KR102284089B1 - 무선 센서 네트워크의 센서 노드 발진기의 주파수 보정 방법 - Google Patents

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Abstract

센서 네트워크의 센서 노드의 발진기의 주파수 오류 보정 방법이 개시된다. 센서 네트워크의 센서 노드의 발진기의 주파수 오류 보정 방법은 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM)으로 변조된 송신기의 송신 신호를 수신하는 단계; 상기 수신된 송신 신호를 사용하여 발진기의 주파수 편이를 결정하는 단계; 상기 발진기의 주파수 편이의 보정을 위한 보정 신호를 결정하는 단계; 및 상기 보정 신호로 상기 발진기의 주파수를 보정하는 단계를 포함한다.

Description

무선 센서 네트워크의 센서 노드 발진기의 주파수 보정 방법
본 발명은 센서 노드 네트워크 센서 노드의 로컬 기준 발진기의 주파수 보정 방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크는 일상 생활에서 그 중요도가 점차 증가하고 있다. 현재 가스 미터 및 수도 미터의 미터 판독치는 작업자가 무선 방식으로 검색하는 경우가 많다. 마찬가지로 생산 또는 물류 분야의 설비는 무선 센서를 구비하는 경우가 많다. 센서 데이터 및 가능 추가 데이터를 전송하기 위한 통신 유닛을 갖는 센서는 센서 노드로 불리운다. 특정 영역 내의 복수의 센서 노드는 센서 네트워크를 형성 할 수 있다.
여러 응용분야에서 센서 노드의 정확한 위치를 인식하는 것은 특히 중요하다. 센서 노드의 위치는 고정 수신기의 네트워크에 의해 결정되는 경우가 많으며, 이러한 수신기 또한 센서 네트워크의 센서 노드의 구성 요소 일 수 있다. 센서 노드의 정확한 위치는 여러 수신기 간의 신호의 직접 비행시간 측정(direct time of flight measurement) 또는 비행시간 차이 측정(differential time of flight measurement)와 같은 다양한 위치 결정 방법에 의해 결정될 수 있다.
이와 관련하여, 센서 네트워크의 각 센서 노드의 매우 정확한 시간 정보를 제공하는 것이 특히 중요하다. 통상적으로, 각각의 센서 노드는 클록 발생기로서 로컬 기준 발진기를 포함하며, 그 주파수로부터 센서 노드의 동작에 필요한 시간 정보가 도출된다.
센서 네트워크의 각 센서 노드에의 매우 정확한 시간 정보를 제공하는 일 측면은 센서 노드의 로컬 클럭 발생기에 동조(syntonisation)를 수행하는 것이다. 동조는 로컬 클럭 발생기들이 각각의 센서 노드에서 동일한 클록 속도로 구동되도록 한다. 동조는 또한 주파수 동기로 불리운다.
센서 노드의 기준 발진기의 위상 고정 관계는 여러 종래기술에 따른 위치 측정방법에서 설명된 바 있다.
센서 네트워크의 각 센서 노드에서 매우 정확한 시간 정보를 제공하는 다른 측면은 센서 노드의 로컬 클록 발생기에 시간 동기화를 수행하는 것이다. 시간 동기화는 로컬 클록 발생기가 각 센서 노드에서 지정된 시점에 동일한 시간 값을 출력하도록 한다.
공지된 기술로는 GPS 시스템을 통해 매우 정확한 시간 정보를 제공하는 방법이 있다. 하지만, 그 정확도는 충분하지 않은 경우가 많으며, 실내에서의 적용은 불가능하다. 실내 영역과 관련하여, 현재 유선 클록 분배기에 의존할 수 있으나, 이 경우, 특히 무선 센서 노드와 같은 많은 어플리케이션의 사용이 배제되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 센서 노드의 로컬 기준 발진기의 주파수 보정 방법을 명시하는 것이다.
상기 목적은 특허 청구 범위 제1 항에 따른 방법에 의해 달성된다. 다른 청구항은 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시 예를 명시한다.
본 발명에 따른 방법은 소위 기회 신호 (signals of opportunity)를 주파수 기준으로 사용 하는 것에 기초한다. 본래 기 정의된 다른 목적으로 송출되었으나 그의 송신 주파수가 로컬 기준 발진기의 주파수 동기화에 적합한 무선 신호는 기회 신호라 불리운다.
예를 들어, 텔레비전 또는 방송 라디오 신호 (DVB-T, DAB) 또는 통신 네트워크 신호 (GSM, UMTS, LTE)가 기회 신호로서 적합하다. 이러한 신호는 일반적으로 소정 지리적 영역 내에서 송신 전력 및 대역폭이 높은 여러 위치에서 송출되며 송신기에 대한 가시선 (line of sight)연결이 불가능한 건물 내에서도 우수한 신호 대 잡음 비로 수신 될 수 있다. 또한, 이들 신호는 매우 정확한 기준 주파수, 안정적인 고주파, 및 특징적인 신호 시퀀스에 대한 커플링이 가능한 특징이 있어서, 이로부터 센서 노드의 로컬 기준 발진기의 주파수 및 위상 조정을 위한 정보를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 센서 네트워크의 센서 노드의 발진기의 주파수 보정 방법은 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM)으로 변조된 송신기의 송신 신호를 수신하는 단계; 상기 수신된 송신신호에 기반하여 발진기의 주파수 편이를 결정하는 단계; 상기 발진기의 주파수 편이의 보정을 위한 보정 신호를 결정하는 단계; 및 상기 보정 신호로 상기 발진기의 주파수를 보정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 수신된 송신신호의 반송파 주파수 편이를 결정하여 상기 발진기의 주파수 편이 결정한다.
또한, 상기 수신된 송신 신호의 샘플링 클록 오프셋을 결정하여 상기 발진기의 주파수 편이 결정한다.
또한, 상기 샘플링 클록 오프셋은 상기 발진기의 주파수 편이와 독립적으로 보정된다.
또한, 상기 주파수 편이를 결정하는 단계는 상기 송신 신호의 수신된 개별 반송파들의 위상 관계에 기반한다.
또한, 상기 샘플링 클록 오프셋을 결정하는 단계는 상기 송신 신호의 수신된 개별 반송파들의 위상 관계에 기반한다.
또한, 상기 주파수 변이를 결정하는 단계는 송신 심볼을 송신하는 시간 구간 동안 수행된다.
또한, 상기 주파수 변이를 결정하는 단계는 연속되는 두 개의 송신 심볼을 송신하는 시간 구간 동안 수행된다.
또한, 상기 송신 신호의 수신 후, 상기 수신된 송신 신호로부터 상기 송신 채널의 채널 임펄스 응답을 결정하고; 상기 채널 임펄스 응답으로부터 상기 수신된 송신 신호의 서로 다른 송신 경로들의 신호들을 결정하고; 단일의 송신 경로의 신호에 기반하여 상기 발진기의 주파수 편이를 결정한다.
또한, 복수의 송신 경로의 신호에 기반하여 상기 발진기의 주파수 편이를 결정한다.
또한, 상기 발진기의 주파수 편이를 결정하기 위한 신호는 자체의 신호에너지, 신호 품질, 또는 상기 채널 임펄스 응답에서의 또 다른 신호와의 시간관계에 기반하여 선택된다.
또한, 복수의 송신기로부터 상기 송신 신호들을 수신한다.
또한, 상기 센서 노드는 추가 센서 노드에 통신 가능하게 연결되어 수신 송신기에 대한 정보를 추가 센서 노드에 전달한다.
또한, 상기 수신 송신기는 다른 센서 노드로부터 수신된 정보를 기반으로 선택된다.
또한, 상기 수신된 송신신호는 시간정보를 포함하며, 상기 발진기는 상기 시간 정보를 기반으로 시간 동기 된다.
본 발명의 특정 실시 예들은 이제 첨부 도면들을 참조하여 예로서 설명 될 것이다.
도 1은 센서 노드에 대한 OFDM 변조 신호를 수신하기 위한 수신기의 입력 블록의 블록도이다.
도 2는 반송파 주파수 오프셋으로 인한 OFDM 신호의 개별 반송파들의 샘플링 오차를 도시한다.
도 3은 샘플링 클럭 오프셋으로 인한 OFDM 신호의 개별 반송파들의 샘플링 오차를 도시한다.
도 4는 OFDM 신호의 개별 반송파의 위상에 대한 반송파 주파수 오프셋 및 샘플링 클록 오프셋의 영향을 도시한다.
도 5는 OFDM 수신기를 도시한다.
도 6a는 발진기 주파수의 보정을 위한 제어 장치를 구비하는 OFDM 수신기의 일 실시 예를 도시한다.
도 6b는 발진기 주파수의 보정을 위한 제어 장치를 구비하는 OFDM 수신기의 또 다른 실시 예를 도시한다.
도 7은 캐리어 주파수 오프셋(carrier frequency offset: CFO)의 추정 시, 샘플링 클럭 오프셋(SCO)의 편이의 영향을 도시한다.
도 8은 다중 - 경로 수신 시 채널 임펄스 응답을 나타낸다.
도 9는 샘플링 클록 오프셋 (SCO)에 따른 채널 임펄스 응답에서의 피크의 시간 의존성을 도시한다.
도 10은 단일 주파수 네트워크 (SFN)의 2 개의 송신기에 대한, 다중 - 경로 수신 시 채널 임펄스 응답을 나타낸다.
센서 노드의 위치 결정 방법에서 개별 센서 노드의 로컬 기준 발진기의 동기화가 요구되는 경우가 많다. 동기화와 관련하여 주파수 동기화와 시간 동기화를 구분해야 한다. 주파수 동기화는 개별 센서 노드들의 로컬 기준 발진기 주파수를 동기시키거나 외부 기준 주파수로부터의 편차를 결정하기 위해 수행된다. 시간 동기화는 개별 센서 노드들의 서로 다른 로컬 클록 시간을 외부 기준 시간에 정렬시키기 위한 것이다.
기회 신호를 통한 센서 노드들의 로컬 기준 발진기 주파수 동기화는 기회 신호로 사용되는 무선 방송 신호 및 이동 무선 신호가 일반적으로 매우 정확한 기준 주파수로 생성되어 (OCXO, 루비듐 - 주파수 표준 등), 매우 정확한 기준 주파수를 형성한다는 인식에 기초한다. 주파수 동기화의 목적은 지역적으로 부정확한 센서 노드의 기준 주파수와 선택된 SoO의 매우 정확한 기준 주파수 사이의 편차를 결정하고, SoO로부터 결정되는 보정 신호로 그 편차를 보정하는 것으로, 상기 보정 신호는 아날로그 또는 디지털 제어 또는 그의 조합된 형태로 센서 노드 로컬 기준 발진기의 주파수를 보정한다.
그들의 로컬 기준 발진기의 주파수 동기화를 위해, 센서 노드는 선택된 기회 신호를 전체적 또는 부분적으로 수신할 수 있는 수신 채널을 포함한다. 수신 채널의 발진기가 동시에 센서 노드의 로컬 기준 발진기를 형성한다. 또한, 바람직하게는, 개별 센서 노드들 사이에 추가 무선 데이터 접속 (예를 들어, W-LAN)이 이루어져 센서 노드들간에 데이터를 교환을 가능케 한다.
이를 위해, 센서 노드는 데이터 접속을 위한 송신 유닛 및 수신 유닛과 함께, 일반적인 로컬 기준 발진기로 구현되어 기회 신호를 수신하기 위한 추가 수신 유닛을 포함 할 수 있다.
또는, 센서 노드는 데이터와 기회 신호를 번갈아 수신하는 하나의 수신 유닛 만을 포함할 수 도 있다.
또는, 센서 노드는 데이터 및 기회 신호 동시 수신을 위해 설계된 하나의 수신 유닛만을 포함 할 수도 있다.
이하에서, 직교 주파수 분할 멀티플렉싱 (OFDM)에 따라 변조된 기회 신호를 통한 주파수 동기화가 설명된다.
OFDM 변조 신호는 일정한 주파수 간격을 갖는 복수의 협대역 반송파로 구성된다. 송신될 디지털 데이터는 16 또는 64 심볼(16-QAM 또는 64-QAM)의 직교 위상 편이 변조 (QPSK) 또는 직교 진폭 변조와 같은 변조 방법을 통해 개별 반송파 상에 변조된다.
특정 개별 반송파들은 이하에서 지정된 심볼 시퀀스로 변조된다. 각각의 심볼 시퀀스는 파일럿 신호라 불린다. 파일럿 신호는 송신 신호의 시간 시퀀스에서 개별 반송파 일부에 실려 연속적으로 송신된다. 이러한 개별 반송파는 또한 파일럿 반송파라 불린다. 개별 반송파는 특정 시간에 페이로드 데이터 대신에 파일럿 신호를 마찬가지로 송신할 수 있다. 파일럿 신호를 전송하는 개별 반송파의 위상 위치 및 주파수 위치는 지정된 파일럿 신호의 심볼 시퀀스와 수신된 신호와의 상관 관계에 의해 결정될 수있다.
OFDM 변조 신호의 수신기는 발진기에 의해 생성된 로컬 기준 주파수에 대해 신호를 샘플링하기 위한 샘플링 클럭뿐만 아니라 OFDM 신호의 반송파 주파수 또는 개별 반송파의 반송파 주파수를 결정한다.
도 1은 센서 노드에 대한 OFDM 변조 신호를 수신하기 위한 수신기의 입력 블록의 블록도이다.
일 예로 도시된 수신기는 직접 변환 수신기로 마련된다. 발진기(10)는 로컬 기준 주파수 fREF를 생성한다. 로컬 기준 주파수 fREF는 위상 동기 루프 (PLL)(20)에 공급된다. 로컬 기준 주파수 fREF를 기준으로 하는 PLL(20)은 수신 신호의 반송파 주파수에 대응하며 혼합기 (mixer)(30)에 공급되는 주파수를 생성한다. 안테나(40)에 수신된 입력 신호 또한 혼합기(30)에 공급된다. 혼합기의 출력 신호는 반송파 주파수로의 변환 전의 송신 신호에 대응한다. 혼합기의 출력 신호는 이후에 아날로그/디지털 변환기(50)에 공급된다. 아날로그/디지털 변환기의 샘플링 주파수 또한 로컬 기준 주파수 fREF로부터 얻어진다. 아날로그/디지털 변환기(50)의 출력 신호는 출력(A)에 제공된다. 로컬 기준 주파수(fREF)의 보정을 위한 제1 보정 신호는 입력(B)을 통해 발진기(10)에 공급될 수 있다. PLL(20)에 의해 생성된 반송파 주파수의 보정을 위한 제2 보정신호는 입력 (C)를 통해 PLL(20)에 공급될 수 있다. 센서 노드의 추가 서브 어셈블리들에서 사용될 로컬 기준 주파수 fREF(예를 들어, 보정된 fREF)는 출력 D에서 제공될 수 있다.
송신기의 기준 주파수에 대한 수신기의 로컬 기준 주파수의 주파수 편차는, 수신 신호의 반송파 주파수 편차 (이하, 반송파 주파수 오프셋(CFO)) 및/또는 샘플링 레이트 오차(이하, 샘플링 클록 오프셋(SCO))를 발생시킬 수 있다.
반송파 주파수 오프셋은 혼합기의 주파수 영역 출력에서 자체적으로 현저하게 나타나는데, 각각의 공칭 주파수와 대비되는 전체 개별 반송파들의 일정한 주파수 오프셋으로 나타난다. 이후의 아날로그/디지털 변환 시, 이러한 반송파 주파수 오프셋으로 인해 전체 개별 반송파들은 최대 범위에서 동일한 정도만큼 벗어나 샘플링되어 개별 반송파들의 직교성이 깨진다. 이는 도 2에 간략하게 도시되어 있다. 도 2는 OFDM 신호의 5개의 개별 반송파를 도시한다. 도 2의 x 축은 OFDM 신호 중심 주파수로 정규화된 OFDM 신호의 주파수를 개별 반송파의 공칭 간격에 대응하는 크기(scaling)로 나타낸다. 도 2의 y 축은 개별 반송파의 정규화된 진폭을 나타낸다. 도 2에 도시된 곡선은 OFDM 신호의 개별 반송파를 나타낸다. 도 2의 수직 파선은 반송파 주파수 오프셋으로 인해 개별 반송파의 최대치 외부에서 발생된 샘플링을 나타내며, 수평 화살표는 샘플링의 시프트(shift)를 나타낸다. 이에 따라, 서로 다른 개별 반송파에 변조되는 심볼간에 심볼 간 간섭이 발생한다.
두 개의 시간적으로 연속적인 심볼들의 경우, 반송파 주파수 오프셋은 각각의 개별 반송파의 위상에 일정한 시프트를 발생시킨다.
샘플링 클록 오프셋은 주파수 영역에서 개별 반송파의 샘플링 시간 지점 오프셋으로 나타나며, 상기 오프셋은 주파수에 따라 증가 또는 감소한다. 이는 도 3에서 간략하게 도시되어 있다. 도 3은 또한 OFDM 신호의 5개의 개별 반송파를 도시한다. 도 3의 x 축은 OFDM 신호의 중심 주파수로 정규화된 OFDM 신호의 주파수를 개별 반송파의 공칭 간격에 대응하는 크기로 나타낸다. 도 3의 y 축은 개별 반송파의 정규화된 진폭을 나타낸다. 도 3에 도시된 곡선은 OFDM 신호의 개별 반송파를 나타낸다. 도 3의 수직 파선은 샘플링 클록 오프셋으로 인한 개별 반송파의 샘플링을 나타내며, 수평 화살표는 샘플링의 시프트를 나타낸다. 이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 인접 개별 반송파의 위상이 선형적으로 증가하거나 감소하게 된다. 도 4의 x 축은 OFDM 신호의 중심 주파수로 정규화된 OFDM 신호의 주파수를 도시하고, 수직 화살표는 개별 반송파를 나타낸다. 도 4의 y 축은 개별 반송파의 위상 위치를 보여준다. 샘플링 클럭 시프트가 발생하지 않는 경우 개별 반송파는 CFO로 표시된 수평선과 같이 동일한 위상 위치를 가진다. 반송파 주파수 오프셋은 모든 개별 반송파의 위상 위치의 y축 시프트를 발생시킨다.
위에서 설명된 바와 같은, 반송파 주파수 오프셋 및/또는 샘플링 클록 오프셋으로 인한 개별 반송파 상호 위상변화 또는 두 개의 연속 심볼의 개별 반송파의 위상 변화로부터 보정 신호를 도출하여 수신기의 로컬 기준 주파수를 보정할 수 있다.
이는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 종래 기술에 공지된 제어 장치를 통하여 구현될 수 있다. 도 5에 도시되는 제어 장치(60)는, 도 1에 도시되는 수신기의 입력 블록에 적용되는 것으로, OFDM 변조 신호의 수신 알고리즘을 수행한다. 상기 알고리즘에 따라, 상기 제어장치는 반송파 주파수 오프셋 보정을 위한 보정 신호를 결정하기 전에 샘플링 클록 오프셋을 보정한다. 이를 위해, 제어 장치(60)는 도 1에서 설명된 수신기의 입력 블록의 아날로그/디지털 변환기(50)의 출력 (A)에서 출력 신호를 수신하고 이를 리샘플러(61) (샘플링 클록 컨버터)로 전달하여 미세 샘플링 클록 제어(adaptation)를 수행하여 샘플링 클록 오프셋을 보정하도록 한다. 리샘플러(61)의 신호는 고속 푸리에 변환기(fast fourier transform; FFT)(62)에 공급되고, FFT(62)의 출력 신호는 추정기(63)에 전달된다. 추정기(63)는 샘플링 클록 오프셋을 추정하고, 샘플링 클록 제어 변경을 위한 보정 신호를 루프필터(64)를 통해 리샘플러(61)에 공급하여 샘플링 클럭 오프셋을 보정한다. 샘플링 클럭 오프셋의 보정 후, 추정기(63)는 발진기 주파수의 보정을 위해 입력 (B)를 통해 발진기에 공급되는 보정 신호를 결정한다.
여기서, 단점은 제어 장치, 특히 리샘플러의 구현이 매우 복잡하며, 처리 시 많은 회로 반복(high circuiting effort)및 높은 연산 능력(computation power)을 요구하며, 제한된 연산 능력을 갖는 센서 노드에 적용되기에 적합하지 않다는 것이다.
본 발명에 따른 제어 장치의 기본 회로가 도 6a 및 도 6b에 도시된다.
도 6a에 도시된 제어 장치(70)는 전술한 수신기의 입력 블록의 아날로그/디지털 변환기(50)의 출력 (A)으로부터 출력 신호를 수신하고, 상기 수신기의 입력 블록의 입력 (B)에 제1 보정 신호를 출력하도록 설계된다. 제1 보정 신호는 수신기의 발진기(10)의 로컬 기준 주파수에 영향을 주어, 결과적으로 OFDM 수신기의 반송파 주파수 오프셋 및 샘플링 클록 오프셋에 직접적인 영향을 준다. 제1보정 신호로 반송파 주파수 오프셋 및 샘플링 클록 오프셋이 보상되어, 수신된 기회 신호의 주파수로 발진기(10)의 주파수 동기화가 이루어진다.
상기 제어 장치는 OFDM 변조된 기회 신호 생성 시, 동일한 기준 신호를 사용한 샘플링 클록 및 반송파 주파수 생성에 적용될 수 있다.
도 6b에 도시된 제어 장치(70')는 전술한 수신기의 입력 블록의 아날로그/디지털 변환기(50)의 출력(A)으로부터 출력 신호를 수신하고, 제1 보정 신호를 수신기의 입력 블록의 입력(B)로 출력하고 제2 보정 신호를 입력(C)로 출력한다. 앞에 설명한 바와 같이, 제1 보정 신호는 발진기(10)의 로컬 기준 주파수에 영향을 주며, 제2 보정 신호는 PLL(20)에 의해 생성되는 반송파 주파수에 영향을 준다. 기회 신호의 주파수를 통한 수신기 발진기의 로컬 기준 주파수 동기화와, 그와 동시에 이루어지는 수신기의 반송파 주파수 오프셋 및 샘플링 클록 오프셋에 대한 개별적 조절은 제1 및 제2 보정 신호의 적절한 선택을 통해 이루어진다.
반송파 주파수 오프셋이 제1 및 제2 보정 신호에 의해 보상될 때, 기회 신호의 주파수를 통한 발진기(10) 주파수 동기화가 이루어진다.
상기 제어 장치는, OFDM 변조 기회 신호 생성 시, 서로 다른 기준 주파수를 사용하여 샘플링 클록 및 반송파 주파수를 생성할 때 유리하게 사용될 수 있다.
제어 장치(70, 70')는 바람직하게는 반복 동작하여 적어도 하나 또는 연속적인 OFDM 심볼을 처리한다. 이를 위해, 제어 장치는 아날로그/디지털 변환기(50)의 디지털 데이터 흐름의 중간 저장을 위해 적절하게 차수 조정된 버퍼 메모리(71)를 포함한다. 제어 장치는 하나 이상의 연속 심볼의 개별 반송파의 위상 및/또는 위상 비율을 결정하는 유닛(72)과, 결정된 위상 및 위상 비율에 따른 반송파 주파수 오프셋 및/또는 샘플링 클록 오프셋을 추정하기 위한 유닛(73)을 포함한다. 상기 제1 및 가능한 제2 보정 신호는 반송파 주파수 오프셋 및/또는 샘플링 클록 오프셋으로부터 결정된다.
반송파 주파수 오프셋 및 샘플링 클록 오프셋으로 인한 위상 시프트는 수신된 신호와 지정된 파일럿 반송파의 심볼 시퀀스와의 상관관계를 통해, 예를 들어 연속적으로 송신되는 파일럿 반송파에 대해 결정될 수 있다. 또한, 현재 수신된 OFDM 심볼과 이전 심볼 단계에서 수신된 OFDM 심볼 간의 상관관계를 통해서 결정될 수도 있다. 여기서, 위상 차는 예를 들어 2개의 연속적인 심볼의 위상들의 차이로서 결정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 모든 개별 반송파가 공동으로 고려되기 때문에 정확성이 향상된다. 위상 시프트를 결정하는 앞의 두 경우에 대해 일반에게 공지된 추정 방법을 수행함으로써 반송파 주파수 오프셋 및 샘플링 클럭 오프셋 결정이 이루어질 수 있다.
또한, 로컬 기준 주파수를 사용하여 송신 시와 동일한 방법으로 수신 신호를 복조하고 다시 변조함으로써 반송파 주파수 오프셋 및 샘플링 클록 오프셋의 평가 정확도는 향상될 수 있다. 이와 같이 획득한 송신 신호의 복제(copy)를 수신 신호와 비교하여, 개별 반송파의 위상 위치의 편이를 결정한다.
일 실시 예에 따르면, 도 6a의 제어 장치는 추정된 반송파 주파수 오프셋으로부터 제1 보정 신호를 결정하도록 설계된다. 다른 실시 예에 따르면, 도 6a의 제어 장치는 추정된 샘플링 클록 오프셋으로부터 제1 보정 신호를 결정하도록 설계된다. 또 다른 실시 예에 따르면, 도 6a의 제어 장치가 추정된 반송파 주파수 오프셋과 추정된 샘플링 클록 오프셋의 조합으로부터 제1 보정 신호를 결정하도록 설계된다.
유사하게, 도 6b의 제어 장치는 수신기의 반송파 주파수 오프셋 및/또는 샘플링 클럭 오프셋에 대한 추정값을 결정하고, 결정된 추정값으로부터 제1 보정 신호 및 제2 보정 신호를 결정하여 수신기의 반송파 주파수 오프셋 및 샘플링 클록 오프셋 중 적어도 하나에 영향을 인가한다.
도 7은 반송파 주파수 오프셋 추정 시, 샘플링 클록 오프셋의 영향에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. X 축은 심볼/잡음 비율 ES /NO(dB)이며 Y 축은 0, 1, 10, 20, 50 및 100ppm의 샘플링 클럭 오프셋(SCO)에 대한 반송파 주파수 오프셋(CFO) 추정의 표준 편차(Hz)이다. 샘플링 클록 오프셋(SCO)이 0, 1, 10, 20, 50 및 100ppm으로 증가함에 따라, 반송파 주파수 오프셋(CFO) 추정의 표준 편차(Hz)는 연속적으로 증가함을 알 수 있다.
10dB 미만의ES /NO에서, 샘플링 클록 오프셋(SCO)이 감소해도 반송파 주파수 오프셋 (CFO) 추정 결과는 크게 향상되지 않는다.
실제 수신율 20dB의 ES /NO에서, 50ppm 미만의 샘플링 클럭 오프셋(SCO)은 반송파 주파수 오프셋(CFO) 추정 결과에 거의 영향을 미치지 않는다.
일 실시 예에서, 도 6b의 제어 장치(70')는 심볼/잡음 비(ES /NO)에 따라 반송파 주파수 오프셋 및 샘플링 클록 오프셋의 보정을 수행하도록 설계될 수 있다. 또한, 제어 장치(70')는 기 설정된 임계 값 이하의 ES /NO 값에서만 수신기의 반송파 주파수 오프셋만을 보정하도록 설계될 수 있다.
도 6b의 제어 장치(70')는 샘플링 클록 오프셋이 기 설정된 임계 값 아래로 떨어질 때까지 반복적으로 수신기의 샘플링 클럭 오프셋에 영향을 가하고, 이어서 반송파 주파수 오프셋이 최소화되도록 설계될 수 있다.
기회 신호 수신 시, 특히, 실내에서, 현저한 다중 경로 수신을 고려해야 한다. 다중 경로 수신이란 송신기에서 송출되는 신호가 직접 가시선(LOS) 연결을 통해 수신되는 것뿐 아니라 시간 지연된 신호가 추가로 수신되는 것을 나타낸다. 다중 경로 수신은 예를 들어 전송된 신호의 반사, 굴절, 산란 또는 회절에 의해 발생한다. 송신 주파수는 동일하나 위치가 상이한 (동일 채널 송신기) 송신기가 추가적인 신호원으로 마련될 수 있다. 다중 경로 수신으로 인해, 수신기는 송신 채널을 통해 직접 수신 경로의 신호와 시간 지연된 추가 수신 경로의 신호의 중첩으로 이루어진 신호를 수신하게된다. 송신기와 수신기 사이의 전체 송신 채널의 동작은 채널 전송 함수에 의해 설명된다.
채널 전송 함수의 변화는 수신된 신호에 위상 점프를 발생시켜, 반송파 주파수 오프셋의 추정에 영향을 미친다. 채널 전송 함수가 각각의 센서 노드에서 상이한 경우, 개별 센서 노드들은 각각 상이한 추정결과를 가진다. 이에, 통신 응용 분야의 OFDM 수신기와 관련하여, 반송파 주파수 오프셋 결정에 있어서 위상의 차동 변화만 고려하는 경우가 많은데, 이는 반송파 주파수 오프셋의 추정 정확도를 감소시킨다.
이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방법으로, 채널을 파악한 후 이로부터 반송파 주파수 오프셋을 추정하기 위한 특정 전파 경로만을 채택하는 방법이 있다.
채널 특성을 결정하는데 있어서, 통상적으로 메커니즘이 OFDM 신호에 통합된다. 이에, digital video broadcasting-terrestrial(DVB-T) 및 LTE 신호는 소위 분산 파일럿 신호를 포함하며, DAB는 완전히 식별된 기준 심볼을 포함한다. 이들 파일럿 신호들을 가지는 식별된 송신 신호가 수신기에서 실제로 수신된 값과 비교되면, 채널 전송 함수가 결정될 수 있다. 이 함수가 역 푸리에 변환을 통해 시간 영역으로 표현되면, 채널 임펄스 응답(CIR)이 획득된다. 도 8은 다중 - 경로 수신 시 채널 임펄스 응답을 도시한다. 도 8에서, 상이한 수신 경로를 통해 수신되는 신호 임펄스들의 에너지 및 송출 시점에 대한 시간 지연이 도시되어 있다. 최소 시간 지연을 가지는 수신 경로는 직접 수신 경로(가시선; line of sight (LOS))이다. 추가 수신 경로는 에코라 불린다. 채널 임펄스 응답은 수신기에서 수신된 신호의 시간적 확산 (spreading)에 대한 정보를 제공한다.
OFDM 송신기와 센서 노드의 수신기 사이에 직접적이고 장애물 없는 가시선 연결의 경우, 채널 임펄스 응답은 직접 수신 경로를 통해 수신되는 신호의 에너지를 나타내는 우세 임펄스를 포함한다. 채널 임펄스 응답은 또한 예를 들어 집이나 산에 반사된 신호의 에너지를 나타내는 여러 작은 임펄스를 포함한다. 채널 임펄스 응답에서 임펄스의 위상 위치는 수신된 신호의 파일럿 톤들의 평균 위상 위치에 대응한다. 각각의 반송파 주파수 오프셋은 시간에 따른 채널 임펄스 응답에서 각 임펄스의 위상 위치를 관찰함으로써, 채널 임펄스 응답의 각각의 임펄스로부터 결정될 수 있다. 하지만, 채널 임펄스 응답의 개별 에코의 임펄스와 직접 수신 경로의 임펄스 사이에 일정한 위상 회전이 존재한다. 이러한 위상 회전은 에코의 전송 경로 길이에 비례한다.
일 실시예에 따르면, 앞서 설명된 수신기에 수신되는 신호의 개별 반송파의 위상 변화에 대한 결정은 직접 수신 경로를 통해 수신된 신호에 대해서만 독점적으로 수행되어, 반송파 주파수 오프셋 추정의 정확도를 향상시킬 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 수신기에 수신되는 신호의 개별 반송파의 위상 변화에 대한 결정은 각각의 수신 경로에 대해 개별적으로 수행된다. 이를 위해, 장치(72)는 제어 장치(70 및 70')의 하나 이상의 연속적인 심볼의 개별 반송파에 대한 위상 및/또는 위상 비율을 결정하고, 수신 신호의 채널 임펄스 응답을 형성하고, 채널 임펄스 응답의 임펄스들의 위상들을 결정한다.
직접 수신 경로를 통해 수신되는 신호를 이용하는 방법은 에코가 직접 수신 경로의 우세 임펄스보다 상당히 작을 때 바람직하다. 에코 정보의 사용으로 인한 에너지 손실로 인해 반송파 주파수 오프셋의 추정 열화가 있다 해도 미미하며, 알고리즘이 간소해진다.
직접 수신 경로에 쉐도잉(shadowing)이 발생되는 경우, 즉, 직접 수신 경로의 레벨이 우세하지 않는 경우, 예를 들어, 수신된 에코가 직접 수신 경로와 유사한 레벨 값을 갖는다면, 가장 큰 세기의 경로의 수신 신호를 이용하는 것이 바람직하다. 채널 임펄스 응답의 개별 임펄스의 위상의 초기 관찰 후, 직접 수신 경로와 에코 간에 일정한 위상 오프셋이 결정될 수 있다. 이후, 개별 경로의 에너지를 위상 일치(phase-coherent)방식으로 결합함으로써, 더욱 정확한 반송파 주파수 오프셋의 추정 결과를 얻을 수 있다. 채널 전송 함수 변화 시, 채널 임펄스 응답에서의 임펄스 수 및 임펄스의 시간 위치가 변화하는데, 이 경우, 소정 시간 동안 채널 임펄스 응답의 한 위치에서 상기 변화가 안정적인 것으로 관찰될 때까지, 새로 도착한 임펄스 또는 변경된 위치를 갖는 임펄스를 반송파 주파수 오프셋의 추정에 포함시키지 않는 것이 바람직하다. 위상 추정의 정확도는 채널 임펄스 응답 연산 시 사용되는 파일럿 반송파 또는 파일럿 신호의 수에 의존한다. 여기에서도, 파일럿 신호들에 관하여 데이터 반송파들에 대해 신호 결정을 수행하고, 수신 신호에 대해 앞서 기술된 재변조 방법을 적용하여, 채널 임펄스 응답 산출을 위한 에너지를 증가시키는 것이 바람직하다.
반송파 주파수 오프셋은 개별 임펄스의 위상 변화 시 채널 임펄스 응답에서 자체적으로 현저하게 나타난다. 샘플링 클록 오프셋(SCO)은 시간에 따른 임펄스들의 "드리프팅(drifting)"에서 자체적으로 현저하게 나타난다. 이는 샘플링 클록 오프셋이 공칭 신호 지속시간에 대해 신호의 시간적 확장 또는 압축을 발생시키기 때문이다. 채널 임펄스 응답이 각각의 심볼에 대해 산출되는 경우, 샘플링 클럭 오프셋에 비례하여 피크 위치의 변화가 발생하며, 이는 도 9에 도시된 바와 같이 샘플링 클럭 오프셋에 대한 채널 임펄스 응답의 피크의 의존성으로 나타낸다. 도 9의 x축은 채널 임펄스 응답의 시점을 나타내며, 도 9의 y축은 채널 임펄스 응답의 진폭을 나타낸다. 도 9에 도시된 곡선들은 샘플링 클록 오프셋에 따른 동일 심볼의 채널 임펄스 응답들을 나타낸다.
앞서 설명된 바와 같이, 반송파 주파수 오프셋을 결정하기 위해 샘플링 클록 오프셋을 완전히 수정할 필요는 없다. 하지만, 심볼 간 간섭이 발생하지 않도록 주의해야 하는데, 그 경우 채널 임펄스 응답을 더 이상 결정할 수 없기 때문이다. 이는 서로 다른 OFDM 심볼들로부터의 정보를 사용하여 FFT를 수행하여 OFDM 신호를 복조하는 경우에 발생한다. OFDM 심볼들은 개별 반송파에 실려 시간적으로 연속되게 전송되며, 여기서 OFDM 심볼들은 보호 간격 (guard interval)에 의해 서로 분리된다. 따라서, FTT를 위한 관찰 영역의 시간적 시작점을 보호 구간의 중간에 두는 것이 바람직하다. 이는 다중 경로 수신으로 인한 모든 교란이 사라지는 경우 가능하다. 직접 수신 경로의 피크의 시간별 관측 시, 피크 위치가 샘플링 클럭 오프셋에 따라 시간 축의 소정방향으로 연속적으로 변화됨을 알 수 있다. 이와 같은 피크 위치의 변화는 매 위치 변화 후 또는 관측 임계 값 초과 후, 아날로그/디지털 변환기에 수신되는 데이터 흐름에 하나 이상의 추가 샘플링 값을 추가하여 보정될 수 있다. 이에 따라, 다음 심볼의 채널 임펄스 응답에서의 직접 수신 경로의 임펄스 위치가 다시 초기값으로 시프트되고, 관측 구간이 일정한 위치로 유지된다. 따라서 심볼 간 간섭이 방지되고 신호 추적이 안정적으로 유지된다.
기회 신호 수신 시, 현저한 채널 특성 변화가 일시적으로 나타날 수 있다. 예를 들어, 움직이는 장애물, 예를 들어, 쉐도잉(shadowing)으로 인해 장애물이 송신기로의 직접적인 가시선 연결을 방해할 때, 통행인은 직접 수신 경로의 감쇠를 크게 야기할 수 있다. 따라서, 수신기로부터 수신되는 신호의 개별 반송파의 위상 변화를 결정할 때, 채널 임펄스 응답에서의 신호의 임펄스의 신호 에너지 또는 신호 품질, 예를 들어, 신호 대 간섭 비 또는 심볼/잡음비를 관찰하는 것이 바람직하다. 도 7에 도시된 바와 같이, 심볼/잡음비가 저하될수록 반송파 주파수 오프셋 추정 결과가 저하된다. 채널 임펄스 응답에서 임펄스의 신호 대 간섭 비 또는 심볼/잡음 비가 미리 정의된 값 미만으로 낮아지거나 갑작스러운 변화 발생 시, 반복적인 제어(iterative control)에서 위의 경우에 해당하는 반송파 주파수 오프셋의 추정값을 사용하지 않고, 신호 대 간섭 비 또는 심볼/잡음 비가 다시 소정의 값을 초과할 때까지 이전에 결정된 추정치를 계속 사용하는 것이 바람직하다. 이를 통해, 반송파 주파수 오프셋의 추정이, 예를 들어, 쉐도잉(shadowing)으로 인한 전송 채널의 일시적인 변화에 대해 더욱 강건해진다.
다른 실시 예에 따르면, 개별 반송파의 위상 변화를 결정하기 위해 사용되는 신호는 채널 임펄스 응답에서의 신호 임펄스의 신호 대 간섭 비 또는 심볼/잡음 비에 기반하여 선택된다. 채널 임펄스 응답에서 임펄스의 신호 대 간섭 비 (SIR) 또는 심볼/잡음 비가 소정 값 아래로 떨어지거나 갑작스러운 변화가 발생하면, 채널 임펄스 응답의 다른 임펄스가 대신 사용된다. 여기서, 임펄스는 그의 위상이 선행하는 심볼들에 대해 연속적 이도록, 즉, 큰 위상 점프가 없도록 관리되어야 한다. 이 경우 섀도잉 물체로 인한 에코 경로의 변화가 발생할 수 있다.
기회 신호는 또한 소위 단일 주파수 네트워크(single-frequency network: SFN)에서 송출될 수 있다. 이는 여러 개의 분산 송신기 위치에서, 동일한 신호를 시간 동기화된 방식으로 동일한 주파수로 송출하는 것을 나타낸다.
도 10은 센서 노드의 수신기의 채널 임펄스 응답에서 단일 주파수 네트워크 (SFN)의 두 개의 송신기들의 송출 결과를 나타낸다. 지리적으로 센서 네트워크에 가까운 송신기(1)의 신호는 보다 짧은 직접 수신 경로를 가지므로 시간적으로 앞선 단계에 수신기에 수신된다. 센서 네트워크에서 지리적으로 먼 송신기(2)의 신호는 보다 긴 직접 수신 경로를 가지고, 긴 전파 경로를 가지는 송신기(1)의 고 에너지 다중 경로 수신 경로와 같이 동작한다. 이러한 송신기들의 신호들은 송신기(1) 및 송신기(2)의 지리적으로 위치 차이로 인해 서로 다른 입사 방향으로 센서 네트워크의 수신기에 수신된다. 이동 가능한 장애물은 두 개의 고 에너지 경로 중 하나에 쉐도잉이 발생시킬 수 있다. 앞에서 전술한, 채널 임펄스 응답에서 신호 임펄스의 신호 대 간섭 비 (SIR) 또는 심볼/잡음 비에 기반하여 수행되는 개별 반송파의 위상 변화 결정 신호의 선택은 또한 단일 주파수 네트워크의 여러 송신기로부터의 수신 시 수행될 수 있다. 추가적으로, 독립적인 제어 루프를 가진 별도의 개별 발진기가 각 송신기에 사용된다.
센서 네트워크에서, 개별 센서 노드들의 로컬 기준 발진기가 매우 정확한 기준 주파수로 절대 동조(absolute syntonisation)되어야 하는 것은 아니고, 개별 센서 노드들의 로컬 기준 발진기간 동조가 수행될 수 있다. 다수의 센서 노드를 가지며 지리적으로 제한된 센서 네트워크에서 송신기의 직접 수신 경로에 발생한 섀도우잉은 센서 네트워크의 모든 센서 노드에서 동일한 정도로 작용한다. 일 실시 예에 따르면, 센서 노드는 신호 대 간섭 비 (SIR) 또는 심볼/잡음 비의 감소에 기반하여 제1 기준 송신기의 쉐도잉을 인식하고, 제2 기준 송신기와의 로컬 기준 발진기 주파수 동기화를 계속하도록 설계된다. 여기서, 제2 기준 송신기는 다른 주파수 또는 다른 송신 표준의 송신기 일 수 있다. 센서 노드는 현재 사용되는 기준 송신기에 관한 정보를 그 자신에 통신 가능하게 연결된 다른 센서 노드로 전송하거나 다른 센서 노드로부터 이러한 정보를 수신하여 해당 기준 송신기와의 로컬 기준 발진기 주파수 동기화를 계속하도록 설계된다. 이미 설명한 바와 같이, 이 경우, 반복 제어에서 반송파 주파수 오프셋의 새로운 추정값을 결정할 때까지, 최종 결정된 반송파 주파수 오프셋의 추정값을 계속 사용할 수 있다.
센서 노드들의 주파수 동기화와는 별도로, 시간 동기화, 즉 개별 센서 노드들의 서로 다른 로컬 클럭 시간을, 예를 들어, 협의된 세계 시간(coordinated universal time: UTC)과 같은 외부 기준 시간에 대해 정렬을 수행하여, 예를 들어, 비행 시간 측정 시 개별 센서 노드 간의 비행 시간 차이를 결정하도록 하는 것이 바람직하다. 기회 신호로서 적합한 전술한 무선 신호들 중 다수는 서로 다른 정확도를 갖는 타임 스탬프를 포함하는데, 이러한 스탬프를 통해 수신기들이 시간 동기화되거나 클록 타임이 제공될 수 있다. 센서 노드들의 시간 동기화는 이러한 타임 스탬프를 통해 이루어진다.
전술한 방법들은 기회 신호로 동작하는 WLAN 신호(IEEE-802.11)에 대해 동일하게 적용될 수 있다. WLAN 송신기는 저가, 소형, 유동(flexible)화 되어 마련된다. DVB-T, DAB 또는 LTE의 송출과 달리, WLAN 신호들은 연속적으로 송출되지 않기 때문에, 전술한 방법의 적용 시, 반송파 주파수 오프셋 추정 값의 부재가 주파수 동기에 부정적인 영향을 주지 않도록 적응적으로 적용하여야 한다. 이미 설명한 바와 같이, 반송파 주파수 오프셋의 최종 추정치는 반송파 주파수 오프셋의 새로운 추정치가 결정될 때까지, 반복 제어(iterative control)에서 계속 사용될 수 있다.
라우터 하드웨어의 적용으로 추가적인 향상이 이루어질 수 있다. 선택된 WLAN 송신기의 기준 주파수로 지속적으로 능동적이고 안정적인 발진기를 사용하여 발진기 동작(switching) 후에 특정 기간 동안 발생하는 주파수 편이를 최소화하도록 마련하는 것이 바람직하다. 또한, OFMD 변조 신호의 생성 시, 샘플링 클록의 생성뿐만 아니라 반송파 주파수의 생성에 상기 기준 주파수를 사용하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 반송파 주파수 오프셋과 샘플링 클록 오프셋의 고정된 커플링이 제공된다.
실내 지역에서, 예를 들어, 선택된 기회 신호의 수신이 불가능하거나 제한되어 있는 경우, 보다 작은 전력의 적합한 송신기가 설치될 수 있다. 수동 또는 능동 중계기(repeater)를 사용할 수도 있다.

Claims (15)

  1. 센서 네트워크의 센서 노드의 발진기의 주파수 보정 방법에 있어서,
    직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM)으로 변조된 기준 송신기의 송신 신호를 수신하는 단계;
    상기 수신된 송신 신호에 기반하여 발진기의 주파수 편이를 결정하는 단계;
    상기 발진기의 주파수 편이의 보정을 위한 보정 신호를 결정하는 단계; 및
    상기 보정 신호로 상기 발진기의 주파수를 보정하는 단계를 포함하고,
    상기 센서 노드는 추가 센서 노드에 통신 가능하게 연결되어 추가 센서 노드로부터 기준 송신기로 상기 추가 센서 노드에 의해 현재 사용되는 송신기에 대한 정보를 수신하고,
    상기 센서 노드는 송신 신호가 수신되는 기준 송신기로서 상기 추가 센서 노드에서 현재 사용되는 기준 송신기를 선택하는 주파수 보정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수신된 송신 신호의 반송파 주파수 편이를 결정하여 상기 발진기의 주파수 편이이 결정하는 주파수 보정 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 수신된 송신 신호의 샘플링 클록 오프셋을 결정하여 상기 발진기의 주파수 편이 결정을 하는 주파수 보정 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 샘플링 클록 오프셋은 상기 발진기의 주파수 편이와 독립적으로 보정되는 주파수 보정 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 주파수 편이를 결정하는 단계는 상기 송신 신호의 수신된 개별 반송파들의 위상 관계에 기반하는 주파수 보정 방법.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 샘플링 클록 오프셋을 결정하는 단계는 상기 송신 신호의 수신된 개별 반송파들의 위상 관계에 기반하는 주파수 보정 방법.
  7. 제 3항에 있어서, 상기 주파수 편이를 결정하는 단계는 송신 심볼을 송신하는 시간 구간 동안 수행되는 주파수 보정 방법.
  8. 제 3항에 있어서, 상기 주파수 편이를 결정하는 단계는 연속되는 두 개의 송신 심볼을 송신하는 시간 구간 동안 수행되는 주파수 보정 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 송신 신호의 수신 후, 상기 수신된 송신 신호로부터 송신 채널의 채널 임펄스 응답을 결정하고;
    상기 채널 임펄스 응답으로부터 상기 수신된 송신 신호의 서로 다른 송신 경로들의 신호들을 결정하고;
    단일의 송신 경로의 신호에 기반하여 상기 발진기의 주파수 편이를 결정하는 주파수 보정 방법.
  10. 제9항에 있어서, 복수의 송신 경로의 신호에 기반하여 상기 발진기의 주파수 편이를 결정하는 주파수 보정 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 발진기의 주파수 편이를 결정하기 위한 신호는 자체의 신호에너지, 신호 품질, 또는 상기 채널 임펄스 응답에서의 또 다른 신호와의 시간관계에 기반하여 선택되는 주파수 보정 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 복수의 기준 송신기로부터 상기 송신 신호들을 수신하는 주파수 보정 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 수신된 송신 신호는 시간정보를 포함하며, 상기 발진기는 상기 시간 정보를 기반으로 시간 동기되는 주파수 보정 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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