KR20010013856A - 이동 통신 시스템에서 이동국에 대한 주파수 동기 방법 - Google Patents

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Abstract

무선 통신 시스템에서 이동국에 대한 주파수 동기 방법, 이동국 및 기지국.
TDMA/CDMA 무선 통신 시스템은 시간 슬롯들로 형성되고 광대역 주파수 범위로 형성되어 있는 주파수 채널들을 제공하는데, 다수의 연결(connections)로부터의 정보가 이동국들과 기지국 사이에서 상기 주파수 채널들로 동시에 전송되며, 특정 연결(connection-specific) 미세 구조(fine structure)에 따라 서로 다른 연결로부터의 정보를 구별할 수 있다. 본 발명에 따르면, 심볼 시퀀스(symbol sequence)가 전송되는 이동국에 대한 주파수 동기를 위해 주파수 채널들이 하방으로 반복하여 제공된다. 동기될 이동국은 수신 신호들로부터 심볼 시퀀스에 대한 평가된 값들을 결정하고 이들 평가된 값들을 기준 시퀀스와 비교한다. 결과적으로, 기준 시퀀스에 대한 평가된 값들에서의 위상 이동량(phase drift)이 계산될 수 있다. 위상 이동량으로부터 주파수 동기에 이용되는 주파수 편차(frequency offset)가 결정된다.

Description

이동 통신 시스템에서 이동국에 대한 주파수 동기 방법 {FREQUENCY SYNCHRONIZATION METHOD FOR A MOBILE STATION IN A MOBILE COMMUNICATIONS SYSTEM}
디지털 무선 통신 시스템 디자인은 J. Oudelaar의 "Evolution towards UMTS", PIMRC 94, 5th IEEE International Symp. on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, The Hague, NL, 18-22 September 1994, pages 852-856과 M. Lenti, H. Hageman의 "Paging in UMTS", RACE Mobile Telecommunications Workshop, Vol. 1, Amsterdam, NL, 17-19 May 1994, pages 405-410에 개시되어 있다.
기존의 이동 무선 시스템인 GSM(Global System for Mobile Communications)은 가입자 분리를 위한 TDMA 요소(component)(시분할 다중 접속)를 가진 무선 통신 시스템이다. 가입자 연결(부)로부터의 사용자 정보는 프레임 구조에 따라 시간 슬롯으로 전송된다. 전송은 블록으로 이루어진다. 더욱이, 프레임 구조의 타이밍 패턴에 부합되고 이동국들에 대한 주파수 동기 목적으로 기능하는 주파수 채널들(FCCH 주파수 수정 채널)은 GSM 이동 무선 시스템으로부터 하방(downward direction)으로 알려진다. 이동국은 이 주파수 채널에서 자기 동기(self-synchronization) 목적을 위해 사인파 캐리어(sinusoidal carrier)를 평가할 수 있다.
DE 195 49 148.3은 TDMA/CDMA 가입자 분리(CDMA 코드 분할 다중 접속)를 이용하고, 다수의 가입자들의 확산 코드들에 관한 정보를 가지고 수신단(receiving end)에 JD(joint detection)법을 적용하여 전송된 사용자 정보 검출 기능을 개선시키고 있다. 그러나, 동기 목적을 위한 특정 주파수 채널의 분할의 경우 하나의 주파수 채널에 사용되는 주파수 범위가 더 광대역이기 때문에, GSM 시스템에 비해 용량에 있어서 큰 손실을 초래한다.
본 발명은 무선 통신 시스템 특히 TDMA/CDMA 무선 통신 시스템에서 이동국에 대한 주파수 동기 방법과 그런 방식으로 구현되는 이동국, 그리고 기지국에 관한 것이다.
도 1은 이동 무선 네트워크의 블록도이다.
도 2는 무선 전송의 프레임 구조의 개략도이다.
도 3은 주파수 동기를 위한 주파수 채널 구조의 개략도이다.
도 4는 이동국과 기지국 및 하방으로의 무선 전송의 블록도이다.
본 발명의 목적은 무선 통신 시스템에서 무선 자원을 적게 소비하면서 주파수 동기를 허용하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 이 목적은 특허청구범위 제 1 항의 특징부의 방법과 제 9 항의 특징부를 가지는 이동국 및 제 10 항의 특징부를 가지는 기지국에 의해 달성된다. 본 발명의 발전적 양상은 종속항에 기재되어 있다.
무선 통신 시스템은 시간 슬롯들로 형성되고 광대역 주파수 범위로 형성되어 있는 주파수 채널들을 제공하는데, 다수의 연결(connections)로부터의 정보가 이동국들과 기지국 사이에서 상기 주파수 채널들로 동시에 전송되며, 특정 연결(connection-specific) 미세 구조(fine structure)에 따라 서로 다른 연결로부터의 정보를 구별할 수 있다. 서로 다른 연결들은 단일 이동국에 할당된 다수의 코드들에 의해 형성될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 심볼 시퀀스(symbol sequence)가 전송되는 주파수 채널들이 이동국에 대한 주파수 동기를 위해 하방으로 시간적으로 반복하여 제공된다. 동기될 이동국은 수신 신호들로부터 심볼 시퀀스에 대한 평가된 값들을 결정하고 이들 평가된 값들을 기준 시퀀스와 비교한다. 결과적으로, 기준 시퀀스에 대한 평가된 값들에서의 위상 이동량(phase drift)이 계산될 수 있다. 위상 이동량으로부터 주파수 동기에 이용되는 주파수 편차(frequency offset)가 결정된다.
비교에 의해 위상 이동량이 계산될 수 있다는 사실로 인해, 주파수 채널의 캐리어에 대한 동기될 이동국의 주파수 편차를 간단히 결정할 가능성이 생긴다. 비교를 위해서는 충분히 많은 수의 적절하게 분포된 샘플들이 필요하다. 따라서, 주파수 동기가 이동국 동기를 위한 다른 방법(other measures)과 결합될 수 있게되므로 무선 자원의 이용이 적게 된다.
유리하게는, 다른 연결들로부터의 정보에 부가하여 심볼 시퀀스가 전송된다. 이는 또한 기지국과 이동국들 사이의 에어 인터페이스(air interface)라는 무선 자원이 더 잘 이용될 수 있음을 의미한다. 정해진 미세 구조(impressed fine structure)에 따라 정보가 구별될 수 있기 때문에, 시간 슬롯은 단지 동기에 의해서만 블록 지어지지 않고 다양하게 이용될 수 있다. 이 경우, 상기한 다른 연결들은 사용자 데이터 연결이나 신호 전송 연결(signaling connections)이다.
본 발명의 개선 예에 따르면, 위상 이동량 계산을 위해 충분히 큰 시간 간격으로 적어도 2개의 평가된 값들이 획득되는 방식으로 심볼 시퀀스가 전송된다. 따라서, 심볼 시퀀스가 연속 시퀀스일 필요가 없다. 전송될 다른 기지 또는 미지의 심볼들 내에 개개의 심볼들이 있을 수도 있고 심볼들의 그룹들이 있을 수도 있다. 심볼들은 하나의 시간 슬롯의 시간(time period)에 걸쳐 지속되거나, 다른 동조(tuning) 목적을 위해 트레이닝(training) 시퀀스들 및/또는 심볼들에 부가하여 전송될 수 있다.
유리하게는, 심볼 시퀀스가 개별 확산 코드의 도움으로 확산되므로, 심볼 시퀀스의 존재에 대한 정보가 시간 동기를 위해 확산 코드에 포함될 수도 있다. 심볼 시퀀스는 또한 주파수 범위를 채우는 대역폭을 발생시키는 칩들(chips)의 시퀀스로 해석될 수도 있다. 시간 동기를 위한 데이터를 가진 메시지 블록이 역확산에 의해 나머지 메시지 블록들과 함께 처리될 수 있다는 사실로 인해, 수신기에서의 처리에 있어서 부가적 소모가 없어진다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기준 시퀀스와 평가된 값들 사이의 비교로부터의 최소 오차 제곱법에 따라서 위상 이동량이 비율(proportionality factor)로 계산된다. 평가된 값들과 기준 시퀀스 사이에 선형 관계 즉, 대략 일정한 주파수 편차가 예상된다. 이는 이동국에서 전형적인, 고정밀도의 주파수 상태(frequency normal)의 경우에 통용된다.
적어도 심볼 시퀀스의 일부를 시간 동기와 주파수 동기 모두를 위해 이용하는 것이 유리하다. 따라서, 심볼 시퀀스의 도움으로, 예를 들어 상관(성)(correlation)에 의해, 하나의 시간 슬롯 내에서 전송의 시간 기준을 생성하는 외에 위상 이동량을 결정함에 의해 주파수 시간을 생성하는 것이 가능하다. 따라서 동기를 위해서는 단지 적은 네트워크 용량만이 필요하게 된다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 예시적 실시예를 들어 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1의 무선 통신 시스템은 공지의 GSM 이동 무선 네트워크의 구조로서 서로 네트워크되어 있으며 지상 통신선 네트워크 PSTN으로의 접속을 제공하는 다수의 이동 교환국들(MSC)로 구성되어 있다. 더욱이, 이들 이동 교환국들(MSC)은 각기 적어도 하나의 기지국 제어기(BSC)에 연결되어 있다. 각 기지국 제어기(BSC)는 적어도 하나의 기지국(BS)과의 연결을 제공한다. 이 기지국(BS)은 에어 인터페이스를 통해 이동국들(MS)과의 메시지 연결을 수립할 수 있는 무선국이다.
예를 들어, 도 1은 3개 이동국들(MS)과 하나의 기지국(BS) 사이에 사용자 정보와 신호 전송 정보를 전송하기 위한 3개 연결을 도시하고 있다. 운영 및 유지 센터(OMC)가 이동 무선 네트워크 또는 그 일부에 대한 제어 기능 및 유지 기능을 수행한다. 이 구조의 기능은 본 발명이 이용될 수 있는 다른 무선 통신 시스템에도 적용될 수 있다.
무선 전송의 프레임 구조가 도 2에 도시되어 있다. TDMA 요소에 따라 광대역 주파수 범위의 분할이 이루어져서, 예를 들어 대역폭 B=1.6㎒가 예를 들어 ts1 내지 ts8의 8개의 시간 슬롯과 같은 다수의 시간 슬롯들 ts로 분할된다. 주파수 범위 B 내의 각 시간 슬롯 ts는 주파수 채널 FK를 형성한다. 사용자 데이터 전송을 위해 단독으로 제공되는 주파수 채널들 TCH 내에서, 다수의 연결들로부터의 정보가 메시지 블록들로 전송된다.
사용자 데이터를 전송하기 위한 이들 메시지 블록들은 데이터 d를 가진 섹션들로 구성되며, 그 속에 수신단에서 알려지는 트레이닝 시퀀스 tseq1 내지 tseqK를 가지는 섹션들이 내장되어 있다. 데이터 d는 미세 구조, 가입자 코드 c를 가진 특정 연결 방식으로 확산되며, 그 결과 예를 들어 수신단 K에서 연결들이 이들 CDMA 요소들에 의해 분할될 수 있다.
데이터 d의 개별 심볼들의 확산은 지속시간 Tchip을 갖는 Q개 칩들이 심볼 지속시간 Tsym 내에서 전송되는 효과를 낳는다. 이 경우 Q 칩들은 특정 연결 가입자 코드 c를 형성한다. 더욱이, 연결들의 서로 다른 신호 지연을 보상하기 위한 보호 시간(protection time) gp가 시간 슬롯 ts 내에 제공된다.
광대역 주파수 범위 B내에서, 프레임 구조에 따라 연속(sequential) 시간 슬롯 ts가 세분된다. 따라서, 8개의 시간 슬롯들 ts가 결합되어 하나의 프레임을 형성하는데, 예를 들어 프레임의 한 시간 슬롯이 사용자 데이터 전송을 위한 주파수 채널 TCH를 형성하고 연결의 그룹에 의해 반복적으로 사용된다. 이동국들(MS)의 주파수 동기를 위한 주파수 채널 FCCH는 매 프레임에 삽입되는 것이 아니라 멀티프레임 내에서 지정된 순간에 삽입된다. 따라서 주파수 동기를 위한 주파수 채널들 FCCH 사이의 간격이 이동 무선 네트워크에 의해 이용 가능한 용량을 결정하게 된다.
주파수 동기를 위한 주파수 채널 FCCH의 구조가 도 3에 도시되어 있다. 이동 무선 네트워크의 대응 셀의 구성 채널(organization channel)의 주파수 대역에서의 광대역 주파수 범위 B는, 주파수 동기를 위한 주파수 채널 FCCH를 포함하고(그러나, 다른 신호 전송 및 사용자 데이터 연결들도 다루어질 수 있음) 다음 시간 슬롯들에서는 사용자 데이터 전송 또는 신호 전송을 위한 주파수 채널들 TCH만을 배타적으로 포함하는 프레임 R0의 일부이다.
이 프레임 R0은, 프레임 R0 이외에도 다른 셀 관련 정보를 가진 주파수 채널들 FK를 가지는 프레임 R1과 사용자 데이터를 가지는 프레임 R2를 포함하는 수퍼프레임 S0의 일부이다. 하이퍼프레임은 다수의 수퍼프레임들 S0, S1을 포함하며, 이 수퍼프레임들 중 적어도 하나는 주파수 동기를 위한 주파수 채널 FCCH를 포함한다.
주파수 동기를 위한 주파수 채널 FCCH의 시간 슬롯 TS에서 심볼 시퀀스 f1이 하방으로 전송되며, 이는 이동국들(MS)에서는 기준 시퀀스로 알려진다. 심볼 시퀀스 f1은 개별 코드 c1의 도움으로 확산된다.
심볼 시퀀스 f1에 대한 다른 실시예에서는 심볼 시퀀스 f1의 일부가 시간 동기를 위한 동기 블록 sb로 사용된다. 이 동기 블록 sb는 시간 슬롯 ts의 중간에 배치된다. 기지국(BS)은 전력 제어 목적을 위해 나머지 연결들의 수신 전력과 부합하는 전송기 전력으로 심볼 시퀀스 f1을 방사한다.
수신단에서는, 주파수 동기를 위한 하방으로 전송된 정보의 평가가 수행된다. 도 4는 기지국(BS)에서 이동국들(MS1 내지 MSK)로의 하방 무선 전송을 도시하고 있다. 이동국들(MS)은 먼저 하나 이상의 주파수 범위들(B)을 충분히 높은 또는 최대 수신 전력으로 결정한다. 이 전력은 일반적으로 이동국(MS)이 순간적으로 위치하는 셀에 있는 최근방 기지국(BS)의 주파수 범위들(B)이다.
이동국들(MS1 내지 MSK)은 이들 주파수 범위들(B)에서 수신된 신호들을 평가하고 수신 신호의 값들과 기준 시퀀스 f2의 계속적(continuous) 상관(correlation)을 수행한다. 충분히 큰 상관성이 주어지면, 심볼 시퀀스 f1의 특정 도달 시간 t1이 시간 동기를 위한 기준점으로 선택되고, 이동국(MS)의 내부 시간 기준이 동조된다.
평가된 값들 f1'은 심볼 시퀀스 f1에 대해 수신 신호들로부터 동시에 결정된다. 따라서, 심볼 시퀀스 f1에 대응하는 기준 시퀀스 f2의 값들과 평가된 값들 f1'을 비교하는 방정식 시스템(a system of equations)이 수립된다. 최소 오차 제곱법이나 다른 해법을 이용한 계산에 의해 기준 시퀀스 f2에 대한 평가된 값들 f1'의 위상 이동량 dp을 나타내는 비율이 결정된다.
아래 관계에 따라 위상 이동량 dp로부터 주파수 편차 df가 유도된다.
dp = ej 2π· df · t
t는 시간을 나타낸다.
주파수 동기를 위한 주파수 채널 FCCH의 주파수 범위 B의 캐리어 주파수에 대한 내부 주파수 상태(normal)의 주파수 편차 df가 정확한 부호(correct sign)의 내부 주파수 상태에 인가되고, 따라서 주파수 동기가 수행된다.
기지국(BS)은 방사될 전송 신호에 디지털-아날로그 변환을 가하고, 기저대역에서 방사 주파수 범위 B로 변환하고, 전송 신호를 변조 및 증폭하는 송수신기 SE/EE를 포함한다. 신호 발생 장치 SA는 미리 예들 들어 심볼 시퀀스 f1과 같은 전송 신호들을 모아서 이들을 대응 주파수 채널들 FCCH, TCH에 할당한다.
이동국(MS)은 조작 패널(operating panel) T, 신호 처리 장치 SP, 제어 장치 SE, 송수신기 SE/EE를 포함한다. 가입자는 조작 채널 상에서 이동국(MS)을 동작시키는 입력을 포함하는 입력들을 할 수 있으며, 이 동작 입력에 의해 이동국은 우선 주위를 둘러싼 이동 무선 네트워크와 동기를 수행해야 한다.
제어 장치 SE는 이 요청을 수신하고 신호 처리 장치 SP로 하여금 송수신기 SE/EE를 통해 수신된 수신 신호들을 평가하도록 하여, 전술한 바와 같이, 적절한 주파수 범위 B가 선택되고 심볼 시퀀스 f1이 성공적으로 발견될 때까지 상관이 수행되도록 한다. 그 후에 상술한 시간 및 주파수 동기가 수행된다.
신호 처리 목적을 위해, 수신 신호들은 예를 들어 디지털화되는 것과 같이 이산 저장 값들을 가진 심볼들로 변환된다. 이 신호 처리 장치 SP는 디지털 신호 처리기로서 JD-CDMA법(joint detection)을 이용하여 사용자 정보와 신호 전송 정보를 검출하는 JD 처리기를 포함하고 있으며, 또한 심볼 시퀀스 f1을 평가한다.

Claims (10)

  1. 무선 통신 시스템의 이동국(MS)에 대한 주파수 동기 방법에 있어서,
    상기 무선 통신 시스템은 시간 슬롯들(ts)로 형성되고 광대역 주파수 범위들(B)로 형성되는 주파수 채널들(FK)을 제공하며,
    상기 주파수 채널들에서는 다수의 연결들로부터의 정보가 이동국들(MS)과 기지국(BS) 사이에서 동시에 전송되며,
    특정 연결 미세 구조에 따라 서로 다른 연결들로부터의 정보를 구별하는 것이 가능하며,
    이동국들(MS)에 대한 주파수 동기를 위해 주파수 채널(FCCH)이 하방으로 반복하여 제공되며,
    상기 주파수 채널(FCCH) 내에서 심볼 시퀀스(f1)가 전송되며,
    동기될 이동국(MS)에 의해 심볼 시퀀스(f1)에 대한 평가된 값들(f1')이 수신 신호들로부터 결정되고,
    기준 시퀀스(f2)와 상기 평가된 값들(f1')과의 비교로부터 평가된 값들(f1')에서의 위상 이동량(dp)이 계산되며,
    위상 이동량(dp)으로부터 주파수 편차(df)가 결정되며, 그리고
    상기 주파수 편차는 이동국(MS)에 의해 주파수 동기를 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 주파수 동기 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    사용자 데이터 연결들 또는 신호 전송 연결들로부터 전송되는 정보와 심볼 시퀀스(f1)가 동시에 전송되는 것을 특징으로 하는 주파수 동기 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    위상 이동량 계산을 위해 충분히 큰 시간 간격으로 적어도 2개의 평가된 값들(f1')이 얻어질 수 있도록 심볼 시퀀스(f1)가 전송되는 것을 특징으로 하는 주파수 동기 방법.
  4. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    심볼 시퀀스(f1)가 개별 확산 코드(c1)의 도움으로 확산되는 것을 특징으로 하는 주파수 동기 방법.
  5. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기준 시퀀스(f2)와 평가된 값들(f1')의 비교로부터 최소 오차 제곱법에 따라 위상 이동량(dp)이 비율로 계산되는 것을 특징으로 하는 주파수 동기 방법.
  6. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    심볼 시퀀스(f1)의 적어도 일부가 시간 동기 및 주파수 동기를 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 주파수 동기 방법.
  7. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    JD-CDMA법을 이용하여 신호들이 주파수 채널(FK)로 분할되는 것을 특징으로 하는 주파수 동기 방법.
  8. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이동국(MS)에 의해 수신 전력 측정에 따라 주파수 동기를 위한 주파수 채널(FCCH)을 가진 주파수 범위(B)가 선택되는 것을 특징으로 하는 주파수 동기 방법.
  9. 제 1 항의 방법을 수행하기 위한 이동국(MS)으로서,
    수신 신호로부터 심볼 시퀀스(f1)에 대한 평가된 값들(f1')을 결정하며, 평가된 값들(f1')을 기준 시퀀스(f2)와 비교하며, 비교로부터 주파수 편차(df)를 계산하는 신호 처리 장치(SP); 그리고
    주파수 편차(df)를 고려하여 주파수 동기를 하는 제어 장치(SE)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동국.
  10. 제 1 항의 방법을 수행하기 위한 기지국(BS)으로서,
    소정의 심볼 시퀀스(f1)를 발생시키는 신호 발생 장치(SA); 그리고
    주파수 동기를 위한 주파수 채널로 심볼 시퀀스(f1)를 전송하는 전송 장치(EE)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국.
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