KR101488787B1 - 이동통신 단말기에서 도플러 주파수 추정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동통신 단말기에서 도플러 주파수 추정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 최대 전력을 갖는 채널 추정 탭으로부터 한 샘플 이상 간격에 대한 제 1 자기상관 값 및 제 2 자기상관 값을 결정하는 과정과, 채널 추정 오차 성분을 제거하기 위해 상기 제 1 자기상관 값을 상기 제 2 자기상관 값으로 나눗셈 연산하는 과정과, 상기 나눗셈 연산의 결과를 이용하여 최대 도플러 주파수를 추정하는 과정을 포함하며, 상기 제 1 자기상관 값 및 제 2 자기상관 값은 서로 다른 샘플 간격에 대한 자기 상관 값으로써, 채널 잡음이 정확히 추정되지 않더라도 단말의 속도를 정확히 추정할 수 있으며, 이에 따라 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도플러 주파수, 단말의 속도, 도플러 편이, 자기상관(autocorrelation)

Description

이동통신 단말기에서 도플러 주파수 추정 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING DOPPLER FREQUENCY IN MOBILE COMMUNICATION TERMINAL}

본 발명은 이동통신 단말기에서 도플러 주파수 추정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 채널 추정 오차에 독립적인 도플러 주파수 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 이동통신 시스템에서 한정된 채널 자원으로 대용량의 멀티미디어 패킷 서비스를 지원하기 위해서는 정확한 채널 정보를 바탕으로 하여 시스템 자원을 할당하는 것이 중요하다. 상기 채널 정보로는 단말의 속도가 매우 중요한 요소로 작용하고 있다. 예를 들어, 상기 단말의 속도는 이동통신 환경에서 대부분의 적응형 알고리즘들에서 채널 추정 길이 혹은 인터리버 크기와 같은 적응형 수신기의 계수를 결정하는데 이용되고 있으며, 상기 단말의 전력 제어(power control) 혹은 핸드오버(hand-over) 처리 시에도 이용되고 있다.

상기 단말은 움직임에 따라 수신신호의 주파수 편이, 소위 도플러 편이를 겪 게 되는데 이러한 도플러 편이는 기지국에 대한 단말의 이동속도에 비례하여 수신신호의 주파수 옵셋을 발생시킨다. 따라서, 종래에는 단말의 이동속도가 상기 도플러 편이에 의한 수신신호의 주파수 오차에 비례하는 특성을 이용하여 수신신호의 최대 도플러 주파수(maximum Doppler frequency)를 추정함으로써, 단말의 속도를 추정하고 있다. 종래에는 상기 최대 도플러 주파수 추정 방법으로 랜덤 신호의 레벨 크로싱 율(LCR: Level Crossing Rate)과 영 크로싱 율(ZCR: Zero Crossing Rate) 특성을 유도하는 방법, 수신신호의 자기상관 함수(autocorrelation function) 값을 이용하는 방법, 고속 퓨리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 이용한 방법, 및 수신신호 크기의 제곱값의 공분산(covariance)을 이용하는 방법들이 알려져 있다.

상기 자기 상관 함수를 이용하는 방법을 살펴보면, 먼저 이동통신 채널을 Jakes의 모델로 모델링하여 잡음이 없는 환경에서 완벽한 채널 추정을 가정할 경우, 무선 채널 h(n)의 자기 상관 함수는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, E[x]는 x의 기대값, 상기 T_s는 샘플링 주기, f_D는 최대 도플러 주파수, σ_h ² 는 채널 h(n)의 전력이며, J₀()는 제 1종의 0차 베셀 함수(zero-order of Bessel function of the first kind)를 의미한다.

그리고, 상기 수학식 1로부터 R_hh(0)과 R_hh(1)을 구하여 하기 수학식 2와 같이 최대 도플러 주파수 f_D를 구할 수 있다.

하지만, 상기 수학식 2는 잡음이 없는 환경에서 완벽하게 채널이 추정되었을 경우를 가정하여 최대 도플러 주파수를 추정한 것으로서, 실제 무선 환경에서는 채널에 잡음이 존재하기 때문에 잡음으로 인해 채널이 정확히 추정되지 못할 경우 성능이 저하되는 문제를 갖는다.

하기 수학식 3은 채널의 잡음으로 인해 채널 추정이 정확하지 않은 경우에 추정된 채널을 나타낸다.

여기서, ρ는 추정된 채널과 원 채널 사이의 정규화된 상관계수(normalized correlation coefficient)이고, e(n)은 평균이 0이고 분산이 1-|ρ|² 인 백색잡음이다.

상기 추정된 채널이 수학식 3과 같이 표현될 때, 자기상관 함수는 하기 수학식 4와 같이 표현되며, 이때, 상기 최대 도플러 주파수는 상기 잡음이 없는 경우처 럼 R(0)과 R(1)을 이용하여 하기 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 δ(k)는 델타 함수이다.

상기와 같이, 자기상관 함수를 이용하여 최대 도플러 주파수를 추정하는 방법은 잡음 전력을 정확하지 알고 있는 경우에만 유효하며, 상기 잡음 전력을 정확히 알지 못하는 경우에는 단말의 속도를 정확하게 추정할 수 없게되어 심각한 성능 열화가 발생된다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 잡음 오차가 커 신호대 잡음비 값이 작을수록 최대 도플러 주파수 추정 오차가 커지고, 이로 인해 단말의 이동 속도에 대한 추정 오차가 점점 커지게 된다.

따라서, 상기 잡음 오차에 영향을 받지 않고 최대 도플러 주파수를 추정하는 기법이 제공될 필요가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이동통신 단말기에서 도플러 주파수 추정 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 이동통신 단말기에서 채널 추정 오차에 독립적인 최대 도플러 주파수 추정 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 이동통신 단말기에서 도플러 주파수 추정 방법은, 최대 전력을 갖는 채널 추정 탭으로부터 한 샘플 이상 간격에 대한 제 1 자기상관 값 및 제 2 자기상관 값을 결정하는 과정과, 채널 추정 오차 성분을 제거하기 위해 상기 제 1 자기상관 값을 상기 제 2 자기상관 값으로 나눗셈 연산하는 과정과, 상기 나눗셈 연산의 결과를 이용하여 최대 도플러 주파수를 추정하는 과정을 포함하며, 상기 제 1 자기상관 값 및 상기 제 2 자기상관 값은 서로 다른 샘플 간격에 대한 자기 상관 값인 것을 특징으로 한다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 이동통신 단말기에서 도플러 주파수 추정 장치는, 최대 전력을 갖는 채널 추정 탭으로부터 한 샘플 이상 간격에 대한 제 1 자기상관 값 및 제 2 자기상관 값을 결정하고, 채널 추정 오차 성분을 제거하기 위해 상기 제 1 자기상관 값을 상기 제 2 자기상관 값으로 나눗셈 연산한 후, 상기 나눗셈 연산의 결과를 이용하여 최대 도플러 주파수를 추정하는 도플러 주파수 추정기를 포함하며, 상기 제 1 자기상관 값 및 제 2 자기상관 값은 서로 다른 샘플 간격에 대한 자기 상관 값인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 이동통신 단말기에서 채널 추정 결과 최대 전력을 갖는 탭의 계수로부터 I 채널성분과 Q 채널성분을 분리하고, 각 성분들에 대해 한 샘플 간격의 자기상관 값 및 두 샘플 이상의 간격에 대한 자기상관 값을 계산하여 채널 추정 오차에 강인한 최대 도플러 주파수를 추정함으로써, 채널 잡음이 정확히 추정되지 않더라도 단말의 속도를 정확히 추정할 수 있으며, 이에 따라 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 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 발명에서는 이동통신 단말기에서 채널 추정 오차에 독립적인 도플러 주파수 추정 방법 및 장치에 관해 설명할 것이다.

먼저 채널 추정 오차에 독립적인 최대 도플러 주파수를 추정하기 위한 수학식을 도출하는 과정에 대해 살펴보기로 한다.

채널의 잡음으로 인하여 채널이 정확히 추정되지 않는 경우에 자기상관 함수를 상기 수학식 4와 같이 나타낼 경우, 샘플 간격에 따른 자기상관 값은 하기 수학 식 6과 같이 나타낸다.

여기서, R(1)은 한 샘플 간격의 자기상관 값, R(k)는 k개 샘플 간격의 자기상관 값, T_s는 샘플링 주기, f_D는 최대 도플러 주파수, σ_h ² 는 채널 h(n)의 전력을 의미하며, J₀()는 제 1종의 0차 베셀 함수(zero-order of Bessel function of the first kind)를 의미하고, ρ는 추정된 채널과 원 채널 사이의 정규화된 상관계수(normalized correlation coefficient)를 의미한다.

여기서, 상기 수학식 6에 나타난 각 샘플 간격에 따른 자기상관 값은 채널 추정 오차인 ρ의 영향을 받고 있으나, 상기 채널 추정 오차 ρ의 영향은 하기 수학식 7과 같이 하나의 샘플 간격에 대한 자기 상관 값 R(1)과 두 샘플 이상의 간격 즉, k 샘플 간격에 대한 자기 상관값 R(k)를 이용하여 제거할 수 있다.

여기서, 상기 J₀(x)는 매우 작은 x에 대하여

으로 근사화시킬 수 있으므로, 상기 수학식 7은 하기 수학식 8과 같이 근사화시킬 수 있다.

이때, 상기 수학식 8을 정리하면 하기 수학식 9와 같이 도플러 주파수를 추정하는 수학식을 구할 수 있다.

여기서, 상기 f_D는 최대 도플러 주파수 의미하며, 상기 T_s는 샘플링 주기를 나타내며, C_k1은 k개의 샘플 간격에 대한 자기상관 값을 한 샘플 간격에 대한 자기상관 값으로 나눈 값을 의미한다.

상기와 같이 수학식 9를 이용한 최대 도플러 주파수는 채널 추정 오차에 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다.

그러면, 이하에서는 상기 수학식 9를 이용하여 최대 도플러 주파수를 추정하는 기술에 대해 살펴보기로 한다. 이하에서는 상기 k가 2인 경우를 예로 들어 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 이동통신 시스템에서 단말의 블록 구성을 도시하고 있다.

상기 도 2에 도시된 바와 같이, 단말은 채널 추정부(200), 탭 선택부(202), 도플러 주파수 추정부(204)를 포함하여 구성된다.

상기 채널 추정부(200)는 일반적인 채널 추정 방법을 이용하여 무선채널의 임펄스 응답을 추정하여 그 결과를 상기 탭 선택부(202)로 제공하고, 상기 탭 선택부(202)는 상기 채널 추정부(200)로부터 제공받은 결과에서 가장 큰 전력을 갖는 채널 탭을 선택한다.

상기 도플러 주파수 추정부(204)는 상기 가장 큰 전력을 갖는 채널 탭 계수를 바탕으로 자기상관을 수행하여 상기 수학식 9와 같이 최대 도플러 주파수를 추정한다. 즉, 상기 도플러 주파수 추정부(204)는 상기 선택된 최대 전력을 갖는 탭계수로부터 I 채널성분과 Q 채널성분을 분리한 후, 상기 I 채널성분에 대한 자기상관 값 R_I(1), R_I(2)와 상기 Q 채널성분에 대한 자기상관 값 R_Q(1), R_Q(2)를 각각 계산한다. 이후, 상기 도플러 주파수 추정부(204)는 한 샘플 간격에 대한 I 채널성분의 자기상관 값 R_I(1)과 Q 채널성분의 자기상관 값 R_Q(1)을 덧셈 연산(R_I(1)+R_Q(1))하고, 상기 두 샘플 간격에 대한 I 채널성분의 자기상관 값 R_I(2)과 Q 채널성분의 자기상관 값 R_Q(2)를 덧셈 연산((R_I(2)+R_Q(2))하여 한 샘플 및 두 샘플 간격에 대한 자기상관 값 R(1)과 R(2)를 획득한다. 그리고, 상기 도플러 주파수 추정부(206)는 상기 자기상관 값 R(2)를 상기 자기상관 값 R(1)으로 나누고, 그 결과 값(C₁₂)을 이용하여 상기 수학식 9와 같이 최대 도플러 주파수를 추정한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 단말의 동작 절차를 도시하고 있다.

상기 도 3을 참조하면, 상기 단말은 300 단계에서 무선채널의 임펄스 응답을 추정하는 채널 추정기를 이용하여 채널을 추정하고, 추정된 채널 중 최대 전력을 갖는 탭을 선택한 후, 302단계에서 선택된 탭의 계수로부터 I 채널성분과 Q 채널성분을 분리한다.

이후, 상기 단말은 304단계에서 상기 I 채널성분에 대한 자기상관 값 R_I(1), R_I(2)와 상기 Q 채널성분에 대한 자기상관 값 R_Q(1), R_Q(2)를 각각 계산하고, 306단계에서 한 샘플 간격에 대한 I 채널성분의 자기상관 값 R_I(1)과 Q 채널성분의 자기상관 값 R_Q(1)을 덧셈 연산(R_I(1)+R_Q(1))하고, 상기 두 샘플 간격에 대한 I 채널성분의 자기상관 값 R_I(2)과 Q 채널성분의 자기상관 값 R_Q(2)를 덧셈 연산((R_I(2)+R_Q(2))하여 자기상관 값 R(1)과 R(2)를 획득한다.

이후, 상기 단말은 308단계에서 상기 두 샘플 간격에 대한 자기상관 값 R(2) 를 상기 한 샘플 간격에 대한 자기상관 값 R(1)으로 나누고, 310단계에서 상기 나눈 결과 값(C₁₂ = R(2)/R(1))을 이용하여 상기 수학식 9와 같이 최대 도플러 주파수를 추정한 후, 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

상술한 바와 같이, 상기 수학식 9를 이용하여 도플러 주파수를 추정할 경우, 채널 추정의 오차에 영향을 받지 않고 최대 도플러 주파수 추정이 가능하므로, 상기 최대 도플러 주파수 추정을 이용하여 단말의 속도를 계산하게 되면, 도 4에 도시된 바와 같이 신호대 잡음비 추정에 에러가 발생하더라도 단말의 속도는 동일하게 추정할 수 있게 된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 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 종래 기술에 따른 이동통신 시스템에서 최대 도플러 주파수를 이용한 단말의 속도 추정 결과를 도시하는 도면,

도 2는 본 발명에 따른 이동통신 시스템에서 단말의 블록 구성을 도시하는 도면,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 단말의 동작 절차를 도시하는 도면, 및

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 최대 도플러 주파수를 이용한 단말의 속도를 추정한 결과를 도시하는 도면.

Claims (10)

1. 이동통신 단말기에서 도플러 주파수 추정 방법에 있어서,

   최대 전력을 갖는 채널 추정 탭으로부터 한 샘플 이상 간격에 대한 제 1 자기상관 값 및 제 2 자기상관 값을 결정하는 과정과,

   채널 추정 오차 성분을 제거하기 위해 상기 제 1 자기상관 값을 상기 제 2 자기상관 값으로 나눗셈 연산하는 과정과,

   상기 나눗셈 연산의 결과를 이용하여 최대 도플러 주파수를 추정하는 과정을 포함하며,

   상기 제 1 자기상관 값 및 상기 제 2 자기상관 값은 서로 다른 샘플 간격에 대한 자기 상관 값인 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 자기상관 값 및 상기 제 2 자기상관 값을 결정하는 과정은,

   상기 최대 전력을 갖는 채널 추정 탭으로부터 I 채널성분 및 Q 채널성분을 분리하는 과정과,

   한 샘플 이상 간격에 대한 상기 I 채널성분 및 Q 채널성분 각각의 제 1 자기상관 값 및 제 2 자기상관 값을 결정하는 과정과,

   상기 I 채널성분의 제 1 자기상관 값과 상기 Q 채널성분의 제 1 자기상관 값을 덧셈 연산하는 과정과,

   상기 I 채널성분의 제 2 자기상관 값과 상기 Q 채널성분의 제 2 자기상관 값을 덧셈 연산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 나눗셈 연산은, 하기 수학식 10과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 방법.

   

   여기서, 상기 R(k)는 k개 샘플 간격의 자기상관 값, R(1)은 한 샘플 간격의 자기상관 값, T_s는 샘플링 주기, f_D는 최대 도플러 주파수, J₀()는 제 1종의 0차 베셀 함수를 의미함.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 최대 도플러 주파수는, 하기 수학식 11과 같이 추정하는 것을 특징으로 하는 방법.

   

   여기서, 상기 f_D는 최대 도플러 주파수, 상기 T_s는 샘플링 주기, C_k1은 k개의 샘플 간격에 대한 자기상관 값을 한 샘플 간격에 대한 자기상관 값으로 나눈 값을 의미함.
6. 이동통신 단말기에서 도플러 주파수 추정 장치에 있어서,

   최대 전력을 갖는 채널 추정 탭으로부터 한 샘플 이상 간격에 대한 제 1 자기상관 값 및 제 2 자기상관 값을 결정하고, 채널 추정 오차 성분을 제거하기 위해 상기 제 1 자기상관 값을 상기 제 2 자기상관 값으로 나눗셈 연산한 후, 상기 나눗셈 연산의 결과를 이용하여 최대 도플러 주파수를 추정하는 도플러 주파수 추정기를 포함하며,

   상기 제 1 자기상관 값 및 제 2 자기상관 값은 서로 다른 샘플 간격에 대한 자기 상관 값인 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 도플러 주파수 추정기는, 상기 최대 전력을 갖는 채널 추정 탭으로부터 I 채널성분 및 Q 채널성분을 분리하고, 한 샘플 이상 간격에 대한 상기 분리된 I 채널성분 및 Q 채널성분 각각의 제 1 자기상관 값 및 제 2 자기상관 값을 결정하여 상기 I 채널성분의 제 1 자기상관 값과 상기 Q 채널성분의 제 1 자기상관 값을 덧셈 연산하고, 상기 I 채널성분의 제 2 자기상관 값과 상기 Q 채널성분의 제 2 자기상관 값을 덧셈 연산하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 삭제
9. 제 6항에 있어서,

   상기 나눗셈 연산은, 하기 수학식 12와 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 장치.

   

   여기서, 상기 R(k)는 k개 샘플 간격의 자기상관 값, R(1)은 한 샘플 간격의 자기상관 값, T_s는 샘플링 주기, f_D는 최대 도플러 주파수, J₀()는 제 1종의 0차 베셀 함수를 의미함.
10. 제 6항에 있어서,

    상기 최대 도플러 주파수는, 하기 수학식 13과 같이 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.

    

    여기서, 상기 f_D는 최대 도플러 주파수, 상기 T_s는 샘플링 주기, C_k1은 k개의 샘플 간격에 대한 자기상관 값을 한 샘플 간격에 대한 자기상관 값으로 나눈 값을 의미함.

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