KR20010065396A

KR20010065396A - 무선통신시스템에서 채널 추정을 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20010065396A
Application number: KR1019990065273A
Authority: KR
Inventors: 김규학; 김제우; 김형석; 김기수
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1999-12-29
Filing date: 1999-12-29
Publication date: 2001-07-11
Also published as: CN1166080C; CN1308417A; EP1113633B1; US20010006540A1; KR100318952B1; JP3652247B2; JP2001217882A; EP1113633A2; US6751274B2; DE60032109D1; DE60032109T2; EP1113633A3

Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 무선통신 시스템에서 데이터 복원을 위한 채널 추정에 관한 것이다.

나. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

페이딩 등에 의해 발생되는 채널의 왜곡 현상에 대응하여 데이터를 복원할 수 있도록 한다.

다. 발명의 해결방법의 요지

본 발명의 요지는 무선통신시스템에서 데이터 복조를 위한 장치에 있어서, 수신된 신호 중 기 설정된 심볼들에 의해 채널을 추정하기 위한 페이딩추정부와, 상기 페이딩추정부의 추정에 의해 여타 심볼에 대한 인터폴레이션을 수행하기 위한 제1인터폴레이터와, 상기 제1인터폴레이터의 출력 신호를 인버팅하기 위한 제1인버터와, 상기 수신된 신호를 소정 지연시키기 위한 제1 지연부와, 상기 제1인버터의 출력신호에 의해 상기 제1 지연부의 출력신호를 1차 보정하기 위한 제1 곱셈기와, 2차 보정을 위해 보정하기 위한 심볼 전후의 소정 구간에 있는 상기 1차보정된 심볼을 참조하여 각각의 심볼에 대한 인터폴레이션을 수행하기 위한 제2인터폴레이터와, 상기 제2인터폴레이터의 출력신호 레벨을 소정 변환하기 위한 레벨조정부와, 상기 레벨조정부의 출력신호를 인버팅하기 위한 제2인버터와, 상기 1차보정된 신호를 소정 지연하기 위한 제2지연부와, 상기 제2인버터의 출력신호에 의해 상기 제2지연부의 출력신호를 2차 보정하기 위한 제2 곱셈기를 구비함을 특징으로 한다.

라. 발명의 중요한 용도

무선통신시스템에서 데이터 복원에 이용된다.

Description

무선통신시스템에서 채널 추정을 위한 장치 및 방법{CHANNEL ESTIMATION APPARATUS IN WIRELESS TELECOMMUNICATION SYSTEM AND METHOD THEREOF}

본 발명은 무선통신시스템에서의 데이터 복조에 관한 것으로 특히, 페이딩 등에 의한 왜곡에 대하여 대응할 수 있는 데이터 복조 장치 및 방법에 관한 것이다.

무선통신 기술은 셀룰라를 중심으로 급속히 성장하였으며, 최근 전세계어디서나 통화가 가능한 GMPCS의 기술이 개발 보급되어지고 있다. 특별히 위성을 이용한 무선통신시스템에서는 위성과 단말기와의 거리가 멀기 때문에 페이딩(FADING) 등에 의해 데이터 왜곡이 심하게 발생하기 때문에 데이터 복조에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.

통상적으로, 한 개의 프래임에 약속된 심벌(Pilot Symbol)을 삽입하여 전송하고 이러한 심벌들의 왜곡현상을 검출하여 여타의 다른 정보 심벌의 왜곡을 보상하는 방법을 사용하고 있다. 즉, 데이터심벌 중에 알고있는 심벌을 삽입하여 전송하고 수신 시 이를 추출하여 채널추정에 이용하고 있다.

기존의 채널추정을 위한 기술은 보편적인 인터폴레이터(INTERPOLATOR)를 사용하는 방법과 ESAE(Extended Symbol-Aided Estimation)에 의한 방법이 사용되고 있다.

도 1은 종래 무선통신시스템에서 데이터를 복원하기 위한 개략적인 블록 구성을 나타낸 도면이다.

도 2는 종래 무선통신시스템에서 사용되는 프레임 구조를 나타낸 것이다.

도 3은 종래 무선통신시스템에서 데이터를 복원하기 위한 구체적인 블록 구성도이다.

도 4는 종래 무선통신시스템에서 ESAE 방식에 의해 데이터를 복원하기 위한 블록 구성도이다.

도 5는 종래 무선통신시스템에서 ESAE 방식에 의해 데이터를 복원하기 위한 채널 추정 개념을 나타낸 도면이다.

채널추정을 위한 파일럿 심벌을 사용하는 PSAM(Pilot Symbol Assisted Modulation) 시스템의 기저대역 표시는 도 1과 같다. 상기 도1과 같은 시스템에서는 파일럿 심벌을 주기적으로 데이터 심벌 사이에 삽입시켜 펄스성형을 거쳐 전송하게 된다. 이때 전송되는 신호에는 페이딩과 부가백색잡음(AWGN : ADAPTIVE WHITE GAUSSIAN NOISE)이 더해지게 된다. 수신기에서는 정합여파기(Matched Filter)를 통과시켜 수신 신호들을 파일럿 심벌과 데이터 심벌을 분리한 후 파일럿 심벌을 이용하여 채널을 추정하고 이 추정된 결과를 가지고 데이터 심벌의 채널추정에 이용한다. 데이터 심벌에 대한 채널추정을 가능케 하기 위해서 인터폴레이터(108)를 사용하고 그 결과를 이용하여 데이터 복원을 하게 된다.

이러한 보편적인 PSAM 시스템에서 채널을 추정하는 과정을 수식으로 간단히 표현하면 다음과 같다.

여기서 Re[A]는 A의 실수부이고 fc는 반송파 주파수를 나타낸 것이다. 또한 zO(t)는 전송필터에 의해 대역 제한된 전송 기저대역 신호이다.

전송되는 프레임의 구조는 도2와 같이 한 프레임 당 알고있는, 기 설정된 파일럿 심벌이 삽입되어 있다.

이러한 신호가 도1에서 나타낸 바와 같이 페이딩의 영향을 받아 수신신호는 다음과 같이 바뀌게 된다.

여기서 nc(t)는 전력 스펙트럼 밀도가 No를 갖는 부가백색잡음을 나타낸 것이다.

채널 복소 이득 c(t)는 페이딩과 주파수 옵셋으로 구성되며 하기와 같이 나타낼 수 있다.

상기 식에서 fo 잔류 주파수 옵셋을 g(t)는 c(t)의 포락선을 나타낸다. 이후 복조된 기저대역 신호는 하기 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

기저대역 신호 Z(t)를 구하기 위해 C(t)를 추정한 값을 구할 필요가 있다.

k 번째 프레임의 m번째 심벌의 샘플링 순간은 하기와 같다.

TP는 파일럿 심벌이 삽입되는 주기로 NT의 값을 가지게 된다.

매 프레임 타이밍 순간에 복조된 파일럿 심벌은 하기와 같다.

즉, k번째 파일럿 심벌이 수신된 순간의 페이딩 추정치는 상기 "7"식의 왜곡된 심벌 U(tk,0)를 파일럿 심벌 b로 나누어주면 하기와 같이 나타낼 수 있다.

파일럿 심벌이 아닌 정보심벌의 페이딩 왜곡은 상기 수학식 8에 인터폴레이터를 적용하여 구할 수 있다. 인터폴레이션(Interpolation)은 일반적으로 Fixed Interpolator와 Adaptive Interpolator로 나눌 수 있는데 Fised Interpolator는 채널의 변화에 관계없이 채널의 왜곡을 추정하기 위해 sinc(nyquist : 싱크), gaussian, linear, cubic 등의 인터폴레이터를 채널 전 구간에 대해 적용하는 반면 dadptive interpolator는 wiener filter를 이용한 위너 인터폴레이터가 있는데 채널의 왜곡을 추정하기 위해 도플러 프리퀀시(Doppler Frequency)와 Es/No과 같은파라미터 등을 이용하여 채널의 변화에 능동적으로 대처 보상함으로써 정확한 채널 추정을 가능케 한다.

도 3은 상기와 같은 페이딩 추정(Fading Estimation)과 보정(Compensation)을 하는 과정을 도식화한 개념도로서 싱크 인터폴레이터를 사용한다. 도시된 바와 같이 채널 추정 과정은 페이딩 추정부(301)에 의해 파일럿 심볼의 페이딩 추정이 이루어지고 인터폴레이터(302)에서는 파일럿 심볼의 채널 추정결과에 따라 데이터 심볼의 인터폴레이션을 하는 기능을 수행한다. 상기와 같이 추정된 결과를 지연부(304)에 의해 지연된 수신신호에 반영함으로써 보정이 이루어지게 된다.

도 4 및 도5는 또 다른 채널 추정방법을 나타낸 것으로 ESAE(Extended Symbol-Aided Estimation) 방식에 의해 도 5에 나타낸 바와 같이 심벌 "S"의 채널을 추정하기 위해 "P1", "P2", "P3", "P4"와 함께 "s" 이전의 복원된 데이터를 이용하고 있다.

상술한 방법을 이용하여 파일럿 심벌의 채널 추정을 통한 데이터 추정 방법 및 ESAE에 따른 방법은 비교적 간단하다는 장점은 있으나 위성통신과 같이 수신신호의 레벨이 낮거나 페이딩이 심한 경우에는 채널 추정이 곤란한 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 페이딩 등에 의해 왜곡이 심한 상황에서도 채널 추정이 가능한 채널 추정 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 무선통신시스템에서 데이터복조를 위한 장치에 있어서, 수신된 신호 중 기 설정된 심볼들에 의해 채널을 추정하기 위한 페이딩추정부와, 상기 페이딩추정부의 추정에 의해 여타 심볼에 대한 인터폴레이션을 수행하기 위한 제1인터폴레이터와, 상기 제1인터폴레이터의 출력 신호를 인버팅하기 위한 제1인버터와, 상기 수신된 신호를 소정 지연시키기 위한 제1 지연부와, 상기 제1인버터의 출력신호에 의해 상기 제1 지연부의 출력신호를 1차 보정하기 위한 제1 곱셈기와, 보정하기 위한 심볼 전후의 소정 구간에 있는 상기 1차보정된 심볼을 참조하여 각각의 심볼에 대한 인터폴레이션을 수행하기 위한 제2인터폴레이터와, 상기 제2인터폴레이터의 출력신호 레벨을 소정 변환하기 위한 레벨조정부와, 상기 레벨조정부의 출력신호를 인버팅하기 위한 제2인버터와, 상기 1차보정된 신호를 소정 지연하기 위한 제2지연부와, 상기 제2인버터의 출력신호에 의해 상기 제2지연부의 출력신호를 2차 보정하기 위한 제2 곱셈기를 구비함을 특징으로 한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 데이터를 복원하기 위한 블록 구성도이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 데이터를 복원하기 위한 채널추정 개념을 나타낸 도면이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 BER의 특성을 나타낸 도면이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 특정(特定) 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성을 살펴보면 다음과 같다.

페이딩추정부(600)는 수신된 신호 중 기 설정된 심볼(Pilot Symbol)들에 의해 페이딩을 추정하며, 제1인터폴레이터(610)는 페이딩추정부(600)의 추정에 의해 여타 심볼(Infromation Symbol)에 대한 인터폴레이션(Interpolation)을 수행한다. 상기 제1인터폴레이터(610)는 Wiener Interpolator를 사용할 수 있다. 제1인버터(620)는 제1인터폴레이터(610)의 출력 신호를 역수로 변환하기 위한 인버팅(Inverting) 동작을 수행한다. 제1지연부(630)는 수신된 신호를 소정 시간 동안 지연시키기 위한 것으로 이는 페이딩추정부(600), 제1인터폴레이터(610), 제1인버터(620)에게 동작 시간을 제공하기 위함이다. 제1인버터(620)에 의해 인버팅된 채널 추정을 위한 신호는 곱셈기(640)에 의해 제1지연부(630)에 의해 지연된 신호를 1차 보정하게 된다. 1차 보정된 신호는 다시 제2인터폴레이터(650) 및 제2지연부(680)로 입력된다. 제2인터폴레이터(650)는 싱크(Sinc or Nyquist) 인터폴레이터를 사용하여 도 7에 보여짐과 같이 1차 보정된 데이터들을 참조하여 페이딩을 추정하게 된다. 이때 추정에 참조하는 데이터는 추정하기 위한 데이터 심볼(S) 전후에 위치한 1차 보정된 심벌을 참조하여 페이딩을 추정하게 된다. 상기 추정에 있어서 참조되는 심벌들은 1차 보정에서와 같이 파일럿 심벌(P1, P2, P3,P4)만을 참조하는 것이 아니라 1차 보정에 의해 추정된 심볼(빗금친 부분의 심볼)들이 사용된다. 상기 추정에는 1차 보정의 추정과정에서 사용되었던 파일럿 심벌의 추정값이 다시 사용될 수 있다. 이때 참조되는 1차 보정된 데이터 심볼과 파일럿 심볼은 동일한 가중치로 참조되어 추정될 수도 있고 각각 다른 가중치를 부여하여 심볼 추정에 사용할 수도 있다. 추정된 값은 레벨 조정부(660)에 의해 레벨이 조정되어 제2인버터(670)로 출력된다. 예를 들어 레퍼런스 심볼(Reference Symbol)이 (1,0) 및 (-1,0)이면 다른 QPSK 심벌인 (0,1), (0,-1)을 일반화시켜 모든 심벌을 (1, 0) 도메인(domain) 영역으로 이동시켜 채널 추정치를 구하게 된다. 제2인버터(670)는 입력되는 신호를 인버팅하여 곱셈기(690)로 출력하게 된다. 곱셈기(690)는 제2지연부(680)에서 출력되는 신호와 제2인버터(670)에서 출력되는 신호를 통해 2차 보정을 최종적으로 수행하게 된다.

상술한 구성에 따른 동작을 부언하면 하기와 같다.

심벌(S)의 채널을 추정하기 위해 파일럿 심벌을 이용하는 것 외에 도7에 나타낸 바와 같이 위너 인터폴레이터(610)를 이용하여 보정된 심벌들을 새로운 파일럿 심벌로 취급하여 나이퀴스트 인터폴레이터(650)에 의해 채널을 추정하게 된다.

즉, 파일럿 심벌을 이용하여 1차로 채널을 추정할 경우는 위너 인터폴레이터(610)를 사용하여 채널을 추정하는 반면, 2차 보정 시에는 위너 인터폴레이터(650)에 의해 1차로 추정 보정된 심벌들을 이용하기 때문에 참조해야 하는 심볼이 인접하게 놓여있어 나이퀴스트 인터폴레이터를 이용하게 된다.

상술한 방식은 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio : SNR)가 증가함에 따라 파일럿 심벌을 제외한 데이터 심벌의 채널 추정이 보다 정확하게 되고 채널 보상 후에 얻어진 데이터 심벌을 다시 파일럿 심벌과 같이 사용하게 되므로 채널 추정의 신뢰성을 높일 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 특성을 나타낸 도면이다.

하기 표는 도8의 실험조건에 대하여 나타낸 것이다. 도8의 하변은 Eo/No를, 좌변은 BER의 변화를 표시한 것이다.

도면번호	K	fd
도 8a	7dB	20Hz
도 8b	7dB	200Hz
도 8c	12dB	20Hz
도 8d	12dB	200Hz

도면에서 보는바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 실험결과 종래 WIENER에 따른 데이터복원 방법과 비교하여 성능이 개선되었음을 알 수 있다.

상기 표의 "K"는 Ricean Fading Factor를 의미하며 "fd"는 Doppler Frequency를 의미한다. 정규화된 Doppler Frequency는 fdT=0.0011과 0.011로 이는 심벌 전송률이 초당 18000 심벌인 경우에 Doppler Frequency가 각각20Hz,200Hz를 의미한다. 그리고 파일럿 삽입주기(M)를 20으로 한 것이다. 동기(Coherent)복조의 경우는 수신단에서 인터폴레이터의 계수를 계산하기 위해 필요한 도플러 프리퀀시와 잡음전력 밀도 당 심벌 에너지(=Es/No)를 정확히 알고 있다는 가정 하에 이루어졌다. 시뮬레이션 결과를 보면 fast fading(fdT=0.011)의 경우 도8b와 도8d의 경우 본 발명의 결과가 Wiener 인터폴레이터의 경우보다 월등하게 우수함을 알 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 발명의 특허청구 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 파일럿 심벌에 의해 1차 보정된 신호를 참조하여 2차로 채널을 추정함으로써, 페이딩 등에 의해 왜곡이 심한 상황에서도 채널 추정을 할 수 있다.

Claims

무선통신시스템에서 채널 추정을 위한 장치에 있어서,

수신된 신호 중 기 설정된 심볼들에 의해 채널을 추정하기 위한 페이딩추정부와,

상기 페이딩추정부의 추정에 의해 여타 심볼에 대한 인터폴레이션을 수행하기 위한 제1인터폴레이터와,

상기 제1인터폴레이터의 출력 신호를 인버팅하기 위한 제1인버터와,

상기 수신된 신호를 소정 지연시키기 위한 제1 지연부와,

상기 제1인버터의 출력신호에 의해 상기 제1 지연부의 출력신호를 1차 보정하기 위한 제1 곱셈기와,

2차 보정하기 위한 심볼 전후의 소정 구간에 있는 상기 1차보정된 심볼을 참조하여 각각의 심볼에 대한 인터폴레이션을 수행하기 위한 제2인터폴레이터와,

상기 제2인터폴레이터의 출력신호 레벨을 소정 변환하기 위한 레벨조정부와,

상기 레벨조정부의 출력신호를 인버팅하기 위한 제2인버터와,

상기 1차보정된 신호를 소정 지연하기 위한 제2지연부와,

상기 제2인버터의 출력신호에 의해 상기 제2지연부의 출력신호를 2차 보정하기 위한 제2 곱셈기를 구비함을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 제1인터폴레이터는,

위너 인터폴레이터임을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 2항에 있어서, 상기 제2인터폴레이터는,

싱크 또는 나이퀴스트 인터폴레이터임을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 2항에 있어서, 상기 기 설정된 심볼들은,

파일럿 심볼임을 특징으로 하는 장치.
무선통신시스템에서 채널 추정을 위한 방법에 있어서,

수신된 신호의 기 설정된 심볼들에 의해 여타 심볼들의 보정을 수행하는 1차 보정 과정과,

2차 보정을 위해 보정하기 위한 심볼 전후의 소정 구간에 있는 상기 1차보정된 심볼을 참조하여 각각의 심볼에 대한 보정을 수행하는 2차 보정 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
제 5항에 있어서, 상기 제1차 보정 과정은,

수신된 신호 중 기 설정된 심볼들을 통해 채널을 추정하는 과정과,

상기 추정된 채널을 통해 여타 심볼에 대한 인터폴레이션 및 인버팅을 수행하는 과정과,

상기 인버팅된 신호에 의해 상기 수신된 신호를 보정하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
제5항 또는 6항에 있어서, 2차 보정 과정은,

보정하기 위한 심볼 전후의 소정 구간에 있는 상기 1차보정된 심볼을 참조하여 각각의 심볼에 대한 인터폴레이션 및 레벨을 소정 변환하는 과정과,

상기 변환된 신호를 인버팅하여 상기 1차 보정된 신호를 보정하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
제5항 또는 6항에 있어서, 상기 기 설정된 심볼들은,파일럿 심볼임을 특징으로 하는 장치.