KR101441597B1 - 고속 퓨리에 변환기 기반 주파수 분할 다중 접속시스템에서 주파수 오차 추정 장치 및 방법 - Google Patents

고속 퓨리에 변환기 기반 주파수 분할 다중 접속시스템에서 주파수 오차 추정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속 퓨리에 변환 장치(Fast Fourier Transform : 이하 'FFT'라 칭함) 기반 주파수 분할 다중화(Frequency Domain Multiple : 이하 'FDM'이라 칭함) 또는 주파수 분할 다중 접속(Frequency Domain Multiple Access : 이하 'FDMA'라 칭함) 시스템에서 주파수 오차 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 수신 신호에서 사이클릭 프리픽스(Cyclic Prefix : 이하 'CP'라 칭함)를 추출하는 과정과, 상기 CP를 제외한 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 과정과, 상기 변환된 주파수 영역의 신호 중 하나의 사용자의 데이터 신호를 선택하고, 상기 선택된 데이터 신호를 바탕으로 상기 CP를 재생성하는 과정과, 상기 추출된 CP와 상기 재생성된 CP의 상관연산을 통해 위상차를 검출하는 과정을 포함하여, 파일롯 신호만을 이용한 주파수 오차 추정 방법과 동일하게 추정 주파수 오차를 유지하면서도 추정 가능 범위는 심볼 전송률의 ±1/2까지 넓힐 수 있는 이점이 있다.
고속 퓨리에 변환기, 파일롯 신호, 주파수 오차, 위상차

Description

고속 퓨리에 변환기 기반 주파수 분할 다중 접속 시스템에서 주파수 오차 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FREQUENCY OFFSET ESTIMATION IN FFT-BASED FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS SYSTEMS}
도 1은 본 발명에 따른 FFT 기반 FDM 또는 FDMA 시스템의 수신 장치를 도시한 도면, 및
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 FFT 기반 FDM 또는 FDMA 시스템의 수신 장치에서 주파수 오차 추정 방법을 도시한 도면, 및
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 FFT 기반 FDM 또는 FDMA 시스템의 수신 장치에서 주파수 오차 추정 방법을 도시한 도면.
본 발명은 FFT 기반 FDM/FDMA 시스템에 관한 것으로, 특히, 주파수 오차 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선/유선 채널의 주파수 선택적 특성을 보상하기 위하여 다양한 방법의 등 화기술이 연구되어왔다. 이들 기술들은 채널에 의한 성능 열화를 보상하기 위한 시간 영역에서의 등화기가 갖는 높은 복잡도를 해소하기 위하여, 고속 퓨리에 변환 장치(Fast Fourier Transform : 이하 'FFT'라 칭함)를 사용하여 수신된 신호를 주파수 영역으로 변환한 후 보상하는 방법을 취한다. 다중 접속 방식으로서 단일 반송파 주파수 분할 다중 접속(Single Carrier Frequency Domain Multiple Access : SC-FDMA) 방식이나 직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access : OFDMA) 방식은 모두 수신단에 상기 FFT를 사용하여 수신된 채널을 주파수 영역으로 변환한 뒤 채널에 의한 주파수 선택적 왜곡을 보상하는 방법을 채택하고 있다.
일반적으로, 전송장치는 디지털 신호의 전송을 위해, 상기 디지털 신호를 기저대역 신호로 변조하고 상기 변조된 신호를 국부 발진기(Local Oscillator)를 사용하여 무선 주파수 대역의 신호로 변환한다. 또한, 수신장치는 상기 전송장치로부터 수신되는 무선 주파수 대역의 신호를 상대적으로 처리하기 쉬운 기저대역 신호로 변환하기 위해, 상기 전송장치와 동일한 주파수로 발진하는 국부 발진기를 사용한다. 이때, 상기 수신장치는 전송장치와 수신장치의 국부 발진기 간의 불완전성이나 전송장치 또는 수신장치가 빠르게 이동하는 경우에 발생하는 도플러 효과에 의한 주파수 오차에 의하여 심각한 수신 성능 열화를 겪게 된다. 따라서, 상기 수신장치는 이러한 성능 열화를 극복하기 위하여 주파수 오차를 추정 및 보상해야 한다.
종래 기술에 따른 기저대역에서 주파수 오차를 추정하는 방법을 살펴보면, 송신장치는 전송 신호에 수신장치가 알고 있는 파일롯 신호를 주기적으로 삽입하여 상기 수신장치로 전송하고, 상기 수신장치는 매 주기 수신된 파일롯 신호들 간의 위상차를 측정하여 전송 경로에서 발생한 주파수 오차를 추정 및 보상한다. 이때, 상기 파일롯 신호의 전송 주기는 상기 파일롯 신호를 통해 추정할 수 있는 주파수 오차의 범위를 결정하게 된다. 여기서, 상기 파일롯 신호 전송 주기를 T라고 할 때, 수신된 파일롯 신호를 통해 추정 가능한 주파수 오차의 범위는
Figure 112007042771901-pat00001
가 된다. 상기 추정 가능한 주파수 오차의 범위를 늘리기 위해 상기 파일롯 신호의 전송 주기를 짧게 하는 방법을 고려할 수 있으나, 이 경우 파일롯 신호가 전체 전송 신호에서 차지하는 비율이 증가하게 되어 실효 전송률 저하를 초래하게 된다. 따라서, 상기 파일롯 신호는 일반적인 수신 환경에서 성능이 크게 저하되지 않는 수준의 전력과 전송 주기로 전송되는 것이 보통이다.
한편, 무선 접속 장치가 매우 다양해지고 급속히 증가하게 됨에 따라, 무선 주파수 자원의 한계에 의하여 새로 등장하게 되는 무선 시스템은 기존 무선 시스템의 주파수 대역보다 더 높은 주파수 대역의 주파수 자원을 사용하게 된다. 그러나, 전송하는 주파수 대역이 높아지면 주파수 오차는 그에 비례하여 증가하게 되며, 고속철도와 같이 매우 빠르게 이동하는 교통 수단이 보편화됨에 따라 도플러 효과에 의한 주파수 천이 현상도 심화되고 있다. 따라서, 이런 상황에서 기존 기술을 통해 파일롯 신호에만 의존하여 주파수 오차를 추정하는 것은 향후 무선 환경에 적합하지 못하다.
상기 언급한 바와 같이, 종래 기술에 따른 주파수 오차 추정 및 보상 방법은 높은 주파수 오차에 의한 극심한 시스템 성능 저하 또는 과도한 파일롯 신호 전송에 따른 시스템 전송률 저하가 불가피한 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 FFT 기반 FDM 또는 FDMA 시스템에서 주파수 오차 추정 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 FFT 기반 FDM 또는 FDMA 시스템에서 수신된 CP와 재생성된 사이클릭 프리픽스(Cyclic Prefix : 이하 'CP'라 칭함)의 상관 연산을 통해 제 1 위상차를 검출하고, 파일롯 신호와 이전 파일롯 신호의 상관 연산을 통해 제 2 위상차를 검출하며, 상기 검출된 두 위상차를 이용하여 최종적인 주파수 오차를 추정하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 통신 시스템의 주파수 오차 추정 방법은, 수신 신호에서 사이클릭 프리픽스(Cyclic Prefix : 이하 'CP'라 칭함)를 추출하는 과정과, 상기 CP를 제외한 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 과정과, 상기 변환된 주파수 영역의 신호 중 하나의 사용자의 데이터 신호를 선택하고, 상기 선택된 데이터 신호를 바탕으로 상기 CP를 재생성하는 과정과, 상기 추출된 CP와 상기 재생성된 CP의 상관연산을 통해 위상차를 검출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 통신 시스템의 주 파수 오차 추정 장치는, 수신 신호에서 사이클릭 프리픽스(Cyclic Prefix : 이하 'CP'라 칭함)를 추출 및 저장하는 CP 추출 및 저장기와, 상기 CP를 제외한 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 주파수 영역 변환기와, 상기 변환된 주파수 영역의 신호 중 하나의 사용자의 데이터 신호를 선택하는 사용자 주파수 대역 선택기와, 상기 선택된 데이터 신호를 바탕으로 상기 CP를 재생성하는 CP 재생성기와, 상기 추출된 CP와 상기 재생성된 CP의 상관연산을 통해 위상차를 검출하는 상관기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 통신 시스템의 주파수 오차 추정 방법은, 수신 신호에서 사이클릭 프리픽스(Cyclic Prefix : 이하 'CP'라 칭함)를 추출하는 과정과, 상기 추출된 CP와 상기 CP를 제외한 신호를 각각 주파수 영역의 신호로 변환하는 과정과, 상기 변환된 주파수 영역의 신호 중 하나의 사용자의 데이터 신호를 선택하는 과정과, 상기 주파수 영역의 신호로 변환된 CP로부터 상기 사용자의 CP를 추출하고, 상기 선택된 사용자의 데이터 신호에 대해 상기 추출된 해당 사용자의 CP와의 상관 연산을 수행하여 위상차를 검출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 통신 시스템의 주파수 오차 추정 장치는, 수신 신호에서 사이클릭 프리픽스(Cyclic Prefix : 이하 'CP'라 칭함)를 추출하는 CP 추출기와, 상기 추출된 CP와 상기 CP를 제외한 신호를 각각 주파수 영역의 신호로 변환하는 주파수 영역 변환기와, 상기 변환된 주파수 영역의 신호 중 하나의 사용자의 데이터 신호를 선택하는 사용자 주파수 대역 선택 기와, 상기 주파수 영역의 신호로 변환된 CP로부터 상기 사용자의 CP를 추출하고, 상기 선택된 사용자의 데이터 신호에 대해 상기 추출된 해당 사용자의 CP와의 상관 연산을 수행하여 위상차를 검출하는 상관기를 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 FFT 기반 FDM 또는 FDMA 시스템에서 주파수 오차 추정 장치 및 방법에 관한 것이다. 이하 설명은 FFT 기반 FDM 또는 FDMA 시스템을 예로 들어 설명할 것이나, FFT 기반의 단일 사용자 시스템 또는 다중 사용자 시스템에 모두 적용 가능함은 물론이다.
여기서, 일반적인 FFT 기반 FDM 또는 FDMA 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 전송장치가 전송한 신호를 x(t)라고 하면, 주파수 오차
Figure 112007042771901-pat00002
가 존재하는 경우 수신장치가 수신하는 신호 r(t)는 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있 다.
Figure 112007042771901-pat00003
여기서, 상기
Figure 112007042771901-pat00004
는 임의의 값을 갖는 초기 위상을 나타낸다.
만일, 상기 전송장치가 시간차
Figure 112007042771901-pat00005
를 두고 동일한 신호 x(t)를
Figure 112007042771901-pat00006
동안 전송하였다고 가정하면, 상기 수신장치는 두 개의 수신 신호를 이용하여 상관 연산을 수행할 수 있으며, 이로써 하기 <수학식 2>와 같은 상관 연산 결과를 획득할 수 있다.
Figure 112007042771901-pat00007
결국, 상기 주파수 오차
Figure 112007042771901-pat00008
는 상기 상관 연산 결과의 위상으로부터 획득될 수 있으며, 이는 하기 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007042771901-pat00009
여기서, 상기
Figure 112007042771901-pat00010
는 복소수
Figure 112007042771901-pat00011
의 편각을 의미하며, n은 임의의 정수 값을 갖는 주기를 나타낸다.
상기 방법을 적용하여 주기적으로 전송되는 파일롯 신호로부터의 주파수 오차 추정 방법을 살펴보면 다음과 같다.
만일, x(t)가 주기 T마다 전송되는 파일롯 신호라면, 상기 파일롯 신호를 통해 추정되는 주파수 오차는 하기 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007042771901-pat00012
여기서, 상기
Figure 112007042771901-pat00013
는 파일롯 신호의 길이를 나타내고, 상기
Figure 112007042771901-pat00014
는 위상차를 의미한다.
이때, 상기 파일롯 신호 전송 주기 T가 충분히 짧고 주파수 오차가
Figure 112007042771901-pat00015
범위에 있다면, 상기 n은 0의 값을 가지므로, 수신된 파일롯 신호로부터 주파수 오차를 쉽게 추정할 수 있다. 그러나, 일반적으로 파일롯 신호의 전송 주기는 데이터 신호의 전송 주기보다 훨씬 길며, 이와 같이, 파일롯 전송 주기 T가 너무 길거나 주파수 오차가 매우 커서
Figure 112007042771901-pat00016
범위를 넘어서게 되는 경우, 단순히 수신된 파일롯 신호로부터 n의 값을 알 수가 없게 되어 정확한 주파수 오차를 추정할 수 없다.
상기 정확한 주파수 오차의 추정을 위해 본 발명에서는 상기 파일롯 신호를 이용한 주파수 오차 추정 방법에 사이클릭 프리픽스(Cyclic prefix)를 이용한 주파수 오차 추정 방법을 추가적으로 적용하는 방안을 제안한다.
도 1은 본 발명에 따른 FFT 기반 FDM 또는 FDMA 시스템의 수신 장치를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 상기 수신 장치는 수신기(101), CP(Cyclic Prefix) 추출 및 저장기(103), FFT 연산기(105), 사용자 주파수 대역 선택기(107), CP 재생성기(109), 제 1 상관기(111), 사용자 파일롯 신호 선택기(113), 제 2 상관기(115), 주파수 오차 추정기(117)를 포함하여 구성된다.
상기 도 1을 참조하면, 상기 수신기(101)는 안테나를 통해 하나의 서브 프레임의 신호를 수신하고, 수신 신호를 상기 CP(Cyclic Prefix) 추출 및 저장기(103)로 출력한다.
상기 CP(Cyclic Prefix) 추출 및 저장기(103)는 상기 수신 신호에서 CP를 추출 및 저장하고, 상기 CP를 제외한 구간의 신호를 상기 FFT 연산기(105)로 출력한다.
상기 FFT 연산기(105)는 상기 CP를 제외한 구간의 신호에 대해 FFT 연산을 수행하고, 상기 FFT 연산된 신호 중 데이터 신호를 상기 사용자 주파수 대역 선택기(107)로 출력하고, 상기 FFT 연산된 신호 중 파일롯 신호를 상기 사용자 파일롯 신호 선택기(113)로 출력한다.
상기 사용자 주파수 대역 선택기(107)는 상기 FFT 연산된 데이터 신호 중 제 m 사용자의 주파수 대역으로 전송된 신호를 선택하고, 상기 선택된 신호를 상기 CP 재생성기(109)로 출력한다.
상기 CP 재생성기(109)는 상기 제 m 사용자의 데이터 신호를 이용하여 CP를 재생성하고, 상기 재생성된 CP를 상기 제 1 상관기(111)로 출력한다.
상기 제 1 상관기(111)는 상기 재생성된 CP에 대해 상기 CP(Cyclic Prefix) 추출 및 저장기(103)에 저장된 CP와의 상관 연산을 수행하여 제 1 위상차를 검출하고, 상기 검출된 제 1 위상차를 상기 주파수 오차 추정기(117)로 출력한다.
상기 사용자 파일롯 신호 선택기(113)는 상기 FFT 연산된 파일롯 신호 중 제 상기 제 m 사용자의 파일롯 신호를 선택하고, 상기 선택된 파일롯 신호를 상기 제 2 상관기(115)로 출력한다.
상기 제 2 상관기(115)는 상기 선택된 파일롯 신호에 대해 상기 제 m 사용자의 이전 파일롯 신호와의 상관 연산을 수행하여 제 2 위상차를 검출하고, 상기 검출된 제 2 위상차를 상기 주파수 오차 추정기(117)로 출력한다.
상기 주파수 오차 추정기(117)는 상기 검출된 제 1 위상차와 제 2 위상차를 이용하여 최종 주파수 오차를 추정한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 FFT 기반FDM 또는 FDMA 시스템의 수신 장치에서 주파수 오차 추정 방법을 도시한 도면이다.
상기 도 2를 참조하면, 수신 장치는 201단계에서 안테나를 통해 하나의 서브 프레임의 신호를 수신하고, 203단계로 진행하여 수신 신호에서 CP를 추출한 후, 상기 추출된 CP를 저장한다. 여기서, 송신 장치는 주파수 영역의 신호에 IFFT 연산을 수행하고, 상기 IFFT 연산된 신호에 CP를 삽입하여 수신 장치로 전송하며, 상기 시스템이 단일 사용자 시스템(예 : FDM 시스템)일 시, 상기 수신 장치가 수신하는 신호에 포함되는 CP는 단일한 사용자의 CP이다. 반면, 상기 시스템이 다중 사용자 시스템(예 : FDMA 시스템)일 시, 상기 수신 장치는 다중 사용자의 신호를 동시에 수신하므로(FDMA 시스템의 경우, 서로 다른 주파수 대역을 사용하는 다중 사용자의 신호를 동시에 수신), 상기 수신 장치가 수신하는 신호에 포함되는 CP는 다중 사용자의 CP의 합으로 나타난다.
이후, 상기 수신 장치는 205단계에서 상기 CP를 제외한 구간의 신호에 대해 FFT 연산을 수행하고, 사용자 인덱스 m을 1로 설정한다.
이후, 상기 수신 장치는 207단계에서 제 m 사용자의 주파수 대역으로 전송된 신호를 선택하고, 상기 선택된 신호를 이용하여 CP를 재생성한다. 예를 들어, 상기 선택된 신호의 일부를 복사하여 상기 CP를 재생성할 수 있다.
이후, 상기 수신 장치는 209단계에서 상기 재생성된 CP에 대해 상기 저장된 CP와의 상관 연산을 수행하여 제 1 위상차를 검출한다.
여기서, FFT 기반의 FDM/FDMA 시스템에서 송신 장치는 전송 신호의 일부를 복사하여 CP를 생성하고, 상기 생성된 CP를 전송 신호의 선두에 보낸다. 결국, 동 일한 신호(즉, 동일한 CP)가 시간 간격
Figure 112007042771901-pat00017
를 두고 두 번 전송되므로, 상기 수신 장치는 상기 전송되는 두 개의 신호(즉, 두개의 CP)를 이용하여 제 1 위상차를 검출할 수 있으며, 이를 통해 대략적인 주파수 오차를 추정하면 하기 <수학식 5>와 같다.
Figure 112007042771901-pat00018
여기서, 상기
Figure 112007042771901-pat00019
는 상기 CP의 길이를 나타내며, 상기
Figure 112007042771901-pat00020
는 상기 제 1 위상차를 의미한다.
여기서, 일반적으로 수신 장치와 송신 장치간 주파수 오차는 부반송파 대역폭의 1/2, 즉
Figure 112007042771901-pat00021
를 벗어날 수 없도록 동기화되어있으며, 부반송파 대역폭은 일반적인 국부발진기 오차와 도플러 효과를 감안하더라도 충분히 넓은 범위이므로, 상기 <수학식 5>에서 n'=0으로 두면, 상기 대략적인 주파수 오차는 하기 <수학식 6>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007042771901-pat00022
이후, 상기 수신 장치는 211단계에서 상기 제 m 사용자의 파일롯 신호를 선 택하고, 213단계에서 상기 선택된 파일롯 신호에 대해 상기 제 m 사용자의 이전 파일롯 신호와의 상관 연산을 수행하여 제 2 위상차를 검출한다. 여기서, 상기 검출된 제 2 위상차를 통해 미세 주파수 오차를 추정하면, 상기 <수학식 4>와 같다.
이후, 상기 수신 장치는 215단계에서 상기 검출된 제 1 위상차와 제 2 위상차를 이용하여 상기 <수학식 4>의 n을 계산하고, 상기 계산된 n을 이용하여 최종 주파수 오차를 추정한다. 여기서, 상기 CP를 이용하여 추정된 주파수 오차는 추정 범위가 증가한 만큼 추정 오류 또한 증가하게 되므로, 상기 CP를 이용한 주파수 오차 추정 방법만으로는 정확한 주파수 오차를 추정할 수 없다. 따라서, 본 발명에서는 상기 CP를 이용한 주파수 오차 추정 방법뿐만 아니라 상대적으로 추정 범위가 좁은 파일롯 신호를 이용한 주파수 오차 추정 방법을 함께 이용하여 더욱 정확한 주파수 오차를 추정하는 방법을 제안한다.
즉, 동일한 주파수 오차를 가정했을 때, 상기 두 주파수 오차 추정 방법을 통해 획득된 추정 결과의 오차가 충분히 작다고 하면, 상기 <수학식 4>에서의 n은 하기 <수학식 7>을 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112007042771901-pat00023
여기서, 상기
Figure 112007042771901-pat00024
는 상기 제 2 위상차를 나타내고, 상기
Figure 112007042771901-pat00025
는 상기 제 1 위상차를 나타낸다.
여기서, 상기 <수학식 4>에 상기 계산된 n을 적용하면, 최종 주파수 오차는 하기 <수학식 8>과 같이 추정할 수 있다.
Figure 112007042771901-pat00026
이후, 상기 수신 장치는 217단계에서 상기 m이 전체 사용자 수 M과 같은지 여부를 검사한다. 상기 m이 M과 같지 않을 시, 상기 수신 장치는 219단계에서 상기 m을 1 큰 수로 갱신하고, 상기 207단계로 돌아가 이하 단계를 반복 수행한다. 반면, 상기 m이 M과 같을 시, 상기 수신 장치는 상기 201단계로 돌아가 이하 단계를 반복 수행한다.
일반적으로, 데이터 신호의 전송 주기는 파일롯 신호의 전송 주기에 비해 훨씬 짧은 특성을 가지고 있다. 상기 전송 주기는 해당 신호를 통해 추정 가능한 주파수 오차의 범위를 결정한다. 상기 CP를 통해서 추정할 수 있는 주파수 오차의 범위는 심볼 길이
Figure 112007042771901-pat00027
에 대하여
Figure 112007042771901-pat00028
가 되며, 일반적으로 파일롯 심볼의 전송 주기는 상기 심볼 길이
Figure 112007042771901-pat00029
에 비하여 큰 값을 가지므로, 동일한 신호대 잡음비 환경이라고 하더라도, 상기 CP를 통해서 추정할 수 있는 주파수 오차의 범위는 상기 파일롯 심볼을 통해 추정할 수 있는 주파수 오차의 범위에 비해 상기 훨씬 넓은 범위를 가진다. 하지만, 상기 CP를 이용하여 추정된 주파수 오차는 추정 범위가 증가한 만큼 추정 오류 또한 증가하게 되므로, 본 발명에서와 같이, 상기 CP를 이용한 주파수 오차 추정과 파일롯 신호를 이용한 주파수 오차 추정을 복합적으로 수행하면, 추정 주파수 오차는 파일롯 신호를 이용한 경우와 동일하게 나타나면서도 추정 가능 범위는 심볼 전송률의 ±1/2까지 넓어지는 효과를 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 FFT 기반 FDM 또는 FDMA 시스템의 수신 장치에서 주파수 오차 추정 방법을 도시한 도면이다. 기본적인 동작은 상기 도 2와 동일하며, 이하 설명에서는 상기 도 2와 차이가 나는 제 1 위상차 검출 과정에 대해서만 설명하기로 한다.
상기 도 3을 참조하면, 수신 장치는 301단계에서 안테나를 통해 하나의 서브 프레임의 신호를 수신하고, 303단계로 진행하여 수신 신호에서 CP를 추출한 후, 상기 추출된 CP에 FFT 연산을 수행하여 상기 FFT 연산된 CP를 저장한다.
이후, 상기 수신 장치는 305단계에서 상기 CP를 제외한 구간의 신호에 대해 FFT 연산을 수행하고, 사용자 인덱스 m을 1로 설정한 후, 307단계로 진행하여 제 m 사용자의 주파수 대역으로 전송된 신호를 선택한다.
이후, 상기 수신 장치는 309단계에서 상기 FFT 연산 후 저장된 CP로부터 상기 제 m 사용자의 CP를 추출한 후, 상기 선택된 제 m 사용자의 신호에 대해 상기 추출된 제 m 사용자의 CP와의 상관 연산을 수행하여 제 1 위상차를 검출한다.
한편, 상기 도 3의 실시 예에 따른 수신 장치는, 상기 도 1에 도시된 수신 장치를 일부 수정하여, 즉 제 1 위상차 검출 과정과 관련된 장치(101 내지 111)를 다음과 같이 수정하여 구성할 수 있다. 다시 말해, 상기 도 3의 실시 예에 따른 수신 장치 중 제 1 위상차 검출을 위한 장치는 수신기, CP 추출기, FFT 연산 및 저장기, FFT 연산기, 사용자 주파수 대역 선택기, 제 1 상관기를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 수신기는 안테나를 통해 하나의 서브 프레임의 신호를 수신하고, 수신 신호를 상기 CP 추출기로 출력한다.
상기 CP 추출기는 상기 수신 신호에서 CP를 추출하고, 상기 추출된 CP를 상기 FFT 연산 및 저장기로 출력하며, 상기 수신 신호에서 CP를 제외한 구간의 신호를 상기 FFT 연산기로 출력한다.
상기 FFT 연산 및 저장기는 상기 추출된 CP에 FFT 연산을 수행하고, 상기 FFT 연산된 CP를 저장한다.
상기 FFT 연산기는 상기 CP를 제외한 구간의 신호에 대해 FFT 연산을 수행하고, 상기 FFT 연산된 신호 중 데이터 신호를 상기 사용자 주파수 대역 선택기로 출력하며, 상기 FFT 연산된 신호 중 파일롯 신호를 상기 사용자 파일롯 신호 선택기(113)로 출력한다.
상기 사용자 주파수 대역 선택기는 상기 FFT 연산된 데이터 신호 중 제 m 사용자의 주파수 대역으로 전송된 신호를 선택하고, 상기 선택된 신호를 상기 제 1 상관기로 출력한다.
상기 제 1 상관기는 상기 FFT 연산 후 저장된 CP로부터 상기 제 m 사용자의 CP를 추출한 후, 상기 선택된 제 m 사용자의 신호에 대해 상기 추출된 제 m 사용자의 CP와의 상관 연산을 수행하여 제 1 위상차를 검출하고, 상기 검출된 제 1 위상차를 상기 주파수 오차 추정기(117)로 출력한다.
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 FFT 기반 FDM 또는 FDMA 시스템에서 수신된 CP와 재생성된 사이클릭 프리픽스(Cyclic Prefix : 이하 'CP'라 칭함)의 상관 연산을 통해 제 1 위상차를 검출하고, 파일롯 신호와 이전 파일롯 신호의 상관 연산을 통해 제 2 위상차를 검출하며, 상기 검출된 두 위상차를 이용하여 최종적인 주파수 오차를 추정하기 위한 장치 및 방법을 제공함으로써, 파일롯 신호만을 이용한 주파수 오차 추정 방법과 동일하게 추정 주파수 오차를 유지하면서도 추정 가능 범위는 심볼 전송률의 ±1/2까지 넓힐 수 있는 이점이 있다. 또한, 주파수 오차에 의한 영향을 효과적으로 개선할 수 있으므로, 상대적으로 저렴한 가격의 국부 발진기를 사 용할 수 있게 함으로써 송신 장치와 수신 장치의 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 (20)

  1. 통신 시스템의 주파수 오차 추정 방법에 있어서,
    수신 신호에서 사이클릭 프리픽스(Cyclic Prefix : 이하 'CP'라 칭함)를 추출하는 과정과,
    상기 CP를 제외한 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 과정과,
    상기 변환된 주파수 영역의 신호 중 하나의 사용자의 데이터 신호를 선택하고, 상기 선택된 데이터 신호를 바탕으로 상기 CP를 재생성하는 과정과,
    상기 추출된 CP와 상기 재생성된 CP의 상관연산을 통해 위상차를 검출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출된 위상차를 이용하여 해당 사용자 신호의 주파수 오차를 추정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수 오차는 하기 <수학식 9>를 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112007042771901-pat00030
    여기서, 상기
    Figure 112007042771901-pat00031
    는 상기 CP의 전송 주기를 나타내고, 상기
    Figure 112007042771901-pat00032
    는 상기 CP의 길이를 나타내며, 상기
    Figure 112007042771901-pat00033
    는 복소수
    Figure 112007042771901-pat00034
    의 편각으로, 상기 위상차를 의미함.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환된 주파수 영역의 신호 중 상기 사용자의 파일롯 신호를 선택하고, 상기 선택된 파일롯 신호와 상기 사용자의 이전 파일롯 신호의 상관연산을 통해 위상차를 검출하는 과정과,
    상기 검출된 두 위상차를 이용하여 주파수 오차를 추정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 주파수 오차는 하기 <수학식 10>을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112007042771901-pat00035
    여기서, 상기 T는 파일롯 신호 전송 주기를 나타내고, 상기
    Figure 112007042771901-pat00036
    는 파일롯 신호의 길이를 나타내며, 상기
    Figure 112007042771901-pat00037
    는 복소수
    Figure 112007042771901-pat00038
    의 편각으로 파일롯 신호를 이용하여 추정된 위상차를 의미한다. 또한, 상기
    Figure 112007042771901-pat00039
    은 임의의 정수 값을 나타냄.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기
    Figure 112007042771901-pat00040
    은 상기 두 위상차의 오차를 가장 작게 하는 값으로, 하기 <수학식 11>을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112007042771901-pat00041
    여기서, 상기
    Figure 112007042771901-pat00042
    는 상기 파일롯 신호를 통해 추정되는 주파수 오차를 나타 내고, 상기
    Figure 112007042771901-pat00043
    는 상기 CP를 통해 추정되는 주파수 오차를 나타내며, 상기
    Figure 112007042771901-pat00044
    는 상기 CP의 전송 주기를 나타내고, 상기
    Figure 112007042771901-pat00045
    는 상기 CP의 길이를 나타낸다. 또한, 상기
    Figure 112007042771901-pat00046
    는 상기 파일롯 신호를 이용하여 검출한 위상차를 나타내고, 상기
    Figure 112007042771901-pat00047
    는 상기 CP를 이용하여 검출한 위상차를 나타내며, 상기 n은 임의의 정수 값을 나타냄.
  7. 통신 시스템의 주파수 오차 추정 장치에 있어서,
    수신 신호에서 사이클릭 프리픽스(Cyclic Prefix : 이하 'CP'라 칭함)를 추출 및 저장하는 CP 추출 및 저장기와,
    상기 CP를 제외한 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 주파수 영역 변환기와,
    상기 변환된 주파수 영역의 신호 중 하나의 사용자의 데이터 신호를 선택하는 사용자 주파수 대역 선택기와,
    상기 선택된 데이터 신호를 바탕으로 상기 CP를 재생성하는 CP 재생성기와,
    상기 추출된 CP와 상기 재생성된 CP의 상관연산을 통해 위상차를 검출하는 상관기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 검출된 위상차를 이용하여 해당 사용자 신호의 주파수 오차를 추정하는 주파수 오차 추정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 주파수 오차 추정기는
    하기 <수학식 12>를 이용하여 상기 주파수 오차를 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112007042771901-pat00048
    여기서, 상기
    Figure 112007042771901-pat00049
    는 상기 CP의 전송 주기를 나타내고, 상기
    Figure 112007042771901-pat00050
    는 상기 CP의 길이를 나타내며, 상기
    Figure 112007042771901-pat00051
    는 복소수
    Figure 112007042771901-pat00052
    의 편각으로, 상기 위상차를 의미함.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 변환된 주파수 영역의 신호 중 상기 사용자의 파일롯 신호를 선택하는 사용자 파일롯 신호 선택기와,
    상기 선택된 파일롯 신호와 상기 사용자의 이전 파일롯 신호의 상관연산을 통해 위상차를 검출하는 제 2 상관기와,
    상기 검출된 두 위상차를 이용하여 주파수 오차를 추정하는 주파수 오차 추정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 주파수 오차 추정기는.
    하기 <수학식 13>을 이용하여 상기 주파수 오차를 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112007042771901-pat00053
    여기서, 상기 T는 파일롯 신호 전송 주기를 나타내고, 상기
    Figure 112007042771901-pat00054
    는 파일롯 신호의 길이를 나타내며, 상기
    Figure 112007042771901-pat00055
    는 복소수
    Figure 112007042771901-pat00056
    의 편각으로 파일롯 신호를 이용하여 추정된 위상차를 의미한다. 또한, 상기
    Figure 112007042771901-pat00057
    은 임의의 정수 값 을 나타냄.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기
    Figure 112007042771901-pat00058
    은 상기 두 위상차의 오차를 가장 작게 하는 값으로, 하기 <수학식 14>를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112007042771901-pat00059
    여기서, 상기
    Figure 112007042771901-pat00060
    는 상기 파일롯 신호를 통해 추정되는 주파수 오차를 나타내고, 상기
    Figure 112007042771901-pat00061
    는 상기 CP를 통해 추정되는 주파수 오차를 나타내며, 상기
    Figure 112007042771901-pat00062
    는 상기 CP의 전송 주기를 나타내고, 상기
    Figure 112007042771901-pat00063
    는 상기 CP의 길이를 나타낸다. 또한, 상기
    Figure 112007042771901-pat00064
    는 상기 파일롯 신호를 이용하여 검출한 위상차를 나타내고, 상기
    Figure 112007042771901-pat00065
    는 상기 CP를 이용하여 검출한 위상차를 나타내며, 상기 n은 임의의 정수 값을 나타냄.
  13. 통신 시스템의 주파수 오차 추정 방법에 있어서,
    수신 신호에서 사이클릭 프리픽스(Cyclic Prefix : 이하 'CP'라 칭함)를 추출하는 과정과,
    상기 추출된 CP와 상기 CP를 제외한 신호를 각각 주파수 영역의 신호로 변환하는 과정과,
    상기 변환된 주파수 영역의 신호 중 하나의 사용자의 데이터 신호를 선택하는 과정과,
    상기 주파수 영역의 신호로 변환된 CP로부터 상기 사용자의 CP를 추출하고, 상기 선택된 사용자의 데이터 신호에 대해 상기 추출된 해당 사용자의 CP와의 상관 연산을 수행하여 위상차를 검출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 검출된 위상차를 이용하여 해당 사용자 신호의 주파수 오차를 추정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 변환된 주파수 영역의 신호 중 상기 사용자의 파일롯 신호를 선택하고, 상기 선택된 파일롯 신호와 상기 사용자의 이전 파일롯 신호의 상관연산을 통해 위상차를 검출하는 과정과,
    상기 검출된 두 위상차를 이용하여 주파수 오차를 추정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 주파수 오차는 하기 <수학식 15>를 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112007042771901-pat00066
    여기서, 상기 T는 파일롯 신호 전송 주기를 나타내고, 상기
    Figure 112007042771901-pat00067
    는 파일롯 신호의 길이를 나타내며, 상기
    Figure 112007042771901-pat00068
    는 복소수
    Figure 112007042771901-pat00069
    의 편각으로 파일롯 신호를 이용하여 추정된 위상차를 의미한다. 또한, 상기
    Figure 112007042771901-pat00070
    은 상기 두 위상차의 오차를 가장 작게 하는 임의의 정수 값을 나타냄.
  17. 통신 시스템의 주파수 오차 추정 장치에 있어서,
    수신 신호에서 사이클릭 프리픽스(Cyclic Prefix : 이하 'CP'라 칭함)를 추출하는 CP 추출기와,
    상기 추출된 CP와 상기 CP를 제외한 신호를 각각 주파수 영역의 신호로 변환하는 주파수 영역 변환기와,
    상기 변환된 주파수 영역의 신호 중 하나의 사용자의 데이터 신호를 선택하는 사용자 주파수 대역 선택기와,
    상기 주파수 영역의 신호로 변환된 CP로부터 상기 사용자의 CP를 추출하고, 상기 선택된 사용자의 데이터 신호에 대해 상기 추출된 해당 사용자의 CP와의 상관 연산을 수행하여 위상차를 검출하는 상관기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 검출된 위상차를 이용하여 해당 사용자 신호의 주파수 오차를 추정하는 주파수 오차 추정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 변환된 주파수 영역의 신호 중 상기 사용자의 파일롯 신호를 선택하는 사용자 파일롯 신호 선택기와,
    상기 선택된 파일롯 신호와 상기 사용자의 이전 파일롯 신호의 상관연산을 통해 위상차를 검출하는 제 2 상관기와,
    상기 검출된 두 위상차를 이용하여 주파수 오차를 추정하는 주파수 오차 추정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 주파수 오차 추정기는,
    하기 <수학식 16>을 이용하여 상기 주파수 오차를 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112007042771901-pat00071
    여기서, 상기 T는 파일롯 신호 전송 주기를 나타내고, 상기
    Figure 112007042771901-pat00072
    는 파일롯 신호의 길이를 나타내며, 상기
    Figure 112007042771901-pat00073
    는 복소수
    Figure 112007042771901-pat00074
    의 편각으로 파일롯 신호를 이용하여 추정된 위상차를 의미한다. 또한, 상기
    Figure 112007042771901-pat00075
    은 상기 두 위상차의 오차를 가장 작게 하는 임의의 정수 값을 나타냄.
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