KR20060071771A - ＯＦＤＭＡ(Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ)시스템의 시간 동기를 추정하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 상향 링크 시스템에서 초기 접속시에 다중 이동국의 시간 동기를 추정하는 방법에 관한 것이다.

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서 이동국들의 시간 동기를 추정하는 방법은 송신단에서 시간 동기를 추정하기 위한 훈련심볼의 전,후치 보호구간을 설정하고 상기 훈련심볼에 인접한 소정의 부반송파로 이루어진 부채널을 할당하는 과정과 수신단에서 상기 훈련심볼을 복원해서 복원된 신호에서 부반송파간의 위상 회전의 차이를 이용해서 시간오차를 추정하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

OFDMA, 시간 동기

Description

ＯＦＤＭＡ(Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ) 시스템의 시간 동기를 추정하는 방법{METHOD FOR ACQUIRING TIMING SYNCHRONIZATION IN OFDMA SYSTEM}

도 1은 종래의 OFDMA 상향링크 시스템 송신단의 훈련심볼 생성기 구성을 나타낸 블록도,

도 2는 시간 동기를 추정하기 위한 훈련심볼의 구조도,

도 3은 종래의 OFDMA 상향링크 시스템 수신단의 시간 동기 추정기의 구성을 나타낸 블록도,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OFDMA 상향 링크 시스템 송신단의 훈련심볼 생성기의 구성을 나타낸 블록도,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OFDMA 상향링크 시스템 수신단의 시간 동기 추정기 구성을 나타낸 블록도,

도 6은 본 발명의 모의실험 결과에 따라 SNR에 따른 추정기의 평균 자승 오차를 나타낸 그래프,

도 7은 본 발명의 모의실험 결과에 따라 SNR 손실(loss)을 나타낸 그래프,.

도 8은 본 발명의 모의실험 결과에 따라 최대 시간오차 범위에 따른 추정기 의 SNR 손실(loss)을 나타낸 그래프,

도 9는 본 발명의 모의실험 결과에 따라 주차수 선택적 특성에 따른 추정기의 SNR 손실(loss)을 나타낸 그래프,

도 10은 설계 매개 변수 Q와 SNR에 따른 가중치 값을 나타낸 그래프.

본 발명은 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에 관한 것으로, 특히 OFDMA 상향 링크 시스템에서 초기 접속시에 다중 이동국의 시간 동기를 추정하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 OFDMA 시스템은 주파수 선택적 페이딩 현상과 협대역 간섭에 강한 특성으로 인해서 차세대 광대역 무선 다중 접속 방식으로 제안되고 있다. OFDMA 시스템의 대표적인 특성을 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 시간과 주파수 축에서 자원을 분할해서 할당할 수 있기 때문에 OFDMA 시스템은 각각의 이동국에게 자원을 효율적으로 분배하여 줄 수 있다. 따라서 OFDMA 시스템은 이동국별 다양한 데이터 전송률과 서비스 수준을 유지시켜줄 수 있다.

둘째, 채널의 주파수 선택적 특성을 이용해서 각각의 이동국에게 최적의 주파수 대역을 할당해줄 수 있다.

한편, 이와 같은 특징을 가진 반면에 OFDMA 시스템은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템과 마찬가지로 시간 및 동기에 민감하다는 문제점이 있다. OFDM 시스템에서의 시간 및 주파수 동기의 오차는 심볼간 간섭과 부채널간 간섭을 일으키게 되어서 이동국간의 다중 접속 간섭의 형태로 나타나게 된다. 즉, 특정 이동국의 시간 및 주파수 동기 오차는 모든 이동국에게 간섭을 일으키게 되어 전체적인 시스템의 성능을 저하시키게 된다.

주파수 동기 오차의 경우에 시스템의 하향 링크에서 각각의 이동국이 기지국과의 주파수 차이를 통해서 상기 오차를 보정할 수 있기 때문에 일반적으로 상기 주파수 동기 오차는 시스템의 성능 저하에 큰 영향을 미치지 않는다.

반면에, 시간 동기 오차의 경우에 각각의 이동국은 서로 다른 전파 지연(propagation delay)을 가지고 있기 때문에 상기 시간 동기 오차가 보정되지 않는다면 시스템의 상향 링크에서 다중 접속 간섭이 발생해서 시스템의 성능이 저하된다. 따라서 상기 시간 동기 오차를 보정하기 위해서 기지국은 이동국으로 시간 오차에 대한 피드백 정보를 전송해야 한다. 좀 더 상세히 설명하기 위해서 모렐리(Morelli)가 제안하였던 등간격으로 부반송파를 할당하는 OFDMA 상향링크 시스템 송신단의 훈련심볼 생성기의 구성을 나타낸 도 1의 블록도를 참조한다.

도 1은 종래의 OFDMA 상향링크 시스템 송신단의 훈련심볼 생성기 구성을 나타낸 블록도이다.

이동국에서 시간 동기 오차가 발생했을 경우에 상기 이동국으로부터 수신된 신호가 기지국에서 FFT(Fast Fourier Transform)를 통과하면 직교성이 상실되어서 다중 접속 간섭이 발생한다. 따라서 이동국의 시간 동기 오차를 보정하기 위해서 기지국은 이동국으로 시간 오차에 대한 피드백 정보를 전송해야 한다. 기지국에서 여러 이동국의 신호를 함께 수신했을 때 다중 접속 간섭이 나지 않도록 이동국은 상기 피드백 정보를 이용해서 시간 오차를 보정한 신호를 기지국으로 재전송한다. 따라서 이동국에서 송신되는 신호가 기지국에서 수신될 때에도 항상 직교성을 보장되려면 시간 동기 오차를 추정하기 위한 훈련심볼의 전송 시간은 한 OFDM 심볼 시간보다 길어야 한다.

도 2는 시간 동기를 추정하기 위한 훈련심볼의 구조도이다.

기지국은 시간 동기화가 이루어지지 않은 이동국의 신호가 직교성이 상실되지 않게 수신하기 위해서 훈련심볼의 앞뒤로 보호구간을 삽입해서 이동국의 시간 오차와 다중 경로에 의한 영향을 제거한다.

는 전치 훈련심볼 보호 구간이며

는 후치 훈련심볼 보호 구간이다. 이동국의 시간 오차와 다중경로에 의한 지연이

내에 존재할 경우에 기지국은 직교성을 상실하지 않고 훈련심볼을 복원할 수 있다.

도 3은 종래의 OFDMA 상향링크 시스템 수신단의 시간 동기 추정기의 구성을 나타낸 블록도이다.

모렐리(Morelli)가 제안한 도 3의 시간 동기 추정기는 등간격으로 떨어진 부반송파를 이동국에 할당한다. 예를 들면, 전체 부반송파가 N개이고 각 이동국에게 M개의 부반송파를 할당한다고 할 때, p번째 이동국에게 할당되는 부반송파의 집합은 수학식 1과 같다.

전, 후치 보호구간을 통해서 OFDMA 심볼보다 긴 훈련심볼이 전송됐으므로 기지국은 직교성이 상실하지 않은, 즉 다중 접속 간섭 없는 신호를 수신한다. 기지국에서는 각 이동국에게 할당되었던 부반송파를 선택해서 훈련심볼을 복조한다. 기지국에서 FFT 후의 신호를 Y(k)라 할 때, 종래의 p번째 이동국의 시간 동기를 추정하기 위한 과정은 수학식 2와 같다.

여기서

은 M-point IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)후에 p 번째 이동국의 신호이고 P는 채널의 길이를 의미한다. 종래의 시간 동기 추정 방법은 각 각의 이동국에 할당되는 부반송파를 주파수축에서 등간격으로 배치시키고 수신단에서 수신된 신호가 훈련심볼의 공액값에 곱해져 IFFT를 통과함으로써 시간축에서의 채널 임펄스 응답이 주기적으로 나오는 원리를 이용한다.

은 시간축에서 시간 동기 오차를 포함한 채널 임펄스 응답으로써 채널의 길이와 시간 동기 오차의 전체 길이가 M보다 작을 경우 채널의 수신 전력이 최고가 되는 지점을 찾음으로써 시간 동기 오차를 추정한다.

상기한 바와 같이 시간 동기 추정기가 주파수축에서 복원된 수신신호를 IFFT를 거쳐 시간축에서 앨리어싱(aliasing) 없이 채널의 임펄스 응답을 구하기 위해서는 반드시 채널의 응답 길이와 시간 동기 오차의 합이 M, 즉 이동국에게 할당된 부반송파의 수보다 작아야 한다.

만약, 이동국의 시간 동기 오차가 매우 크거나 채널의 응답 길이가 매우 길 어져서 IFFT를 거친 후의 채널의 임펄스 응답이 중첩되면 시간 동기를 추정할 수 없게 된다. 즉 상기한 바와 같은 시간 동기 추정기의 경우에 추정 가능한 시간 동기 오차의 범위가 매우 작은 값으로 제한되다. 이와 같은 시간 동기 추정기가 동작할 수 있는 조건과 추정 가능한 시간 동기 오차 범위는 수학식 3과 같다.

또한 상기한 시간 동기 추정기의 경우에 각 이동국에 등간격으로 부반송파를 할당하는 방식을 사용하지만 실제 이를 구현하기에는 다음과 제약이 있다. 대부분의 다중 반송파 시스템에서는 할당받은 대역 이외의 대역에 간섭을 최소화하기 위해서 보호 대역(Null subcarriers)을 두고 있다. 그런데 만약 등간격으로 부반송파를 할당할 수 없는 경우에 양쪽 끝단에서도 부반송파를 할당할 수 없으므로 채널 임펄스 응답을 얻기 위한 훈련심볼의 주기성은 깨지는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 OFDMA 상향 링크 시스템에서 초기 접속시에 다중 이동국의 시간 동기를 추정하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서 이동국들의 시간 동기를 추정하는 방법은 송신단에서 시간 동기를 추정하기 위한 훈련심볼의 전,후치 보호구간을 설정하고 상기 훈련심볼에 인접한 소정의 부반송파로 이루어진 부채널을 할당하는 과정과 수신단에서 상기 훈련심볼을 복원해서 복원된 신호에서 부반송파간의 위상 회전의 차이를 이용해서 시간오차를 추정하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OFDMA 상향 링크 시스템 송신단의 훈련심볼 생성기의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 4에 도시된 훈련심볼 생성기는 연속적인 부대역으로 부반송파를 할당한다. 동기를 추정하기 위한 p번째 이동국의 훈련심볼 C_p[n]은 수학식 4와 같이 표현된다.

여기서 C_P(k)는 송수신단이 서로 미리 알고 있는 훈련심볼을 나타내고,

와

는 각각 훈련심볼의 전치 보호구간과 후치 보호구간을 타나낸다. 각각의 이동국들로부터 서로 다른 시간 오차를 가진 신호를 수신하는 기지국은 상기 신호들이 시간 동기가 맞지 않더라도 다중 접속 간섭을 발생시키지 않도록 훈련심볼의 전, 후치 보호구간을 설정한다. 인접 부반송파간의 위상 회전 정보를 이용하기 위해서 p번째 이동국의 훈련심볼은 인접한 M_p개의 부반송파로 이루어진 부채 널

을 수학식 5와 같이 할당받는다.

여기서 K_p는 p번째 이동국의 부채널의 시작 위치를 지칭한다.

OFDMA 시스템에서 시간축에서의 시간 지연은 주파수축에서의 선형적인 위상 회전 형태로 나타난다. 만약 p번째 이동국에게 시간 오차

가 발생하였다면 FFT 연산 후 k번째 부반송파에 대한 훈련심볼의 복원신호는 수학식 6과 같다.

수학식 6에 따르면, 시간 오차에 의한 위상 회전 정도는 시간 오차와 부반송파 색인의 곱으로 표현된다. 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OFDMA 상향링크 시스템 수신단의 시간 동기 추정기 구성을 나타낸 블록도이다.

도 5에 도시된 시간 동기 추정기는 BLUE(Best Linear Unbiased Estimator) 원리에 기반한 시간 동기 추정기로써 상기 부반송파 간의 위상 회전의 차이를 이용해서 시간 오차를 추정한다. p번째 이동국의 m만큼 떨어진 부반송파간의 상관관계 을 나타내면 수학식 7과 같다.

이고

는 x의 공액값을 의미한다. 수학식 6을 수학식 7에 대입하면

은 수학식 8과 같다.

수학식 8에 따르면,

을 통해서 시간 오차에 의한 위상 회전 값

이 발생하고 추정 오차를 유발하는 초기 위상 회전 값

이 제거된다. 수학식 9에서 채널의 통계적 특성이 WSSUS(Wide Sense Stationary with Unconelated Scattering)일 때, M_p가 매우 크다면 수학식 12와 같이 표현할 수 있다.

여기서

이고

은 채널 지연 프로파일의

번째 성분을 나타낸다. 따라서 채널의 지연 프로파일에 대한 정보를 미리 알고 있다면

에 의해 추가적으로 발생하는 위상 회전에 관한 정보를 보상하게 된다.

계산한

의 위상을 이용하여 시간 오차를 계산하면 수학식 13과 같다.

여기서 Q는 추정기에 사용되는 부반송파간의 최대 거리를 정하는 설계 매개 변수이다. 수학식 8과 수학식 12를 수학식 13에 대입하면 부반송파간의 거리가 m일때 계산되는 시간 오차는 수학식 14와 같다.

BLUE 원리에 기반한 제안된 시간 동기 추정기는 수학식 14를 통해서 유도된다. 제안된 추정기는 수학식 15와 같이 유도된다.

여기서

는 가중치 벡터 w의 m번째 성분이고 w는 수학식 16과 같다.

제안된 추정기에 사용되는 가중치 벡터 w를 구하는 방법을 살펴보면, 수학식 16에서 covariance 행렬

의 각 원소는 수학식 17과 같다.

부반송파간의 거리가 m일때 계산되는 시간 오차는 수학식 14와 같이 간략화 되므로, 이를 수학식 17에 대입하면 covariance 행렬은 수학식 18과 같다.

은 모두 복소 가우시간 랜덤 변수의 중첩으로 이루어지기 때문에

은 서로 상관관계가 없어서 covariance 행렬은 수학식 19와 같다.

의 상호 상관관계(cross correlation)는 수학식 20과 같이 표현된다.

수학식 10을 수학식 20에 대입하면,

은 수학식 21과 같다.

또한

의 상호 상관관계(cross correlation),

은 수학식 22와 같다.

상기 수학식들을 정리하고 재배열한 이후에 covariance 행렬은 수학식 23과 같다.

다음으로 본 발명의 모의실험 결과를 도6 내지 도 10을 참조하여 상세히 설명한다. 모의실험 환경에서는 좀 더 현실적인 환경을 위해서 가상 부반송파가 사용되었다. 훈련심볼의 전, 후치 보호구간은 여러 이동국의 신호가 임의의 시간오차를 가지고 기지국에 수신될 때에도 다중 접속 간섭을 발생시키지 않기 위해서

으로 설정되었다. 표 1은 모의실험 환경을 나타낸 것이다.

전체 부반송파(N)	512
가상 부반송파(Nv)	96
전송 부반송파(Nm)	416
실제 이동국 수(P)	8
이동국 당 부반송파(MP)	52

도 6은 본 발명의 모의실험 결과에 따라 SNR에 따른 추정기의 평균 자승 오차를 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이 종래의 추정기에 비해 설계 매개 변수 Q가 증가함에 따라 평균 자승 오차가 작아짐을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 모의실험 결과에 따라 SNR 손실(loss)을 나타낸 그래프이다. 도 7에 따르면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 추정기는 SNR(Signal to Noise Ratio)이 증가함에도 불구하고 SNR 손실(loss)이 발생하지 않는다.

도 8은 본 발명의 모의실험 결과에 따라 최대 시간오차 범위에 따른 추정기의 SNR 손실(loss)을 나타낸 그래프이다. 도 8에 따르면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 추정기는 종래의 추정기보가 넓은 추정 범위를 가지고 있다. Q가 1인 경우에 모든 시간오차 범위를 추정할 수 있으며 Q가 2인 경우에는 전체 시간오차 범위의 절반 정도가 SNR 손실(loss) 없이 추정될 수 있다.

도 9는 본 발명의 모의실험 결과에 따라 주차수 선택적 특성에 따른 추정기의 SNR 손실(loss)을 나타낸 그래프이다. RMS(Root Mean Square) 경로 지연(path delay) 요소 L_RMS가 커질수록 채널의 주파수 선택적 특성은 더욱 커지게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 추정기는 주파수 선택적 특성이 강한 환경에서도 영향을 받지 않고 시간 오차를 추정한다. 이는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 추정기가 인접한 부반송파끼리의 정보만을 이용하기 때문이다.

도 10은 설계 매개 변수 Q와 SNR에 따른 가중치 값을 나타낸 그래프이다. 도 10에 따르면, Q가 2일 경우에 부반송파 간의 거리가 증가함에 따라 가중치가 더 커지는 것을 확인할 수 있다. 이는 부반송파간의 거리가 m일때 계산되는 시간오차는 수학식 14와 같이

으로 정규화 되기 때문이다. 부반송파 간의 거리가 작을 경우에 채널간의 상관관계가 크기 때문에 추정되는 시간 오차의 분산은 m이 커짐에 따라 1/m²의 비율로 줄어들게 된다. 따라서 부반송파 간의 거리가 증가할수록 더 큰 가중치 값을 얻게 된다. SNR이 증가함에 따라 부반송파 간의 거리가 증가할 경우에 대한 신뢰성이 더욱 뚜렷해져서 가중치 값이 커지게 된다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 설계 매개 변수 Q를 설정함으로써 종래 의 시간 동기 추정기보다 넓은 시간 오차 추정 범위를 가지는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간동기 추정기는 인접한 부반송파간의 정보를 이용함으로써 주파수 선택적인 채널에서도 OFDMA 시스템의 성능 저하를 발생하지 않는 효과가 있다.

Claims (4)

1. OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서 이동국들의 시간 동기를 추정하는 방법에 있어서,

   송신단에서 시간 동기를 추정하기 위한 훈련심볼의 전,후치 보호구간을 설정하고 상기 훈련심볼에 인접한 소정의 부반송파로 이루어진 부채널을 할당하는 과정; 및

   수신단에서 상기 훈련심볼을 복원해서 복원된 신호에서 부반송파간의 위상 회전의 차이를 이용해서 시간오차를 추정하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 추정된 시간오차를 통해서 상기 수신단의 시간동기 추정기에서 사용되는 가중치를 구하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 부반송파간의 최대 거리는 미리 설정된 설계 변수의 값보다 작음을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   BLUE(Best Linear Unbiased Estimator) 원리를 이용해서 상기 시간오차를 추정함을 특징으로 하는 방법.

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