 채널을 통과하여 수신된 m번째 심볼구간 k번째 부반송파에 대한 신호를 나타내고, 상기 X(m,k)는 송신기에서 생성된 m번째 심볼구간 k번째 부반송파에 대한 OFDM 심볼을 나타낸다. 상기 H(m,k)는 m번째 심볼구간 k번째 부반송파에 대한 다중 경로 페이딩 채널의 주파수 응답을 나타내고, 상기 W(m,k)는 평균이 영(zero)이고 분산이

인 AWGN(Additive White Gaussian Noise)를 나타낸다. 상기

는 GB의 크기를 나타내고, 상기 N은 전 체 부반송파의 개수를 나타낸다.

여기서, 상기 다중 경로 페이딩 채널의 주파수 응답 H(m,k)와 시간 응답 h(m,n)은 하기 <수학식 2>와 같이 나타난다.

여기서, 상기 H(m,k)는 m번째 심볼구간 k번째 부반송파에 대한 다중 경로 페이딩 채널의 주파수 응답을 나타내고, 상기 h(m,n)은 m번째 심볼구간 n번째 샘플에 대한 다중 경로 페이딩 채널의 시간 응답을 나타낸다. 상기 L은 채널의 지연 경로(path) 수를 나타내고, 상기

는 i번째 채널 경로의 지연 시간을 나타내며, 상기

는 복소 채널 이득을 나타낸다. 여기서, 상기

는 크로네커 델타 함수로서, [ ]안의 값이 0일 때만 1의 값을 갖는 함수이다.

상기 초기 채널 추정기(403)는 상기 주파수 영역의 신호에서 파일럿 심볼을 이용하여 초기 채널을 추정하고, 초기 채널 값을 출력한다. 여기서, 파일럿 심볼을 이용한 채널 추정 알고리즘으로, 동일한 간격으로 배치된 파일럿 심볼을 이용하는 LS(Least Square)가 있으며, 상기 LS를 적용하여 채널을 추정하는 경우, 상기 초기 채널 값은 하기 <수학식 3>과 같이 나타난다.

여기서, 상기

는 주파수 영역에서 파일럿 심볼이 할당된 부반송파 집합을 나타낸다.

상기 IFFT 연산기(404)는 상기 초기 채널 값에 IFFT 연산을 수행하여 CIR을 추정(

)하고, 추정된 CIR을 출력한다.

상기 CIR 추정 오류 보상기(405)는 최대 파워 경로 검출부(Maximum path power detector)(420)와 CIR 오류 보상부(CIR error compensation unit)(430)를 포함하여 구성되며, CIR 추정 오류 함수를 사용하여 GB의 설정으로 인해 발생하는 상기 추정된 CIR에 대한 오류를 보상한다. 여기서, 상기 CIR 추정 오류 함수는 GB의 크기와 파일럿 심볼의 배치를 고려하여 사전에 계산되는 함수로서, 하기 <수학식 4>와 같이 나타난다.

즉, 상기 CIR 추정 오류 함수는 가용 부반송파에 파일럿 심볼만을 할당한 OFDM 심볼을 IFFT 연산함으로써 계산할 수 있다. 도 6은 본 발명의 CIR 추정 오류 함수를 시간 영역에서 나타낸 예이다. 여기서, 상기 R{ }은 { } 안의 리얼(real)값 만을 취하는 함수를 나타낸다.

여기서, 상기 CIR 추정 오류 보상기(405)의 최대 파워 경로 검출부(420)는 상기 추정된 CIR에 대하여 최대 파워를 갖는 경로의 위치

를 검출하고, 상기 CIR 추정 오류 보상기(405)의 CIR 오류 보상부(430)는 상기 검출된 최대 파워 위치의 CIR 값과 CIR 추정 오류 함수를 이용하여, 하기 <수학식 5>와 같이, 모든 경로에 대하여 CIR 추정 오류를 보상한다.

여기서, 상기

은 모듈로(modulo) N의 연산을 의미한다. 상기

은 0에서 제일 큰 값을 가지고, 상기 0을 기준으로 상기 0에서 멀어질수록(예를 들어, -1, 1) 작은 값을 가지는 sync 함수로 나타난다. 따라서, 상기 검출된 최대 파워 경로의 CIR, 즉

을 상기 sync 함수의 가장 큰 값을 가지는

으로 노멀라이즈(normalize)함으로써, GB 설정으로 인해 감소된 상기 검출된 최대 파워 경로의 파워를 보상한다. 또한, 상기 검출된 최대 파워 경로를 제외한 나머지 경로에 대해서도 상기 <수학식 5>를 이용하여

으로 노멀라이즈(normalize)함으로써, 해당 경로의 파워를 보상한다.

여기서, CIR 추정 오류 보상 과정은 반복되어 실행되며, 반복 횟수는 채널의 지연 경로 수 L로 결정할 수 있다. 이때, 다음 반복 과정에서는, 이전 반복 과정에서 검출된 최대 파워를 갖는 경로를 제외한 나머지 경로들을 대상으로 하여 최대 파워를 갖는 경로의 위치

를 검출한다. 이와 같이 CIR 추정 오류를 보상함으로써, 상기 유효 CIR 선택기(406)가 채널 환경에 따라 선택하는 CIR이 모두 유효한 CIR이 될 수 있다. 즉, OFDM 심볼에 보호 대역을 설정하지 않았을 경우와 같이, 상기 유효 CIR 선택기(406)가 채널 환경에 따라 선택하는 CIR이 모두 유효한 CIR이 될 수 있다.

상기 유효 CIR 선택기(406)는 상기 오류가 보상된 CIR에서 유효 CIR을 선택하여 출력한다.

여기서, 일반적으로, OFDM 심볼에 보호 대역을 설정하지 않았을 경우, 상기

에 IFFT 연산을 수행하여 추정한 CIR은 하기 <수학식 6>과 같이 나타난다.

여기서, 상기

은

를 나타내고, 상기 h(m,n)은 하기 <수학식 7>과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 <수학식 6>과 <수학식 7>을 통하여 추정된 CIR은 유효 채널 추정 구간인 0≤n≤L-1과 순수 잡음 구간인 L≤n≤N-1로 나눌 수 있고, 이는 하기 <수학식 8>과 같이 표현된다.

여기서, 상기 유효 CIR을 선택하는 방법 중에 가장 성능이 우수한 것은 추정된 CIR에서 유효한 성분, 즉 채널의 다중 경로 성분만을 선택하고 나머지 성분에 대해서는 잡음으로 간주하여 이를 강제로 영으로 대체하는 것이다. 상기 방법은 잡 음의 영향을 제거하기 위한 것으로, 이를 주파수 영역에서 보면 추정한 채널값을 스무딩(smoothing)하는 효과를 나타낸다. 하지만, 이러한 방법은 추정된 CIR에서 채널의 다중 경로의 위치 성분을 정확하게 알고 있다는 이상적인 상황을 가정하므로 현실적으로는 적용이 불가능하다. 그 밖의 방법으로는, 채널의 최대 지연시간을 고려하여 최대 지연시간 이후의 성분에 대해서는 강제로 영으로 대체하는 방법과, 추정된 CIR에서 일정구간의 잡음의 분산값을 계산하여 이를 임계값(

)으로 설정하고 임계값(

)을 초과하는 성분만을 선택하는 방법이 있으며, 각각의 방법에 대한 DFT 기반 채널 추정 방식의 최종 채널 추정값은 하기 <수학식 9>와 <수학식 10>과 같이 나타난다.

여기서, 상기 임계값(

)을 설정하여 유효 CIR을 선택하는 방법의 경우, 상기 임계값의 설정에 따라서 채널 추정 성능이 상이하게 나타나는데, 유효 채널 추정 구간에서 MSE(Mean-Square Error)를 최소화하기 위해, 상기 임계값은 하기 <수학식 11>과 같이 잡음 전력(

)의 두 배로 설정한다.

여기서, 상기

는 순수 잡음 구간인 L≤n≤N-1에 대한 평균 잡음 전력을 나타낸다.

상기 제 2 FFT 연산기(407)는 상기 선택된 유효 CIR에 대해 FFT 연산을 수행하여 최종 채널을 추정한다.

상기 등화기(408)는 상기 추정된 최종 채널을 이용하여 상기 주파수 영역의 신호에 대한 채널의 영향을 보상하고, 보상된 신호를 출력한다. 즉, 무선채널에서 발생한 여러 잡음들을 보상하여 출력한다. 다시 말해, 상기 제 1 FFT 연산기(402)로부터 입력되는 주파수 영역의 신호에 대하여 상기 제 2 FFT 연산기(407)로부터 입력되는 채널 주파수 응답을 이용하여 채널의 영향을 보상한다.

상기 보호대역 제거기(409)는 상기 채널의 영향이 보상된 신호에서 보호대역을 제거하여 출력한다.

상기 파일럿 제거기(410)는 상기 보호대역이 제거된 신호에서 파일럿 심볼을 제거하여 데이터 심볼만을 출력한다.

상기 데이터 심볼 디매핑기(411)는 상기 데이터 심볼에 대한 디매핑(demapping) 및 복조(demodulation)를 통해 정보를 복원하여, 이진 데이터를 출력한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 시스템의 수신기에서 DFT 기반의 채널 추정 시 CIR 추정 오류를 보상하기 위한 방법의 절차를 도시한 흐름도이다.

상기 도 5를 참조하면, 수신기는 501단계에서 다중 경로 페이딩 채널을 통과하여 안테나(Antenna)를 통해 수신된 기저대역 신호에서 보호구간을 제거하고, 상기 보호구간이 제거된 신호에 FFT 연산을 수행한다.

이후, 상기 수신기는 503단계에서 상기 FFT 연산을 통해 생성된 주파수 영역의 신호 중 파일럿 심볼을 이용하여 초기 채널을 추정하고, 505단계로 진행하여 상기 추정된 초기 채널 값에 IFFT 연산을 수행하여 CIR을 추정한다. 여기서, 파일럿 심볼을 이용한 채널 추정 알고리즘으로, 동일한 간격으로 배치된 파일럿 심볼을 이용하는 LS(Least Square)가 있다.

이후, 상기 수신기는 507단계에서 상기 추정된 CIR에 대하여 최대 파워를 갖는 경로의 위치를 검출하고, 509단계에서 상기 검출된 최대 파워 위치의 CIR 값과 CIR 추정 오류 함수를 이용하여, 상기 <수학식 5>와 같이, 모든 경로에 대하여 CIR 추정 오류를 보상한다. 여기서, 상기 CIR 추정 오류 함수는 GB의 크기와 파일럿 심 볼의 배치를 고려하여 사전에 계산되는 함수로서, 상기 <수학식 4>와 같이, 가용 부반송파에 파일럿 심볼만을 할당한 OFDM 심볼을 IFFT 연산함으로써 계산할 수 있다.

여기서, 상기 507단계 및 509단계의 CIR 추정 오류 보상 과정은 반복되어 실행될 수 있으며, 반복 횟수는 채널의 지연 경로 수로 결정할 수 있다. 이때, 다음 반복 과정에서는, 이전 반복 과정에서 검출된 최대 파워를 갖는 경로를 제외한 나머지 경로들을 대상으로 하여 최대 파워를 갖는 경로의 위치를 검출한다.

이후, 상기 수신기는 511단계에서 상기 오류가 보상된 CIR에서 유효 CIR을 선택한다. 여기서, 상기 유효 CIR을 선택하는 방법 중에 가장 성능이 우수한 것은 추정된 CIR에서 유효한 성분, 즉 채널의 다중 경로 성분만을 선택하고 나머지 성분에 대해서는 잡음으로 간주하여 이를 강제로 영으로 대체하는 것이다. 상기 방법은 잡음의 영향을 제거하기 위한 것으로, 이를 주파수 영역에서 보면 추정한 채널값을 스무딩(smoothing)하는 효과를 나타낸다. 하지만, 이러한 방법은 추정된 CIR에서 채널의 다중 경로의 위치 성분을 정확하게 알고 있다는 이상적인 상황을 가정하므로 현실적으로는 적용이 불가능하다. 그 밖의 방법으로는, 채널의 최대 지연시간을 고려하여 최대 지연시간 이후의 성분에 대해서는 강제로 영으로 대체하는 방법과, 추정된 CIR에서 일정구간의 잡음의 분산값을 계산하여 이를 임계값으로 설정하고 임계값을 초과하는 성분만을 선택하는 방법이 있다.

이후, 상기 수신기는 513단계에서 상기 선택된 유효 CIR에 대해 FFT 연산을 수행하여 최종 채널을 추정한 후, 515단계에서 상기 추정된 최종 채널을 이용하여 상기 501단계를 통해 생성된 주파수 영역의 신호에 대한 채널의 영향을 보상한다. 즉, 무선채널에서 발생한 여러 잡음들을 보상한다.

이후, 상기 수신기는 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

도 7는 본 발명의 CIR 추정 오류 보상 결과를 도시한 도면이다.

상기 도 7을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 CIR 추정 오류 보상을 통해 OFDM 통신 시스템의 GB의 존재로 인한 스펙트럼 누수 현상의 보상효과가 탁월함을 확인할 수 있다.

본 발명에서 제시하는 방안의 성능 검증을 위한 모의실험은 랜덤하게 변하는 다중 경로 페이딩 채널 환경에서 충분히 많은 반복 과정을 거쳐 통계적인 성능 수치를 기록함으로써 수행되었으며, 결과는 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같다. 여기서, 성능 평가를 위해 비교 대상으로 설정한 채널 추정 기법은 다음과 같다.

① Linear Interpolation(종래의 라그랑주 보간(Lagrange interpolation) 기법 중 1차 선형 보간 기법)

② Conventional Method(종래의 DFT 기반의 채널 추정 기법)

③ Proposed Method(본 발명의 CIR 추정 오류 보상 기법을 포함하는 DFT기반의 채널 추정 기법)

도 8은 주파수 영역에서 종래 기술과 본 발명에서 제안하는 방식의 부반송파 별 MSE 성능을 비교 도시한 그래프이다.

상기 도 8을 참조하면, 상기 도 2의 실험 환경과 동일한 파라미터를 사용하였으며, 선형 보간법의 경우 파일럿 위치에서의 MSE 성분은 표시하지 않았다. 기존의 DFT 기반의 채널 추정 알고리즘의 경우 주파수 양끝 대역의 MSE 성능 열화를 제외하고는 선형 보간법보다 우수한 성능을 나타낸다. 본 발명에서 제안하는 방식은 종래의 DFT 기반의 채널 추정 알고리즘의 성능 열화의 원인이었던 CIR의 채널 추정 오류를 효과적으로 제거하여 주파수 양끝 대역의 MSE 성능 열화를 개선하였으며, 선형 보간법과 종래의 방식보다도 주파수 영역의 전 대역에서 균일하게

이하의 매우 우수한 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.

도 9는 종래 기술과 본 발명에서 제안하는 방식의 Uncoded BER 성능을 Eb/No의 변화에 따라 비교 도시한 그래프이다.

상기 도 9를 참조하면, 상기 도 3의 실험 환경과 동일한 파라미터를 사용하였으며, 상기 도 9에서 제시한 IDEAL BER 성능은 채널의 영향을 아이디얼(ideal)하게 보상하였을 경우의 Uncoded BER 성능을 보여주며, 이 성능은 사용된 다중 경로 페이딩 채널에서의 가장 우수한 성능을 나타낸다. 또, Uncoded BER 성능으로

에서

사이의 성능을 목표한다. 기존의 DFT기반의 채널 추정 알고리즘의 경우 GB설정으로 인한 성능의 열화로 비교 대상의 선형 보간법보다 복잡도가 높지만 거의 유사한 성능을 나타내며, 약 Eb/No=14dB에서 오히려 선형 보간법보다 성능이 열화되는 특징이 있다. 또한, 60km/h의 이동체 속도와 Eb/No=20dB 이하의 실험 환경에서 Uncoded BER 성능이

이하로 내려가지 않는 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 DFT기반의 채널 추정 알고리즘을 적용하였을 경우 약 Eb/No=14.5dB에서

이하의 성능을 나타내며 Eb/No=20dB에서 약

을 나타낸다. 이러한 성능은 선형 보간법과 기존의 DFT기반의 채널 추정 알고리즘보다 전체 Eb/No구간에서 월등히 우수하며 IDEAL BER 성능과 매우 근접한 성능을 나나냄을 확인할 수 있다.

도 10은 종래 기술과 본 발명에서 제안하는 방식의 MSE 성능을 Eb/No의 변화에 따라 비교 도시한 그래프이다.

상기 도 10을 참조하면, 기존의 DFT기반의 채널 추정 알고리즘의 경우 Uncoded BER 성능과 유사하게 선형 보간법과 유사한 성능을 보이며, Eb/No=12dB에서 선형 보간법보다 성능이 열화되는 특징을 나타낸다. 본 발명의 DFT기반의 채널 추정 알고리즘을 적용하였을 경우 전체 Eb/No구간에서 월등히 우수하며 Eb/No=20dB에서 약

의 MSE성능을 나타낸다.

상기 도 8 내지 도 10의 결과를 종합해 볼 때, 본 발명의 CIR 추정 오류 보상 기법을 추가한 DFT기반의 채널 추정 알고리즘은 다중 경로 페이딩 채널의 주파 수 선택적 페이딩 영향과 이동체 속도의 증가에 따른 도플러 편이가 심한 환경에서도 기존의 기법보다 우수한 성능을 발휘할 수 있다는 것을 알 수 있으며, 특히 GB를 설정하는 OFDM 통신 시스템에서 스펙트럼 누수의 영향을 효과적으로 보상할 수 있는 기법으로 고려된다.

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.

도 1은 OFDM 시스템에서 GB의 설정으로 인한 CIR의 추정 오류 현상의 예를 도시한 도면,

도 2는 주파수 영역에서 기존 방식의 부반송파별 MSE 성능을 도시한 예시도,

도 3은 기존 방식에서 GB의 설정으로 인한 성능의 열화를 Uncoded BER(Bit Error Rate)로 비교 도시한 그래프,

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 시스템에서 DFT 기반의 채널 추정 방식을 사용하는 수신기 구조를 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 시스템의 수신기에서 DFT 기반의 채널 추정 시 CIR 추정 오류를 보상하기 위한 방법의 절차를 도시한 흐름도,

도 6은 본 발명의 CIR 추정 오류 함수를 시간 영역에서 나타낸 예를 도시한 도면,

도 7는 본 발명의 CIR 추정 오류 보상 결과를 도시한 도면,

도 8은 주파수 영역에서 종래 기술과 본 발명에서 제안하는 방식의 부반송파별 MSE 성능을 비교 도시한 그래프,

도 9는 종래 기술과 본 발명에서 제안하는 방식의 Uncoded BER 성능을 Eb/No의 변화에 따라 비교 도시한 그래프, 및

도 10은 종래 기술과 본 발명에서 제안하는 방식의 MSE 성능을 Eb/No의 변화에 따라 비교 도시한 그래프.

Claims

수신기의 채널 추정 장치에 있어서,

초기 채널을 추정하는 초기 채널 추정기와,

상기 추정된 초기 채널 값에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 CIR(Channel Impulse Response)을 추정하는 IFFT 연산기와,

상기 추정된 CIR에 대하여 최대 파워를 갖는 경로를 검출하는 최대 파워 경로 검출부와,

상기 검출된 최대 파워 경로의 CIR 값과 CIR 추정 오류 함수를 이용하여, 모든 경로에 대한 CIR 추정 오류를 보상하는 CIR 오류 보상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서,

수신 신호에 FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 주파수 영역의 신호를 생성하는 제 1 FFT 연산기를 더 포함하여,

상기 초기 채널 추정기는, 상기 주파수 영역의 신호 중 파일럿 심볼을 이용하여 초기 채널을 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 초기 채널은 하기 <수학식 12>를 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.

여기서, 상기 Y(m,k)는 다중 경로 페이딩 채널을 통과하여 수신된 m번째 심볼구간 k번째 부반송파에 대한 신호를 나타내고, 상기 X(m,k)는 송신기에서 생성된 m번째 심볼구간 k번째 부반송파에 대한 OFDM 심볼을 나타낸다. 상기 H(m,k)는 m번째 심볼구간 k번째 부반송파에 대한 다중 경로 페이딩 채널의 주파수 응답을 나타내고, 상기 W(m,k)는 평균이 영(zero)이고 분산이
인 AWGN(Additive White Gaussian Noise)를 나타낸다. 상기
는 주파수 영역에서 파일럿 심볼이 할당된 부반송파 집합을 나타내고, 상기
는 m번째 심볼구간 k번째 부반송파에 대한 초기 채널을 나타냄. 상기 m, k는 0보다 큰 양의 정수를 나타낸다.
제 1 항에 있어서,

상기 CIR 추정 오류 함수는 보호 대역(Guard Band)의 크기와 파일럿 심볼의 배치를 고려하여 계산된 함수임을 특징으로 하는 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 CIR 추정 오류 함수는 하기 <수학식 13>을 이용하여 계산된 함수임을 특징으로 하는 장치.

여기서, 상기 R{ }은 { } 안의 리얼(real)값 만을 취하는 함수를 나타내고, 상기
는 주파수 영역에서 파일럿 심볼이 할당된 부반송파 집합을 나타낸다. 또한, 상기 k는 부반송파 번호를 나타내며, 상기 n은 샘플 번호를 나타냄.
제 1 항에 있어서, 상기 최대 파워 경로 검출부는,

반복 횟수만큼 상기 최대 파워를 갖는 경로를 검출하며, 이때, 다음 반복 과정에서는 이전 반복 과정에서 검출된 최대 파워를 갖는 경로를 제외한 나머지 경로들을 대상으로 하여 최대 파워를 갖는 경로의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 반복 횟수는 채널의 지연 경로 수와 같음을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 CIR 오류 보상부는 하기 <수학식 14>를 이용하여 모든 경로에 대하여 CIR 추정 오류를 보상하는 것을 특징으로 하는 장치.

여기서, 상기
는 m번째 심볼구간 n번째 샘플에 대한 CIR을 나타내고, 상기
은 CIR 추정 오류 함수를 나타내며, 상기
은 상기 검출된 최대 파워를 갖는 경로를 나타냄. 상기 l, m, n은 0보다 큰 양의 정수를 나타낸다.
제 1 항에 있어서,

상기 오류가 보상된 CIR에서 유효 CIR을 선택하는 유효 CIR 선택기와,

상기 선택된 유효 CIR에 대해 FFT 연산을 수행하여 최종 채널을 추정하는 제 2 FFT 연산기와,

상기 추정된 최종 채널을 이용하여 수신 신호에서 채널의 영향을 보상하는 등화기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 유효 CIR 선택기는, 추정된 CIR에서 채널의 다중 경로 성분만을 선택하고 나머지 성분에 대해서는 잡음으로 간주하여 이를 강제로 영으로 대체하는 방법, 채널의 최대 지연시간을 고려하여 최대 지연시간 이후의 성분에 대해서는 강제로 영으로 대체하는 방법, 추정된 CIR에서 일정구간의 잡음의 분산값을 계산하여 이를 임계값으로 설정하고 임계값을 초과하는 성분만을 선택하는 방법 중 하나를 이용하여 유효 CIR을 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
통신 시스템의 채널 추정 방법에 있어서,

초기 채널을 추정하는 과정과,

상기 추정된 초기 채널 값에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 CIR(Channel Impulse Response)을 추정하는 과정과,

상기 추정된 CIR에 대하여 최대 파워를 갖는 경로를 검출하는 과정과,

상기 검출된 최대 파워 경로의 CIR 값과 CIR 추정 오류 함수를 이용하여, 모든 경로에 대한 CIR 추정 오류를 보상하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 초기 채널을 추정하는 과정은,

수신 신호에 FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 수행하여 주파수 영역의 신호를 생성하는 과정과,

상기 주파수 영역의 신호 중 파일럿 심볼을 이용하여 초기 채널을 추정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 초기 채널은 하기 <수학식 15>를 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, 상기 Y(m,k)는 다중 경로 페이딩 채널을 통과하여 수신된 m번째 심볼구간 k번째 부반송파에 대한 신호를 나타내고, 상기 X(m,k)는 송신기에서 생성된 m번째 심볼구간 k번째 부반송파에 대한 OFDM 심볼을 나타낸다. 상기 H(m,k)는 m번째 심볼구간 k번째 부반송파에 대한 다중 경로 페이딩 채널의 주파수 응답을 나타내고, 상기 W(m,k)는 평균이 영(zero)이고 분산이
인 AWGN(Additive White Gaussian Noise)를 나타낸다. 상기
는 주파수 영역에서 파일럿 심볼이 할당된 부반송파 집합을 나타내고, 상기
는 m번째 심볼구간 k번째 부반송파에 대한 초기 채널을 나타냄. 상기 m, k는 0보다 큰 양의 정수를 나타낸다.
제 11 항에 있어서,

상기 CIR 추정 오류 함수는 보호 대역(Guard Band)의 크기와 파일럿 심볼의 배치를 고려하여 계산된 함수임을 특징으로 하는 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 CIR 추정 오류 함수는 하기 <수학식 16>을 이용하여 계산된 함수임을 특징으로 하는 방법.

여기서, 상기 R{ }은 { } 안의 리얼(real)값 만을 취하는 함수를 나타내고, 상기
는 주파수 영역에서 파일럿 심볼이 할당된 부반송파 집합을 나타낸다. 또한, 상기 k는 부반송파 번호를 나타내며, 상기 n은 샘플 번호를 나타냄.
제 11 항에 있어서, 상기 최대 파워 경로 검출 과정은,

반복 횟수만큼 수행하며, 이때, 다음 반복 과정에서는 이전 반복 과정에서 검출된 최대 파워를 갖는 경로를 제외한 나머지 경로들을 대상으로 하여 최대 파워를 갖는 경로의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16 항에 있어서,

상기 반복 횟수는 채널의 지연 경로 수와 같음을 특징으로 하는 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 모든 경로에 대하여 CIR 추정 오류는 하기 <수학식 17>을 이용하여 보상하는 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, 상기
는 m번째 심볼구간 n번째 샘플에 대한 CIR을 나타내고, 상기
은 CIR 추정 오류 함수를 나타내며, 상기
은 상기 검출된 최대 파워를 갖는 경로를 나타냄. 상기 l, m, n은 0보다 큰 양의 정수를 나타낸다.
제 11 항에 있어서,

상기 오류가 보상된 CIR에서 유효 CIR을 선택하는 과정과,

상기 선택된 유효 CIR에 대해 FFT 연산을 수행하여 최종 채널을 추정하는 과정과,

상기 추정된 최종 채널을 이용하여 수신 신호에서 채널의 영향을 보상하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 유효 CIR은, 추정된 CIR에서 채널의 다중 경로 성분만을 선택하고 나머지 성분에 대해서는 잡음으로 간주하여 이를 강제로 영으로 대체하는 방법, 채널의 최대 지연시간을 고려하여 최대 지연시간 이후의 성분에 대해서는 강제로 영으로 대체하는 방법, 추정된 CIR에서 일정구간의 잡음의 분산값을 계산하여 이를 임계값으로 설정하고 임계값을 초과하는 성분만을 선택하는 방법 중 하나를 이용하여 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.