KR20040055111A - 위상 정보를 이용한 도플러 주파수 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위상 정보를 이용한 도플러 주파수 추정 방법에 관한 것으로 특히 복조된 파일럿 신호의 위상 정보로부터 최대 도플러 주파수를 측정하기에 적당하도록 한 위상 정보를 이용한 도플러 주파수 추정 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명 위상 정보를 이용한 도플러 주파수 추정 방법은, 수신된 파일럿 신호로부터 추정된 위상변이정보를 이용하여 최대 도플러 주파수를 추정함으로써, 파일럿 신호를 전송하여 코히어런트방식으로 복조하는 이동 통신 시스템에서 간단하면서도 좀 더 정확하게 최대 도플러 주파수를 추정할 수 있다. 특히 기존의 방식과 달리 폐루프 전력제어에 의한 추정 성능의 손실이 전혀 없기 때문에, 폐루프 전력 제어를 필수적으로 채택하고 있는 CDMA시스템에 적용할 경우 보다 우수한 최대 도플러 주파수 추정 성능을 보이는 효과가 있다.

Description

위상 정보를 이용한 도플러 주파수 추정 방법{Method for estimating doppler frequency using phase information}

본 발명은 위상 정보를 이용한 도플러 주파수 추정 방법에 관한 것으로 특히 복조된 파일럿 신호의 위상 정보로부터 최대 도플러 주파수를 측정하기에 적당하도록 한 위상 정보를 이용한 도플러 주파수 추정 방법에 관한 것이다.

최근 무선 기술의 눈부신 발전과 이에 따른 서비스 시장의 급성장은 일부 주파수 자원을 이미 고갈시켰으며 주파수 자원의 중요도 또한 매우 증가하고 있다. 따라서 효율적인 주파수 자원의 사용과 유연한 자원 관리를 위하여 적응형 수신 기술에 많은 관심이 점점 증가되고 있다.

적응형 수신기를 최적화하기 위해서는 많은 정보들이 필요하며, 그 중에서 무선 채널의 최대 도플러 주파수는 파일럿 채널 추정, 자원 할당 전략, 핸드오프결정, 전력제어 등을 효율적으로 수행하는데 꼭 필요한 가장 중요한 정보 중의 하나이다. 특히 파일럿 채널 추정의 경우, 최대 도플러 주파수 정보를 추정할 수 있다면 평균자승오류(Mean Square Error : MSE) 척도에서 최적인 위너 필터 (Wiener Filter)를 이용할 수 있으며, 이를 통해 저속의 최대 도플러 주파수 환경에서 파일럿 채널 추정의 정확도를 획기적으로 증가시킬 수 있다.

도 1은 최대 도플러 주파수 정보의 이용 가능 유무에 따른 채널추정 방식의 평균 자승 에러를 설명하기 위한 도면으로, Ec/Nt(칩당 에너지 대 잡음 분산비)가 -20dB와 -30dB일 경우 위너 필터를 사용하는 경우 채널 추정의 정확도를 설명하기 위한 것이다.

그래프로부터 위너 필터를 사용할 경우가 특히 낮은 최대 도플러 주파수 영역에서 위너 필터를 사용하지 않은 기존의 방식보다 성능이 월등히 뛰어남을 알 수 있다.

따라서 추정된 최대 도플러 주파수는 수신기에서 매우 중요한 정보로 인식되어 왔으며, 이의 정확한 추정을 위한 다양한 연구들이 광범위하게 진행되어 왔다. 그 중 잘 알려진 방법들로는 자기상관특성(Autocorrelation Statistics)을 이용하는 방법, 레벨 크로싱 레이트(Level Crossing Rate)를 이용하는 방법, 스위칭 다이버시티(Switching Diversity)를 이용하는 방법, 신호 세기의 편차를 이용하는 방법 등이 있다.

그러나 추정된 최대 도플러 주파수는 수신 성능을 상당 부분 향상시킬 수 있는 매우 중요한 정보임에도 불구하고, 도 1에 나타낸 바와 같이 수신 신호의 Ec/Nt가 낮을 때와 추정해야 할 최대 도플러 주파수가 매우 높은 영역에서는 최대 도플러 주파수를 정확히 추정하지 못하였다. 이는 지금까지의 대부분의 최대 도플러 주파수 추정이 수신 파일럿 신호의 크기의 변화율을 이용하는 방식이었기 때문이다.

즉 수신 신호의 크기 정보는 최대 도플러 주파수가 높아질수록 열잡음과 같은 가우시안 잡음에 민감해지고, 따라서 이를 이용하여 최대 도플러 주파수를 추정할 경우, 채널의 최대 도플러 주파수가 높을수록 그리고 수신단에서의 가우시안 잡음이 클수록 추정 오류가 증가하게 된다.

뿐만 아니라, 대부분 CDMA시스템의 경우 시스템의 성능 향상을 위해 빠른 폐루프 전력제어를 채택하고 있는데, 이 경우 수신 파일럿 신호로부터 추출된 무선 채널의 페이딩 정보는 송신 신호의 전력제어에 기인하는 심각한 정보의 왜곡을 경험하게 되고, 채널의 최대 도플러 주파수가 커질수록 그 왜곡 정도도 심해지며 최대 도플러 주파수 추정 오류 또한 급격히 증가하게 되는 문제점이 있어 위너 필터를 이용하기 위한 정보의 왜곡 정도를 최소화하는 정확한 최대 도플러 주파수 추정 방식이 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 최대 도플러 주파수와 직접적인 관계가 있는 수신된 파일럿 신호의 위상 변화 정보를 이용하여 복조된 파일럿 신호의 위상 정보로부터 최대 도플러 주파수를 추정하는 위상 정보를 이용한 도플러 주파수 추정 방법을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명 위상 정보를 이용한 도플러 주파수 추정 방법의 일 특징에 따르면, 수신된 파일럿 신호로부터 추정된 위상변이정보들을 이용하여 최대 도플러 주파수를 추정한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 다른 특징에 따르면, 복조된 파일럿 신호로부터 설정된 시간 주기로 위상 정보들을 측정하는 단계와, 상기 위상 정보들의 절대값 평균을 측정하는 단계와, 상기 절대값 평균을 상기 시간주기로 나눈 값으로 최대 도플러 주파수를 추정하는 단계를 포함하여 이루어진다.

바람직하게 상기 위상정보들을 측정하는 경우, 상기 위상 정보 중 연속된 위상정보들 각각의 위상 차이들을 측정한다

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해 질 것이다.

도 1은 최대 도플러 주파수 정보의 이용 가능 유무에 따른 채널추정 방식의 평균 자승 에러를 설명하기 위한 도면

도 2는 본 발명에 따른 최대 도플러 주파수 추정 방식을 설명하기 위한 도면

이하, 본 발명에 따른 위상 정보를 이용한 도플러 주파수 추정 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 위상 정보를 이용한 도플러 주파수 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 도 2에 나타낸 바와 같이 수신 파일럿 신호를 이용하여 최대 도플러 주파수를 추정하기 위한 것으로, 최대 도플러 주파수 정보는 파일럿 수신신호의 크기에 관한 확률 분포를 통하여 추정할 수 있을 뿐만 아니라 파일럿 수신신호의 위상에 관한 확률 분포를 통해서도 추정이 가능하다.

하지만 기존의 최대 도플러 주파수 추정 방식은 대부분 파일럿 수신신호의 크기 정보와, 크기 정보의 평균 변화율로부터 도플러 주파수를 추정하였으며(도 2의 10, 30), 수신된 파일럿 신호의 위상정보로부터 도플러 주파수를 추정하는 방식은 아직 제안된 바 없다.

따라서 본 발명에서는 파일럿 수신 신호의 위상 정보로부터 최대 도플러 주파수를 추정하는 방식에 대하여 설명한다.

복조된 파일럿 신호로부터 τ의 시간 주기로 위상 정보(··, φ_i-1, φ_i,··)를 측정한 후 연속된 두 위상 샘플들의 차이를 ζ_i라 하면 이 ζ_i는 다음과 같은 수식으로 표시될 수 있다.

여기서 τ의 시간 주기로 샘플링 된 두 위상정보,와의 차이를 ζ라 하면, ζ가범위의 값일 때 ζ의 확률 분포 함수(P(ζ))는 도심 환경에서 다음과 같은 식 2로 모델링 할 수 있다.

여기서이고, f_D는 최대 도플러 주파수이다.

그러면 위상차를 나타내는 ζ의 절대값의 평균,은 다음 식3과 같이 표시할 수 있다.

위의 수학식 3으로부터 위상차 ζ의 절대값의 평균인는 최대 도플러 주파수 f_D와 직접적인 관계가 있음을 알 수 있다.

따라서 N개의 위상 샘플로부터 그 위상차의 절대값의 평균을 다음 식 4와 같은 방법으로 측정할 수 있다(20).

식 4에서 N 값이 커짐에 따라 Z는에 수렴하게 된다.

그리고 수학식 3과 수학식 4로부터 최대 도플러 주파수 f_D와 절대값 평균 Z와의 관계식은 다음의 수식 5와 같이 근사화될 수 있다.

여기서 1/는 수학식 2에서 설명한 바와 같이 도심 환경에서 모델링되는 값이다.

그리고 수학식 5의 근사식은, f_Dτ＜ 0.4의 범위에서 매우 높은 수준의 근사를 보여주며, 이 범위를 만족하도록 τ를 적절히 정한다면 종래의 최대 도플러 주파수 추정 방식에 비해 상당히 높은 도플러 주파수까지 추정이 가능하다(30). 뿐만 아니라, 복조된 파일럿 신호의 크기 정보를 이용하지 않고 위상 정보만 이용하므로 CDMA시스템에 필수적으로 적용되는 폐루프 전력제어의 영향을 전혀 받지 않기 때문에, 특히 CDMA시스템에 적용되었을 경우 최대 도플러 주파수 추정 방식의 정확도가 기존의 추정 방식보다 한층 증가되게 되어 도 1에 나타낸 바와 같은 위너 필터를 이용하기 위한 최대 도플러 주파수를 좀더 정확하게 추정할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 파일럿 신호를 전송하여 코히어런트방식으로 복조하는 이동 통신 시스템에서 간단하면서도 좀 더 정확하게 최대 도플러 주파수를 추정할 수 있다. 특히 기존의 방식과 달리 폐루프 전력제어에 의한 추정 성능의 손실이 전혀 없기 때문에, 폐루프 전력 제어를 필수적으로 채택하고 있는CDMA시스템에 적용할 경우 보다 우수한 최대 도플러 주파수 추정 성능을 보이는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 수신된 파일럿 신호로부터 추정된 위상 변이 정보들을 이용하여 최대 도플러 주파수를 추정하는 것을 특징으로 하는 위상 정보를 이용한 최대 도플러 주파수 추정 방법.
2. 복조된 파일럿 신호로부터 설정된 시간 주기로 위상 정보들을 측정하는 단계와;

   상기 위상 정보들의 절대값 평균을 측정하는 단계와;

   상기 절대값 평균을 상기 시간주기로 나눈 값으로 최대 도플러 주파수를 추정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 위상 정보를 이용한 최대 도플러 주파수 추정 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 위상정보들을 측정하는 경우,

   상기 위상 정보 중 연속된 위상정보들 각각의 위상 차이들을 측정하는 것을 특징으로 하는 위상 정보를 이용한 최대 도플러 주파수 추정 방법.