KR20070019088A - Apparatus and method estimating of channel time delay in broadband wireless communication system - Google Patents
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Abstract
광대역 무선 통신시스템에서 채널을 추정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 수신된 신호를 고속 푸리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)하는 FFT연산기와, 상기 고속 푸리에 변환된 신호에서 프리앰블을 역 고속 푸리에 변환(IFFT : Inverse Fast Fourier Transform)하여, RMS(Root Mean Square) 시간지연 확산을 추정하는 시간지연 추정기와, 상기 시간지연 확산 추정치를 미리 정해진 기준값과 비교하여 채널 환경에 맞는 워너(Wiener) 계수를 선택하여 채널을 추정하는 채널 추정기와, 상기 고속 푸리에 변환된 신호를 상기 채널 추정값으로 보상하는 등화기를 포함하여, 상기 정확한 시간지연 확산을 추정하고, 채널 적응적으로 워너 계수 집합을 선택하므로 채널 추정하므로 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.An apparatus and method for estimating a channel in a broadband wireless communication system, comprising: an FFT operator for performing fast Fourier transform (FFT) on a received signal, and an inverse fast Fourier transform for preamble in the fast Fourier transformed signal; IFFT: Inverse Fast Fourier Transform (EFT), a time delay estimator for estimating root mean square (RMS) time delay spread, and comparing the time delay spread estimate with a predetermined reference value to select a Warner coefficient for a channel environment. A channel estimator including a channel estimator for estimating a channel and an equalizer for compensating the fast Fourier transformed signal with the channel estimate, and estimating the accurate time delay spread and channel adaptively selecting a set of warner coefficients to estimate the channel. There is an advantage to improve performance.
시간지연 추정, 채널 추정, 워너 필터(Wiener filter), 다중경로 페이딩 Time Delay Estimation, Channel Estimation, Wiener Filter, Multipath Fading
Description
도 1은 본 발명에 따른 OFDM 기반의 무선 통신시스템에서 수신기의 블록구성을 도시하는 도면,1 is a block diagram of a receiver in an OFDM-based wireless communication system according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 OFDM 기반의 무선 통신시스템에서 시간지연 및 채널 추정기의 블록 구성을 도시하는 도면,2 is a block diagram of a time delay and channel estimator in an OFDM based wireless communication system according to the present invention;
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 기반의 무선 통신시스템에서 시간 지연을 추정하기 위한 절차를 도시하는 도면,3 is a diagram illustrating a procedure for estimating time delay in an OFDM-based wireless communication system according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 채널별 시간지연 프로파일(Profile)을 나타내는 그래프,4 is a graph illustrating a time delay profile for each channel according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 시간지연 추정 방식을 적용하였을 경우의 채널별 PDF와 시간지연 추정 오류 확률 및 수신기 운영특징을 나타내는 그래프, 및5 is a graph showing PDF and time delay estimation error probability and receiver operating characteristics for each channel when the time delay estimation method according to the present invention is applied, and
도 6은 본 발명에 따른 시간지연 추정 방식을 적용하여 채널추정을 수행하였을 경우 얻어지는 비트오율을 채널 신호대 잡음비의 함수로 나타낸 그래프. 6 is a graph showing the bit error rate obtained when the channel estimation is performed by applying the time delay estimation method according to the present invention as a function of the channel signal to noise ratio.
본 발명은 광대역 무선통신 시스템에서 채널 시간지연을 추정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : 이하, OFDM라 칭함) 방식을 사용하는 광대역 무선 통신시스템에서 프리앰블 또는 파일럿 정보를 이용하여 다중경로 페이딩 환경의 시간지연 확산을 추정하여 채널 추정 성능을 향상시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating channel time delay in a broadband wireless communication system, and more particularly, to a preamble or a preamble in a broadband wireless communication system using Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). An apparatus and method for estimating time delay spread in a multipath fading environment using pilot information to improve channel estimation performance.
각종 유무선 통신 시스템에서는 전송되는 페이로드(Payload) 데이터 이외에 전송 채널의 상태를 추정하기 위해 파일럿(Pilot) 심볼이라 칭하는 특정한 형태의 심볼을 부가적으로 전송된다. 상기 파일럿 심볼은 전송 데이터의 중간에 삽입되며, 송수신단에서 상기 파일럿 심볼 값을 서로 알고 있기 때문에 전송 채널 추정에 사용된다. In various wired and wireless communication systems, a specific type of symbol called a pilot symbol is additionally transmitted to estimate a state of a transmission channel in addition to payload data transmitted. The pilot symbol is inserted in the middle of the transmission data, and is used for transmission channel estimation because the pilot symbol values are known to each other.
또한, 상기 파일럿 심볼은 배치 방법에 따라 다양한 형태로 설계되는데, 특히, 상기 OFDM 시스템의 하향링크 프레임에서 첫 OFDM 심볼 전체가 상기 파일럿으로 배치된 형태를 갖으며, 상기 배치된 형태를 프리앰블이라 칭한다.In addition, the pilot symbol is designed in various forms according to the arrangement method, in particular, the first OFDM symbol in the downlink frame of the OFDM system has the form arranged as the pilot, the arrangement is called a preamble.
상기 프리앰블은 수신기에서 채널 추정시 파일럿과 함께 채널 정보를 제공하는 역할을 수행하며, 송수신기간의 시간 및 주파수 동기를 맞추거나 주파수 오프셋 보정 등 여러가지 기능을 갖는다.The preamble plays a role of providing channel information together with a pilot when estimating a channel in a receiver, and has various functions such as time and frequency synchronization of a transmission / reception period or frequency offset correction.
상기 수신기에서 채널 추정을 수행할 때에는 다중 경로 페이딩 환경에 관한 채널정보를 필요로 하며, 이를 위해 시간지연 추정이 먼저 이루어져야 한다. 종래기술에 따른 시간지연 추정 기법에는 순환 접두(Cyclic Prefix : 이하, CP라 칭함)를 활용하여 시간 영역에서 상기 CP의 상관 특성을 이용하는 방법과, 주파수 영역에서 상관 특성을 이용하는 방법이 존재한다. 여기서, 상기 CP는 상기 OFDM 전송 방식의 특징 중 하나로, 무선채널의 다중경로 페이딩 현상 때문에 발생하는 자기신호에 의한 잡음(Inter Symbol Interference : 이하 ISI라고 칭함)을 제거하기 위해 시간 영역의 OFDM 심볼의 마지막 일정 비트들을 복사하여 유효 OFDM심볼의 앞에 삽입하여 전송하는 보호구간이다.When performing channel estimation in the receiver, channel information on a multipath fading environment is required, and for this, time delay estimation should be performed first. In the time delay estimation technique according to the prior art, there is a method of using the correlation characteristic of the CP in the time domain by using a cyclic prefix (hereinafter, referred to as CP) and a method of using the correlation characteristic in the frequency domain. In this case, the CP is one of the characteristics of the OFDM transmission scheme. In order to remove noise due to a magnetic signal (Inter Symbol Interference: hereinafter referred to as ISI) caused by a multipath fading phenomenon of a wireless channel, the last of the OFDM symbols in the time domain is removed. This is a guard interval in which certain bits are copied and inserted before the effective OFDM symbol.
실제 채널 환경의 시간지연 프로파일(Profile)은 연속적인 분포를 가지므로 상기 수신기는 RMS(Root Mean Square) 시간지연 확산을 계산하여 채널 환경의 시간 지연을 추정한다. 하지만, 상기 RMS 시간지연 확산 추정을 이용할 경우, 상기 RMS 시간지연 확산이 부정확하게 추정될 경우, 상기 시간지연 확산을 이용하는 채널 추정의 성능 열화가 발생하는 문제점이 있다.Since a time delay profile of a real channel environment has a continuous distribution, the receiver calculates a root mean square (RMS) time delay spread to estimate a time delay of a channel environment. However, when the RMS time delay spread estimation is used, if the RMS time delay spread is incorrectly estimated, performance degradation of the channel estimation using the time delay spread occurs.
따라서, 본 발명의 목적은 OFDM 기반의 무선 통신시스템에서 채널 환경에 따라 적응적으로 채널을 추정하여 상기 채널 추정 성능을 향상시키기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an apparatus and method for improving channel estimation performance by adaptively estimating a channel according to a channel environment in an OFDM-based wireless communication system.
본 발명의 다른 목적은 OFDM 기반의 무선 통신시스템에서 프리앰블을 역 푸리에 변환하여 추정된 시간지연 확산을 이용하여 채널 환경에 맞는 워너 계수를 선 택하여 상기 채널 추정 성능을 향상시키기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for improving the channel estimation performance by selecting a Warner coefficient for a channel environment using an estimated time delay spread by inverse Fourier transforming a preamble in an OFDM-based wireless communication system. Is in.
본 발명의 또 다른 목적은 OFDM 기반의 무선 통신시스템에서 프리앰블을 이용하여 정확한 시간 지연 확산을 추정하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for estimating accurate time delay spread using a preamble in an OFDM-based wireless communication system.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1견지에 따르면, 광대역 무선 통신시스템에서 채널을 추정하기 위한 장치는, 수신된 신호를 고속 푸리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)하는 FFT연산기와, 상기 고속 푸리에 변환된 신호에서 프리앰블을 역 고속 푸리에 변환(IFFT : Inverse Fast Fourier Transform)하여, RMS(Root Mean Square) 시간지연 확산을 추정하는 시간지연 추정기와, 상기 시간지연 확산 추정치를 미리 정해진 기준값과 비교하여 채널 환경에 맞는 워너(Wiener) 계수를 선택하여 채널을 추정하는 채널 추정기와, 상기 고속 푸리에 변환된 신호를 상기 채널 추정값으로 보상하는 등화기를 포함하는 것을 특징으로 한다.In accordance with a first aspect of the present invention for achieving the above objects, an apparatus for estimating a channel in a broadband wireless communication system includes an FFT operator for performing Fast Fourier Transform (FFT) on a received signal, and the fast Fourier transform. A time delay estimator that estimates a root mean square (RMS) time delay spread by performing an inverse fast fourier transform (IFFT) on the converted signal, and compares the time delay spread estimate with a predetermined reference value And a channel estimator for estimating a channel by selecting a Warner coefficient suitable for an environment, and an equalizer for compensating the fast Fourier transformed signal with the channel estimate.
본 발명의 제 2견지에 따르면, 광대역 무선 통신시스템에서 채널을 추정하기 위한 장치는, 상기 수신신호에서 프리앰블을 역 고속 푸리에 변환(IFFT : Inverse Fast Fourier Transform)하여, RMS(Root Mean Square) 시간지연 확산을 추정하는 시간지연 추정기와, 상기 시간지연 확산 추정치를 미리 정해진 기준값과 비교하여 채널 환경에 맞는 워너(Wiener) 계수를 선택하는 계수 선택기와, 상기 선택된 워너 계수를 이용하여 채널을 추정하는 채널 추정기를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a second aspect of the present invention, an apparatus for estimating a channel in a broadband wireless communication system includes an inverse fast fourier transform (IFFT) on a received signal, thereby causing root mean square (RMS) time delay. A time delay estimator for estimating a spread, a coefficient selector for selecting a Warner coefficient for a channel environment by comparing the time delay spread estimate with a predetermined reference value, and a channel estimator for estimating a channel using the selected Warner coefficient Characterized in that it comprises a.
본 발명의 제 3견지에 따르면, 광대역 무선 통신시스템에서 채널을 추정하기 위한 방법은, 수신되는 프레임의 프리앰블을 이용하여 역고속 푸리에 변환(IFFT : Inverse Fast Fourier Transform)한 후, RMS(Root Mean Square) 시간지연 확산을 추정하는 과정과, 상기 시간지연 확산 추정치를 미리 정해진 기준값을 비교하여 채널 추정에 사용되는 계수를 선택하는 과정과, 상기 선택된 계수를 이용하여 채널을 추정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a third aspect of the present invention, a method for estimating a channel in a broadband wireless communication system includes an inverse fast fourier transform (IFFT) using a preamble of a received frame and then root mean square (RMS). Estimating a time delay spread, comparing the time delay spread estimate with a predetermined reference value, selecting a coefficient used for channel estimation, and estimating a channel using the selected coefficient. It is done.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단 된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
이하 본 발명은 직교주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : 이하, OFDM이라 칭함)기반의 무선 통신시스템에서 채널 환경에 맞게 효율적으로 채널을 추정하기 위한 기술에 대해 설명한다. 이하 설명은 워너 필터링(Wiener filtering)을 이용하여 채널을 추정하는 것을 예를 들어 설명한다. 즉, 프리앰블을 이용하여 다중경로 페이딩 환경의 시간지연 확산을 추정한 후, 상기 시간지연 확산 추정치에 따라 채널 환경에 맞는 워너(Wiener) 계수를 선택하여 채널을 추정하는 것을 예를 들어 설명한다.Hereinafter, a description will be given of a technique for efficiently estimating a channel according to a channel environment in an orthogonal frequency division multiplexing (hereinafter referred to as OFDM) based wireless communication system. In the following description, an example of estimating a channel by using Wiener filtering is described. That is, an example of estimating a time delay spread of a multipath fading environment using a preamble and then estimating a channel by selecting a Warner coefficient suitable for the channel environment according to the time delay spread estimate is described.
도 1은 본 발명에 따른 OFDM 기반의 무선 통신시스템에서 수신기의 블록구성을 도시하고 있다.1 is a block diagram of a receiver in an OFDM based wireless communication system according to the present invention.
상기 도 1에 도시된 바와 같이 수신기는 RF처리기(101), CP(Cyclic Prefix)제거기(103), 직/병렬 변환기(105), FFT(Fast Fourier Transform)연산기(107), 시 간지연 및 채널 추정기(109), 등화기(Equalizer)(111), 병/직렬 변환기(113), 복조기(Demodulator)(115), 및 복호기(Decoder)(117)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, the receiver includes an
먼저, RF처리기(101)는 수신된 고주파 대역의 신호를 기저대역으로 변환하고, 상기 기저대역 아날로그 신호를 시간 샘플 데이터로 변환하여 출력한다. CP제거기(103)는 상기 RF처리기(101)로부터 제공되는 샘플 데이터에서 보호구간(CP)을 제거하여 OFDM심볼의 유효 데이터를 출력한다. 직/병렬 변환기(105)는 상기 CP제거기(103)로부터 제공되는 직렬 데이터를 FFT연산기(107)의 입력을 위한 병렬 데이터로 변환하여 출력한다. FFT연산기(107)는 상기 직/병렬 변환기(105)로부터 제공되는 병렬 데이터를 고속 푸리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역의 데이터를 출력한다. First, the
시간지연 및 채널 추정기(109)는 상기 FFT연산기(107)에서 푸리에 변환한 신호를 제공받아 상기 제공받은 신호 중 프리앰블을 이용하여 RMS(Root Mean Square)시간지연 확산을 추정한 후, 상기 RMS 시간지연 확산 추정치에 따라 워너 계수를 선택하여 채널을 추정한다.The time delay and
등화기(111)는 상기 시간지연 및 채널 추정기(109)의 채널 추정값을 이용하여 상기 FFT연산기(107)에서 출력되는 데이터를 보상하여 출력한다. 병/직렬 변환기(113)는 상기 등화기(111)로부터 제공되는 병렬 데이터를 직렬 데이터로 변환하여 출력한다. 복조기(115)는 상기 병/직렬 변환기(113)로부터 제공되는 데이터를 해당 복조 방식으로 복조하여 출력한다. 복호기(117)는 상기 복조기(115)로부터 제공되는 데이터를 해당 부호율로 채널복호화(channel decoding)하여 정보 데이터를 복원한다. The
도 2는 본 발명에 따른 OFDM 기반의 무선통신 시스템에서 시간지연 및 채널 추정기의 블록 구성을 도시하고 있다.2 illustrates a block configuration of a time delay and a channel estimator in an OFDM based wireless communication system according to the present invention.
상기 도 2를 참조하면, 상기 시간지연 및 채널 추정기(109)는 LS(Least Square) 채널 추정기(201), IFFT연산기(203), 시간지연 추정기(205), 워너 계수 선택기(207), 및 채널 추정기(209)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 2, the time delay and
먼저, LS 채널 추정기(201)는 상기 FFT연산기(127)에서 푸리에 변환된 신호 중 프리앰블을 제공받아 LS 채널 추정한다. 여기서, 상기 LS 채널 추정은 하기 <수학식 1>을 이용하여 추정한다.First, the
하기 수학식 1은 프리앰블을 이용하여 LS 채널을 추정하기 위한 수식이다.
여기서, Y(k)은 x(k)H(k)+I(k)+W(k)로 k번째 수신된 신호를 나타내고, I(k)는 수신신호의 ICI(Inter Carrier Interference)를 나타내며, W(k)는 상기 수신신호의 백색 가우시안 잡음(Additive White Gaussian Noise)을 나타낸다. 또한, c는 프리앰블을 나타낸다.Here, Y (k) represents the kth received signal as x (k) H (k) + I (k) + W (k), and I (k) represents ICI (Inter Carrier Interference) of the received signal. , W (k) represents Additive White Gaussian Noise of the received signal. In addition, c represents a preamble.
IFFT연산기(203)는 상기 LS 채널 추정기(201)에서 상기 <수학식 1>을 이용하여 LS 추정된 프리앰블을 역 고속 푸리에 변환하여 도 4에 도시된 바와 같이 시간지연 프로파일을 추출한다. 상기 도 4에 도시된 바와 같이 상기 프리앰블을 LS 추 정한 후, 역 고속 푸리에 변환하는 것만으로도 실제 시간지연 프로파일과 유사한 정보를 추출해 낼 수 있다.The IFFT
시간지연 추정기(205)는 상기 IFFT연산기(203)에서 추출한 시간지연 프로파일을 이용하여 하기 <수학식 2>를 이용하여 RMS(Root Mean Square) 시간지연 확산을 추정한다. 여기서, 상기 시간지연 추정기(205)는 상기 추출한 프로파일에서 낮은 전력을 갖는 프로파일에 포함된 잡음의 영향을 감소시키기 위해 일정 개수의 샘플만 활용할 수 있다.The
하기 수학식 2는 RMS 시간지연 확산을 추정하기 위한 수식이다.
여기서, τ는 시간지연 인덱스를 나타내고, ΨDe(τ)는 상기 시간지연 인덱스 τ에 해당하는 샘플의 전력을 나타낸다.Where τ represents a time delay index and Ψ De (τ) represents the power of a sample corresponding to the time delay index τ.
상기 <수학식 2>를 이용하여 추정된 RMS 시간지연 확산을 k개의 프레임을 사용하여 평균값을 하기 <수학식 3>을 이용하여 산출한다. 여기서, 상기 k개의 프레임의 평균 RMS 시간지연 확산을 구하는 것은, 시간지연 추정오류 확률을 줄이기 위해 상기 시스템이 허용하는 개수(k)의 프레임들의 평균 RMS 시간지연 확산을 추정한다.The RMS time delay spread estimated using
하기 수학식 3은 k개의 프레임의 RMS 시간지연 확산의 평균을 산출하는 수식이다.
여기서, τ^ RMS 는 k개의 프레임들의 평균 RMS 시간지연 확산 추정치를 나타내고, τRMS(m)는 m번째 프레임의 추정 RMS 시간지연 확산을 나타낸다. Where τ ^ RMS Denotes an average RMS time delay spread estimate of k frames, and τ RMS (m) denotes an estimated RMS time delay spread of an m th frame.
워너 계수 선택기(207)는 상기 시간지연 추정기(205)에서 추정된 RMS 시간지연 확산 추정치(τ^ RMS )와 문턱값(Γ)을 비교한다. 상기 τ^ RMS 가 문턱값보다 작을 경우( τ^ RMS < Γ), 상기 워너 계수 집합 A를 선택한다. 반면에 상기 τ^ RMS 가 문턱값보다 크거나 같을 경우( τ^ RMS ≥ Γ ), 상기 워너 계수 집합 B를 선택한다. 여기서, 상기 문턱값은, 실험을 통해 각 채널들이 계수 A와 계수 B를 사용할 경우 각 채널들이 최소의 시간지연 추정 오류 확률을 갖는 지점(예 : 도 5의 501, 503)을 문턱값으로 결정한다.Warner coefficient
채널 추정기(209)는 상기 워너 계수 선택기(207)에서 선택된 워너 계수와 수신신호의 파일럿 심볼을 이용하여 워너 필터링하여 채널을 추정한다. 여기서, 상기 워너 필터링은 주파수축과 심볼축으로 분산된 파일럿 심볼을 사용하여 MMSE(Minimum Mean Squared Error)보간법에 의해 채널을 추정한다. 상기 채널 추정값은 하기 <수학식 4>와 같이 상기 파일럿 심볼을 이용한 채널 추정값들의 선형 조합으로 나타낸다.The
하기 수학식 4는 파일럿 심볼을 이용한 채널추정 값들의 선형 조합을 나타낸다.
여기서, Wi (n,k)는 워너 계수 즉, 각 파일럿 부반송파의 채널 정보에 대한 가중치를 나타내고, n은 부반송파 인덱스를 나타내며, k는 심볼시간 인덱스를 나타낸다. 또한, Pi는 파일럿 심볼 위치에서의 채널 추정값을 의미하며, i는 채널 추정에 사용되는 파일럿 심볼의 인덱스를 나타내고, P는 채널 추정에 사용되는 파일럿 심볼(부반송파)의 개수를 나타낸다. Here, W i (n, k) represents a Warner coefficient, that is, a weight for channel information of each pilot subcarrier, n represents a subcarrier index, and k represents a symbol time index. In addition, P i denotes a channel estimate value at a pilot symbol position, i denotes an index of a pilot symbol used for channel estimation, and P denotes the number of pilot symbols (subcarriers) used for channel estimation.
상기 워너 계수들의 벡터(W(n,k)=[W1 (n,k), W2 (n,k), W3 (n,k), …, Wp (n,k)]T)는 하기 수학식 5를 이용하여 산출한다.The vector of Warner coefficients (W (n, k) = [W 1 (n, k) , W 2 (n, k) , W 3 (n, k) , ..., W p (n, k) ] T ) Is calculated using
여기서, R은 파일럿 부반송파 위치의 파일럿 부반송파간 자기상관 행렬이고, d(n, k)는 채널추정 위치와 채널 추정에 사용되는 파일럿 부반송파의 위치간의 상호 상관 벡터이다. 즉, 상기 <수학식 5>에서 R과 d(n, k)의 값은 파일럿 부반송파의 위치에 따른 시간축, 주파수축의 채널 변화율을 반영하게 한다. 또한, 도플러 효과에 의해 시간적인 변화를 반영하는 fd ,max와 시간지연확산에 의한 주파수 선택적 변화를 반영하는 파라미터인 τmax의 두 가지 채널 변화율 파라미터를 반영하게 된다.Here, R is a pilot intercarrier autocorrelation matrix of pilot subcarrier positions, and d (n, k) is a cross-correlation vector between the channel estimation position and the position of pilot subcarriers used for channel estimation. That is, in
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 시간 지연을 추정하기 위한 절차를 도시하고 있다. 이하 설명에서 시간지연 추정에 사용되는 총 프레임의 개수를 k로 가정하고, 시간축 샘플 인덱스의 한계는 50으로 가정한다. 또한 현재 사용되는 프레임의 인덱스 m과 시간축 샘플 인덱스 index는 초기값을 0으로 가정한다.3 illustrates a procedure for estimating a time delay according to an embodiment of the present invention. In the following description, it is assumed that the total number of frames used for the time delay estimation is k, and the limit of the time base sample index is 50. In addition, the index m of the currently used frame and the time base sample index index assume an initial value of zero.
상기 도 3을 참조하면, 먼저, 수신기는 301단계에서 프레임이 수신되면, 상기 수신된 프레임에 인덱스를 부여한다. 예를 들어, 상기 수신된 프레임이 처음 수신된 프레임이면, 상기 프레임의 인덱스(m)를 0으로 부여한다.Referring to FIG. 3, first, when a frame is received in
상기 프레임이 수신되면, 상기 수신기는 303단계로 진행하여 상기 수신된 프레임의 인덱스 m과 프레임의 총 사용 개수 k를 비교한다. When the frame is received, the receiver proceeds to step 303 to compare the index m of the received frame with the total number k of frames used.
만일, 상기 수신 프레임의 인덱스가 상기 프레임의 총 사용 개수보다 작으면(m < k), 상기 수신기는 305단계로 진행하여 상기 수신 프레임의 프리앰블을 이용하여 LS 채널 추정을 수행한다. 즉, 상기 FFT연산기(127)에서 푸리에 변환된 프리앰블을 상기 <수학식 1>에 적용하여 LS 채널 추정한다.If the index of the received frame is smaller than the total number of uses of the frame (m <k), the receiver proceeds to step 305 to perform LS channel estimation using the preamble of the received frame. That is, the FFT operator 127 estimates the LS channel by applying a Fourier transform preamble to
이후, 상기 수신기는 307단계로 진행하여 상기 LS추정된 프리앰블을 고속 푸리에 변환하여 상기 도 4와 같이 시간지연 프로파일을 추출한다.In
상기 시간지연 프로파일 추출한 후, 상기 수신기는 309단계로 진행하여 RMS(Root Mean Square) 시간 지연 확산을 추정할 시간축 샘플 인덱스(index)가 상기 시간축 샘플 인덱스의 한계(50)를 넘는지 확인한다. 상기 index가 상기 시간축 샘플 인덱스의 한계(50)를 넘으면(index ≥ 50), 상기 수신기는 315단계로 진행하여 상기 m을 한단계 증가시킨 후, 상기 301단계로 되돌아간다. 즉, 다음 프레임을 수신하여 상기 절차들을 반복 수행한다. 여기서, 상기 시간축 샘플 인덱스의 한계를 사용하는 것은, 상기 시간축 샘플 인덱스들 중 신호의 크기가 작은 샘플에 포함된 잡음의 영향을 줄이기 위해 실험을 통해 시간지연 확산 추정에 사용된 샘플의 개수가 결정된다.After extracting the time delay profile, the receiver proceeds to step 309 and checks whether a time axis sample index for estimating root mean square (RMS) time delay spread exceeds a
만일, 상기 index가 상기 시간축 샘플 인덱스의 한계(50)를 넘지 않으면(indexx < 50), 상기 수신기는 311단계로 진행하여 상기 index에 해당하는 시간축 샘플을 상기 <수학식 2>에 적용하여 RMS 시간지연 확산을 추정한다. If the index does not exceed the
이후, 상기 수신기는 313단계로 진행하여 상기 index를 한단계 증가시킨 후, 상기 309단계로 진행한다. 즉, 상기 RMS 시간지연 확산을 추정한 시간축 샘플의 다음 시간축 샘플의 RMS 시간지연 확산을 추정하기 위해 상기 309단계로 되돌아간다.Thereafter, the receiver proceeds to step 313 to increase the index by one step and then proceeds to step 309. That is, the process returns to step 309 to estimate the RMS time delay spread of the next timebase sample of the timebase sample from which the RMS time delay spread is estimated.
한편, 상기 프레임의 인덱스(m)가 상기 프레임의 총 사용 개수보다 크거나 같으면(m ≥ k), 상기 수신기는 317단계로 진행하여 상기 RMS 시간지연 확산 추정치와 문턱값을 비교하여 채널환경에 맞는 워너 계수를 선택한다. 예를 들어, 상기 k개의 프레임의 평균 시간지연 확산 추정치가 상기 문턱값보다 작으면, 상기 워너 계수 A를 선택하고, 만일, 상기 시간지연 확산 추정치가 상기 문턱값보다 크거나 같으면, 상기 워너 계수B를 선택한다.On the other hand, if the index (m) of the frame is greater than or equal to the total number of uses of the frame (m ≥ k), the receiver proceeds to step 317 to compare the RMS time delay spread estimate and a threshold to fit the channel environment. Select Warner Coefficient. For example, if the mean time delay spread estimate of the k frames is smaller than the threshold, the warner coefficient A is selected. If the time delay spread estimate is greater than or equal to the threshold, the warner coefficient B Select.
이후, 상기 수신기는 319단계로 진행하여 상기 선택된 워너 계수를 상기 <수학식 4>에 적용하여 워너 필터링을 수행하여 채널을 추정한다. 이후, 상기 수신기는 본 알고리즘을 종료한다.In
상술한 바와 같이 채널 추정 성능을 향상시키기 위해 상기 프리앰블을 역 고속 푸리에 변환하여 RMS 시간지연 확산을 추정한 후, 상기 시간지연 확산 추정치를 이용하여 워너 계수를 선택한다. 이후, 상기 선택된 워너 계수를 이용한 워너 필터링을 수행하여 채널을 추정한다. As described above, in order to improve the channel estimation performance, the preamble is inverse fast Fourier transformed to estimate the RMS time delay spread, and then a Warner coefficient is selected using the time delay spread estimate. Then, the channel is estimated by performing the warner filtering using the selected warner coefficient.
이와 같이 채널 추정 성능을 향상시키는 방법을 하기 표 1과 같은 특징을 갖는 Ped-A, Ped-B, Veh-A, 및 SUI-5의 채널을 예를 들어 설명한다.A method of improving channel estimation performance as described above will be described by taking the channels of Ped-A, Ped-B, Veh-A, and SUI-5 having the characteristics shown in Table 1 below.
하기 표 1은 ODMA에 사용되는 채널들의 특징을 나타낸다.Table 1 below shows the characteristics of the channels used for ODMA.
상기 표 1에 나타난 바와 같은 상관지연(Relative delay)과 평균 전력(Average power)의 특징을 갖는 각 채널들( Ped-A/B, Veh-A, SUI-5)은 하기 표 2와 같이 시간지연 확산 추정치를 이용하여 상기 채널들의 환경에 맞는 워너 계수를 선택해야 채널 추정 성능이 좋아진다.Each channel (Ped-A / B, Veh-A, SUI-5) having the characteristics of relative delay and average power as shown in Table 1 has a time delay as shown in Table 2 below. The channel estimation performance is improved by selecting a Warner coefficient suitable for the environment of the channels using the spread estimation.
하기 표 2는 시간지연 파라미터와 워너 계수 집합의 변화에 따른 채널 추정성능을 나타낸다.Table 2 below shows the channel estimation performance according to the change of the time delay parameter and the Warner coefficient set.
계수 A : [fd ,max, τmax] =[128Hz, 2μs]Coefficient A: [f d , max , τ max ] = [128Hz, 2μs]
계수 B : [fd ,max, τmax] =[130Hz, 12μs]Coefficient B: [f d , max , τ max ] = [130Hz, 12μs]
상기 표 2에 나타난 바와 같이, Ped-A/B, Veh-A 환경은 RMS 시간지연 확산이 1μs미만으로, SUI-5 환경의 RMS 시간지연 확산과 큰 차이를 갖는다. 또한, 상기 Ped-A/B, Veh-A는 상기 워너 계수 A를 사용하고, 상기 SUI-5는 상기 워너 계수 B를 사용할 경우, 채널 추정 성능이 더 좋게 나타난다. 특히, 상기 SUI-5 환경에서는 계수 A와 계수 B의 선택에 따라 BER(Bit Error Rate) 성능 차이가 크므로 적절한 문턱값을 사용하여 시간 지연 추정오류확률이 최소화 되도록 상기 계수를 선택하여야 한다.As shown in Table 2, the Ped-A / B, Veh-A environment has a RMS time delay spread of less than 1 μs, which is significantly different from the RMS time delay spread of the SUI-5 environment. In addition, when Ped-A / B and Veh-A use the Warner Coefficient A and SUI-5 uses the Warner Coefficient B, the channel estimation performance is better. In particular, since the difference in bit error rate (BER) performance is large according to the selection of coefficients A and B in the SUI-5 environment, the coefficients should be selected to minimize the time delay estimation error probability using an appropriate threshold value.
도 5는 본 발명에 따른 시간지연 추정 방식을 적용하였을 경우의 채널별 PDF와 시간지연 추정 오류 확률 및 수신기 운영특징을 나타내는 그래프이다. 이하 설명에서 도 5a와 도 5b는 채널별 PDF와 시간지연 추정 오류확률(Decision Error Probability)을 나타내고, 도 5c는 사용되는 프레임의 수에 따른 ROC(Receiver Operating Characteristic)를 나타낸다.FIG. 5 is a graph illustrating a PDF for each channel, a time delay estimation error probability, and a receiver operating characteristic when the time delay estimation method according to the present invention is applied. In the following description, FIGS. 5A and 5B show a channel-specific PDF and a time delay estimation error probability, and FIG. 5C shows a receiver operating characteristic (ROC) according to the number of frames used.
또한 상기 도 5a와 도 5b의 좌측 그래프(a-1, b-1)의 가로축은 RMS 지연 확산을 나타내고, 세로축은 PDF를 나타낸다. 우측 그래프(a-2, b-2)는 가로축은 기준 RMS 지연 확산(문턱값)을 나타내고, 세로축은 시간지연 추정 오류 확률을 나타낸다. 5A and 5B, the horizontal axis represents RMS delay spread, and the vertical axis represents PDF. The graphs on the right (a-2, b-2) show the reference RMS delay spread (threshold), and the vertical axis shows the time delay estimation error probability.
상기 도 5a와 도 5b를 참조하면, 상기 도 5a는 신호대 잡음비가 10dB이고, 상기 도 5b는 신호대 잡음비가 -3.5dB를 나타낸다.5A and 5B, FIG. 5A shows a signal-to-noise ratio of 10 dB, and FIG. 5B shows a signal-to-noise ratio of -3.5 dB.
즉, 상기 도 5a와 도 5b는 신호대 잡음비가 다른 채널 환경에서 상기 도 5a-1와 도 5b-1은 20개 프레임(k=20)을 사용하여 산출한 RMS 시간지연 확산 추정치의 PDF를 도시하고, 상기 도 5a-2와 도 5b-2는 상기 Ped-A/B, Veh-A 채널은 계수 A를 사용하고, 상기 SUI-5 채널은 계수 B를 사용할 경우, 문턱값의 변화에 따른 각 채널의 PDF가 상기 문턱값을 벗어나는 면적을 계산한 시간지연추정 오류확률을 도시한다. 즉, 상기 도 5a-2와 도 5b-2에 도시된 바와 같이 실험을 통해 각 채널들의 환경에 맞는 계수를 사용하는 경우, 각 채널들의 시간 지연 추정 오류 확률이 가장 적은 지점(501, 503)을 문턱값으로 결정한다.5A and 5B illustrate PDFs of RMS time delay spread estimates calculated using 20 frames (k = 20) in channel environments having different signal-to-noise ratios. 5A-2 and 5B-2, when the Ped-A / B and Veh-A channels use the coefficient A and the SUI-5 channel uses the coefficient B, each channel according to the change of the threshold value is shown. PDF shows the probability of error in the time delay estimation for calculating the area beyond the threshold. That is, as shown in FIGS. 5A-2 and 5B-2, when using coefficients suitable for the environment of each channel through experiments, points 501 and 503 having the least probability of error in time delay estimation of each channel are determined. Determined by the threshold.
상기 도 5c를 참조하면, 가로축은 계수 A를 사용하는 채널들의 에러 확률을 나타내고, 세로축은 계수 B를 사용하는 채널들의 에러 확률을 나타낸다.Referring to FIG. 5C, the horizontal axis represents error probabilities of channels using coefficient A, and the vertical axis represents error probabilities of channels using coefficient B. Referring to FIG.
도 5 c-1는 신호대 잡음비가 10dB이고, 도 5 c-2는 신호대 잡음비가 -3.5dB인 환경에서 프레임의 사용횟수가 많을수록 ROC의 변화를 도시하고 있다.5C-1 illustrates a change in ROC as the number of times of use of a frame increases in an environment in which a signal-to-noise ratio is 10 dB and the signal-to-noise ratio is -3.5 dB.
즉, 상기 도 5 c-1와 도 5 c-2에 도시된 바와 같이 프레임의 사용횟수가 많을수록 ROC 원점(503)을 향하게 된다. 즉, 시간지연 추정 오류확률이 감소되어, 신뢰성 있는 시간지연 추정 성능을 얻을 수 있다.That is, as shown in FIGS. 5C-1 and 5C-2, the number of times the frame is used increases toward the
도 6은 본 발명에 따른 시간지연 추정 방식을 적용하여 채널추정을 수행하였을 경우 얻어지는 비트오율을 채널 신호대 잡음비의 함수로 나타낸 그래프이다. 이하 설명은 문턱값을 상기 도 5a의 신호대 잡음비가 10dB인 환경에서 1.3μs로 가정하고, Veh-A 채널과 SUI-5 채널을 예를 들어 설명한다. 또한, 가로축은 채널 심볼당 신호대 잡음비를 나타내고, 세로축은 BER을 나타낸다.6 is a graph showing the bit error rate obtained when the channel estimation is performed by applying the time delay estimation method according to the present invention as a function of the channel signal to noise ratio. The following description assumes a threshold value of 1.3 μs in an environment in which the signal-to-noise ratio of FIG. 5A is 10 dB, and describes the Veh-A channel and the SUI-5 channel as an example. In addition, the horizontal axis represents the signal-to-noise ratio per channel symbol, and the vertical axis represents the BER.
상기 도 6을 참조하면, 도 6a는 상기 Veh-A 채널을 나타낸다. 상기 Veh-A 채널은 계수 A를 사용하였을 경우, 계수 B를 사용하였을 경우의 성능에 비해 좋다. 또한, 도 6b는 시간지연 추정 오류에 가장 민감함 채널힌 SUI-5 채널을 나타낸다. 상기 SUI-5 채널은 상기 계수 B를 사용하였을 경우, 상기 계수 A를 사용하였을 경우의 성능에 비해 좋기 때문에 상기 도 5에 도시된 바와 같이 적절한 문턱값을 사용하여 각 채널에 적합한 계수를 선택하는 것이 중요하다.Referring to FIG. 6, FIG. 6A shows the Veh-A channel. The Veh-A channel is better than the performance when coefficient B is used when coefficient A is used. 6B also shows the SUI-5 channel, which is most sensitive to time delay estimation errors. Since the SUI-5 channel is better than the performance when the coefficient A is used when the coefficient B is used, it is preferable to select an appropriate coefficient for each channel using an appropriate threshold as shown in FIG. 5. It is important.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the scope of the following claims, but also by the equivalents of the claims.
상술한 바와 같이, OFDM 기반의 무선 통신시스템에서 수신 신호의 프리앰블을 역고속 푸리에 변환한 후, RMS 시간지연 확산 추정을 각 프레임 단위로 수행하여 RMS 시간지연 추정치의 평균하여 문턱값 판별을 수행하므로 상기 시간지연 추정의 정확도를 높이는 이점이 있다. 또한, 상기 시간지연 추정치와 문턱값을 비교하여 채널 적응적으로 워너 계수 집합을 선택하므로 채널 추정하므로 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.As described above, since the preamble of the received signal is inversely fast Fourier transformed in an OFDM-based wireless communication system, the RMS time delay spread estimation is performed for each frame to determine the threshold value by averaging the RMS time delay estimate. This has the advantage of increasing the accuracy of the time delay estimation. In addition, since the Warner coefficient set is adaptively selected by comparing the time delay estimate and the threshold value, the channel estimation performance can be improved by channel estimation.
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