KR20070061208A - 직교 주파수 분할 다중화 시스템을 위한 반송파 주파수 오차 기반의 시간 오차 추정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화 시스템을 위한 반송파 주파수 오차 기반의 시간 오차 주정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
직교 주파수 분할 다중화 시스템에서 시간 오차 추정 장치는 반송파 주파수 오차 추정기의 결과를 재활용할 수 있도록 구성된다. 이를 통해 시간 오차 추정 장치는 간단한 구조를 갖고 낮은 복잡도로 시간 오차를 추정할 수 있으며, 그 성능에 있어선 파일롯 기반의 시간 오차 추정 방식과 동일한 성능을 유지할 수 있다.
동기, 직교 주파수 분할 다중화, 시간 오차, 무선 랜, 다중 안테나, 반송파 주파수

Description

직교 주파수 분할 다중화 시스템을 위한 반송파 주파수 오차 기반의 시간 오차 주정 장치 및 그 방법{Apparatus and method for CFO aided timing offset tracking for OFDM system}
도 1은 일반적인 파일롯 기반의 시간 오차 추정기의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시간 오차 추정부를 포함한 잔여 오차 추정기의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 긴 프리앰블과 짧은 프리앰블을 이용한 시간 오차 추정부의 구조도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잔여 반송파 주파수 오차 추정부의 구조도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반송파 위상 오차 추정부의 구조도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 루프 필터의 구조도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반송파 주파수의 잔여 오차 추정 방법이다.
본 발명은 잔여 오차 추정 기술에 관한 것으로, 보다 자세하게는 시간 오차 추정 장치 및 시간 오차 추정 방법에 관한 것이다.
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 직교 주파수 분할 다중화) 패킷 통신의 대표적인 실시 예라고 할 수 있는 IEEE802.11a에서는 초기 프리엠블을 이용하여 주파수 및 시간 동기를 맞춘다. 즉, 기존의 시간 오차 추정 방식은 파일롯을 이용하는 방식을 주로 사용한다.
파일롯을 이용한 시간 오차 추정 방식은 추정 파라미터를 추정하기 위해 파일럿 부반송파에 대한 이산 푸리에 변환을 수행한다. 이산 푸리에 변환을 수행한 후 채널 행렬의 켤레 행렬을 곱하여 평탄화 과정을 수행한 후 시간 오차를 추정하기 위해 수신한 파일롯 부반송파와 송신한 파일롯 부반송파의 공액 복소수를 곱하여 그 기울기를 구하는 과정을 거친다.
이러한 파일롯 기반의 시간 오차 추정 방식은 효과적인 채널 추정을 수행할 수 있지만, 시간 오차를 추정하는 과정에서 많은 하드웨어 자원(곱셈기, 덧셈기 등)을 필요로 한다. 또한 초기 주파수 오차 추정 오차에 의한 잔여 주파수 오차, 샘플링 주파수 오차, 주파수 천이 및 한 프레임 내에서의 신호의 크기 변화 등 다양한 원인으로 발생될 수 있는 시스템 성능 저하를 극복하기 위해 여러 가지 동기 추정 알고리즘을 필요로 한다.
또한, 관련 논문으로는 M.Luise 등이 발표한 "논문 제목: Carrier Frequency Acquisition and Tracking for OFDM Systems, 게재지: IEEE Trans. Communications, 1996년 10월, pp.1590-1598"이 있는데, 이는 복조된 데이터와 송신단으로부터 수신된 신호를 바탕으로 하여 시간 영역에서 반송파 주파수 오차를 추정하고 보상하는 방식을 제안하였다. 이처럼 수신된 신호를 이용하는 방법은 수신단에서 미리 알고 있는 정보를 이용하기 때문에 좀 더 정확한 위상 추정이 가능하지만, 수신된 신호가 제한된 수의 일부 부채널에만 고정되어 위치하는 경우 그 부채널의 채널 이득이 작으면 추정치의 신뢰도 역시 낮아지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 주파수 오차 추정기의 결과를 재활용하여 하드웨어 리소스의 낭비를 줄이고, 정확한 시간 오차 추정을 제공할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징인 시간 오차 추정 장치는, 수신 파일럿에 대한 반송파 주파수 오차 기반의 시간 오차를 추정하는 잔여 오차 추정 장치에 포함된 시간 오차 추정 장치에 있어서,
상기 잔여 오차 추정 장치로 입력된 수신 파일럿의 반송파 주파수 오차를 추정하여 반송파 주파수 오차 추정치를 출력하는 잔여 반송파 주파수 오차 추정부; 상기 잔여 반송파 주파수 오차 추정부로부터 출력된 제1 반송파 주파수 오차 추정치를 토대로 수신 파일럿에 포함되어 있는 제1 프리앰블 및 제2 프리앰블의 시간 오차 추정치를 출력하는 시간 오차 추정부; 상기 수신 파일럿을 분석하여 소정 기준 위상과의 차이값 신호인 반송파의 위상을 추정하여 출력하는 반송파 위상 추정부; 및 상기 시간 오차 추정부 및 상기 반송파 오차 추정부의 출력측에 형성되며, 상기 출력된 신호들을 저대역 신호를 통과시키는 루프 필터를 포함한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징인 시간 오차 추정 방법은, 수신 파일럿에 대한 잔여 오차 추정 장치에 포함된 시간 오차 추정 장치를 통해 반송파 주파수 오차 기반의 시간 오차를 추정하는 시간 오차 추정 장치를 이용한 시간 오차 추정 방법에 있어서,
(a) 상기 수신 파일럿에 포함되어 있는 제1 프리앰블과 제2 프리앰블을 토대로 제1 반송파 주파수의 오차 및 제2 반송파 주파수의 오차를 구하는 단계; (b) 상기 잔여 오차 추정 장치를 통해 상기 수신 파일럿의 반송파 주파수 오차를 추정하여 반송파 주파수 오차 추정치를 구하는 단계; 및 (c) 상기 제1 반송파 오차, 제2 반송파 오차 및 상기 반송파 주파수 오차 추정치를 토대로 시간 오차를 추정하는 단계를 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일반적인 파일롯 기반의 시간 오차 추정기의 구조도이다.
OFDM 방식에서 반송파 주파수 오차가 미치는 영향에 대하여 살펴보면, 모든 부반송파는 일정한 위상 천이가 있고 부반송파 간섭(ICI: Inter Carrier Interference)이 존재하게 된다. Xk라는 송신 신호가 Hk의 채널 주파수 응답을 갖는 채널을 통과하고 ε만큼의 주파수 오차를 갖고 있을 때, k번째 부반송파의 수신 신호 Yk가 다음 [수학식 1]처럼 주어진다.
Figure 112006049102297-PAT00001
여기서, N은 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)의 포인트 수 즉, 총 부반송파의 개수를 의미한다. Ik는 부반송파간 간섭으로 다음 [수학식 2]와 같이 주어진다. 여기서 l은 긴 훈련 심볼을 나타낸다.
Figure 112006049102297-PAT00002
그리고, 시간 오차가 있을 경우에는 OFDM 부반송파의 인덱스에 비례하여 위 상 오차가 증가하는 형태로 나타나고, 그 오차와 기울기는 비례한다. 한 FFT 구간이 전체적으로 τ 만큼의 오차가 있을 경우, 오차가 있는 주파수 영역 신호 Yk ,τ와 오차가 없을 때의 주파수 영역 신호 Yk 사이의 관계는 다음 [수학식 3]과 같다.
Figure 112006049102297-PAT00003
여기서,
Figure 112006049102297-PAT00004
이다.
그러므로, 같은 시간 오차를 갖고 있더라도 DC 근처에 있는 낮은 주파수 성분들은 반송파 주파수 오차가 미치는 영향이 적지만, 높은 주파수 성분에서는 그 영향이 크다. 이와 같이 오차들을 추정하고 보상하지 않을 경우에는 프레임 처음 부분에서는 별 영향이 없지만, 끝 부분으로 갈수록 그 영향이 누적되어 성능 저하가 심해진다.
이상에서 설명한 바와 같이, 무선 LAN과 같은 OFDM 패킷 통신 시스템에서는 프레임의 초반부에 프리엠블에서 얻은 채널 추정치와 주파수 오차 추정치를 이용하여 동기를 획득하는데, 프레임이 긴 경우에는 그 오차가 누적되어 큰 성능 열화를 일으킨다. 그리고 고정된 주파수 오차와 샘플링 주파수 오차에 의해서 생기는 시간에 따라 일정하게 증가 또는 감소하는 시간 오차에 의한 영향을 주파수 영역의 파 일럿 심벌을 이용하여 추정하고 그 영향을 보상해준다.
[수학식 1]과 [수학식 2]에서 작은 양의 주파수 오차는 일정한 위상 오차로, 시간 오차는 기울기를 갖는 위상 오차로 나타난다. 종래 기술에서는 오차에 대한 양이 작기 때문에 피드백 방식으로 보상하더라도 성능 저하가 거의 없다. 그러나, 실제 상황에서는 이와 같은 오차 뿐만 아니라 라디오 주파수 회로 및 아날로그 회로 등의 영향으로 갑작스런 주파수 천이 및 위상 천이가 발생할 수 있고, 송수신기 증폭기가 커지는 순간에 신호의 크기가 서서히 커지는 현상에 의한 신호 크기 변화가 발생할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 실시 예에서는 잔여 반송파 주파수 오차 및 시간 오차의 보상 뿐만 아니라, 패킷 내에서의 주파수 및 위상 천이와 크기 변화까지 보상할 수 있는 전체적인 동기 및 크기 추정을 갖는 잔여 오차 추정기를 제공한다. 이에 대해서는 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시간 오차 추정기를 포함한 잔여 오차 추정기의 구조도이다.
도 2를 살펴보면, 잔여 오차 추정기는 잔여 반송파 주파수 오차(CFO: Carrier Frequency Offset) 추정부(100), 반송파 위상 추정부(Carrier phase estimator)(200), 시간 오차 추정부(timing error estimator)(300) 및 루프 필터(400)를 포함한다.
잔여 반송파 주파수 오차 추정부(100)는 반송파 주파수 오차 추정치를 출력하는 기능을 수행하며, 이때의 출력을 토대로 시간 오차 추정값을 계산할 수 있다. 잔여 반송파 주파수 오차 추정부에 대해서는 아래 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
반송파 위상 추정부(200)는 낮은 SNR(Signal Noise Ratio: 신호대 잡음비)에서의 사용에 적합한 최대 가능성(Maximum Likelihood) 위상 탐지기를 갖는 반송파 위상 추정 과정을 통해 반송파의 위상을 추정한다. 즉, 수신된 수신 파일럿을 분석하여 소정 기준 위상과의 차이값 신호를 출력한다.
시간 오차 추정부(300)는 시간 오차 추정값을 계산하기 위한 것으로, 상기 도 1에 도시된 일반적인 파일롯 기반의 시간 오차 추정부를 사용할 수도 있으며, 본 발명의 실시예에 따라 잔여 반송파 주파수 오차 추정부(100)의 출력 값과 반송파 주파수 오차 값을 토대로 계산된 추정값을 사용할 수도 있다. 즉, 잔여 반송파 주파수 오차 추정부(100)로부터 출력된 반송파 주파수 오차 추정치를 토대로 수신 파일럿의 시간 오차를 추정하고, 추정된 시간 오차 추정치를 토대로 상기 수신 파일럿에 포함되어 있는 프리앰블의 시간 오차 값을 출력하는 기능을 수행한다. 여기서, 반송파 주파수 오차 값을 계산하는 반송파 주파수 오차 추정부의 구조 및 방법에 대해서는 아래 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
루프 필터(400)는 시간 오차 추정부(300)와 반송파 위상 추정부(200)의 출력측에 형성되며 저대역의 신호만을 통과시키는 기능을 수행한다. 루프 필터(400)에 대해서는 아래 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.
이들 구성 요소를 이용하여 잔여 오차 추정기에 대해 설명하면, 파일롯 톤은 입력으로 들어오고 무선 랜 채널에서 위상 회전(phase rotation)을 보상하기 위해 위상 에러를 추정하기 전에 추정된 채널의 복소 공액(complex conjugate)을 수신 파일럿 톤에 곱한다. 반송파 주파수 에러는 FFT(Fast Fourier Transform) 후에 추정되지만, 그 보상은 시간 영역(time domain)에서 이루어진다.
주파수 위상 트랙킹 루프(carrier phase tracking loop)는 피드백(feedback), 포워드(forward) 두 가지 보상 로프로 이루어져 있다. 포워드 루프가 어떠한 지연 없이 빠른 반송파 위상 변동(carrier phase variation)을 따라가는 것임에 반해, 피드백 루프는 천천히 변하는 위상 오류(phase error)를 추정하기 위함이다.
OFDM은 시간 오류(timing error)에 덜 민감하므로 시간 오류는 단지 피드백 루프에 의해서만 추정된다. 그러나, 시간 오류는 반송파의 인덱스가 증가하는 만큼 반송파의 위상 회전이 증가하게 된다. 그러므로 시간 오류의 보상은 반송파 인덱스 정보가 필요하다.
루프 필터는 두 개의 프로그램된 이득값에 의한 일차 루프이다. 또한, 반송파 주파수 오프셋(carrier frequency offset)을 이용하여 시간 오류를 보상할 수 있게 설계되었다. 이 두 가지 시간 오류 추정(timing error estimation) 알고리즘은 프로그램 가능한 레지스터인 timing_trk_mode에 의해 변경될 수 있다.
상기와 같은 구성 요소를 포함하여 이루어진 잔여 오차 추정기에서 시간 오차를 추정하기 위한 시간 오차 추정부(300)의 구조에 대해서 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 긴 프리앰블과 짧은 프리앰블을 이용한 시 간 오차 추정부의 구조도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 시간 오차 추정부(300)는 짧은 프리앰블로 구한 반송파 주파수 오차 값(cfo_shr)과 긴 프리앰블로 구한 반송파 주파수 오차 값(cfo_lng)을 출력하는 기능을 수행한다. 이때 출력된 두 값은 상기 도 2의 잔여 반송파 주파수 오차 추정부(100)에서 출력된 반송파 주파수 오차 추정치와 함께 시간 오차 추정부(300)로 입력되어 시간 오차를 추정하는 지표로 이용된다.
시간 오차 추정부(300)는 자기 상관 연산부(310)와 반송파 주파수 오차 연산부(320)를 포함한다. 자기 상관 연산부(310)는 프리앰블의 상호 상관값을 문턱값과 비교한다. 즉, 상호 상관값이 문턱값보다 커지는 순간 신호가 획득된 것으로 판정하는 것이다. 반송파 주파수 오차 연산부(320)는 자기 상관 연산부(310)로부터 입력된 값을 토대로 두 가지의 반송파 주파수 오차 값을 출력한다.
먼저, 자기 상관 연산부(310)는 긴 프리앰블의 자기 상관 계산값, 짧은 프리앰블의 자기 상관 계산값 및 자기 상관 제어값이 제1 멀티플렉서로 입력된다. 제1 멀티플렉서(311)에서는 자기 상관 제어값이 입력되면 짧은 프리앰블의 자기 상관 계산값이 출력되고, 자기 상관 제어값이 입력되지 않으면 긴 프리앰블의 자기 상관 계산값이 출력된다.
이와 같이 제1 멀티플렉서(311)에서 출력된 값은 지연부(313)에서 지연되어 제2 멀티플렉서(312)로 입력된다. 제2 멀티플렉서(312)는 아래쪽 채널 활성화 지표값 또는 위쪽 채널 활성화 지표값과 제1 멀티플렉서(311)에서 출력된 값을 입력받아, 아래쪽 혹은 위쪽 채널 활성화 지표값이 입력되면 0을 출력한다. 그러나 채널 활성화 지표값이 입력되지 않으면 제1 멀티플렉서(311)에서 출력된 값을 출력한다. 제2 멀티플렉서(312)에서의 출력 값은 지연부(314)에서 지연되어 반송파 주파수 오차 연산부(320)로 출력된다.
반송파 주파수 오차 연산부(320)는 자기 상관 연산부(310)에서 출력된 실수부와 허수부로 나뉜 값을 입력받아 Im/Re 계산부(321)에서 Im/Re 값을 계산한다. Im/Re로 계산된 값은 지연부(322)에서 지연되어 출력되며, 출력된 값은 32로 나뉘어 계산되어 짧은 프리앰블로 구한 반송파 주파수 오차 값으로 출력된다.
지연부(322)의 출력 값을 32로 나눈 값을 다시 한번 더 4로 나누면 긴 프리앰블로 구한 반송파 주파수 오차 값으로 출력된다. 여기서 32는 클럭 수를 나타내며, 4는 입력된 자기 상관 계산 값 쌍의 개수를 의미한다. 이들 숫자들은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
다음은 상기 도 1에서 설명한 잔여 반송파 주파수 오차 추정부(100)에 대하여 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잔여 반송파 주파수 오차 추정부의 구조도이다.
도 4를 살펴보면, 잔여 반송파 주파수 오차 추정부(100)는 지연부(110, 130), 공액 복소수 계산부(120), 위상 추출부(140) 및 스케일링부(150)를 포함한다.
지연부(110)에서 지연된 수신 파일럿은 공액 복소수 계산부(120)로 입력된다. 지연부(110)로부터 지연된 수신 파일럿을 입력받은 공액 복소수 계산부(120)는 지연된 수신 파일럿의 공액 복소수를 산출하여 출력한다.
공액 복소수 계산부(120)로부터 출력된 공액 복소수가 산출되어 계산된 수신 파일럿은 최초 입력된 수신 파일럿과 곱해진 후 지연부(130)로 입력된다. 이때 지연부(130)로 입력되는 신호는, 곰셈기로부터 출력된 신호와 지연부(130)로부터 출력된 신호가 더해져서 입력된다.
위상 추출부(140)는 지연부(130)로부터 출력된 수신 파일럿의 위상을 추출하여 출력한다. 스케일링부(150)는 위상 추출부(140)로부터 출력된 위상을 소정 크기로 스케일링하여 반송파 주파수 오차 추정치 즉, 잔여 반송파 오차를 추정한 결과로 출력한다. 여기서 출력된 반송파 주파수 오차 추정치는 추후 시간 오차를 추정할 때 이용되며, 이에 대해서는 하기 도 7을 참조하여 설명하도록 한다.
다음은, 반송파 위상 오차를 추정할 수 있는 추정부는 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반송파 위상 오차 추정부의 구조도이다.
도 5를 살펴보면, 반송파 위상 오차 추정부는 공액 복소수 계산부(210), 지연부(220) 및 위상 추출부(230)를 포함한다.
공액 복소수 계산부(210)로부터 출력된 송신 파일럿과 수신 파일럿을 곱한 후, 지연부(220)로 입력된다. 이때, 지연부(220)를 통해 출력된 신호와 공액 복소수 계산부(210)로부터 출력된 송신 파일럿에 수신 파일럿을 곱한 값이 더해져 지연부(220)로 입력된다.
지연부(210)로부터 출력된 값을 위상 추출부(230)로 입력되어 위상이 추출되 고, 이때 출력된 값은 반송파 위상 에러 추정값이 된다. 반송파 위상 에러 추정값은 상기 도 1의 루프 필터로 입력되어 보상된 데이터 반송파를 구하는데 이용 된다.
다음 상기 도 1에 도시된 저대역의 신호만 통과시키는 루프 필터(400)에 대해 도 6을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 루프 필터의 구조도이다.
도 6을 살펴보면, 루프 입력과 제1 루프 계수(proportional gain, 비례 이득) 및 제2 루프 계수(integral gain, 적분 이득)를 토대로 루프 값을 출력한다. 이때 루프 입력은 상기 도 1의 시간 오차 추정부(300)의 출력과 반송파 위상 추정부(200)의 출력이 루프 필터(400)로 입력되는 값이다.
여기서, 제1 루프 계수는 루프 입력의 주파수를 제어하여 루프 입력의 주파수와 편차가 비례관계를 가지도록 하기 위한 계수를 의미한다. 제2 루프 계수는 루프 입력의 적분 보정시 편차를 전체 시간에 걸쳐 누적함으로써 수행하게 되고, 결과적으로 편차가 0이 되도록 하기 위하여 얼마나 자주 편차를 적분할 것인가를 나타내는 계수이다. 제1 루프 계수 및 제2 루프 계수는 이미 프로그램된 레지스터로써, 본 발명에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따라 주파수 오차의 파일럿을 토대로 채널을 추정한 후 초기 반송파 주파수 오차를 보상하는 부분에 채널 추정 값을 추가하여 보상하는 형태를 취하고 있다. 여기서 사용하는 주파수 오차 추정 방식을 현재 OFDM 심벌의 위상과 이전 OFDM 심벌의 위상 차이로 추정하고, OFDM 심벌의 샘플 간격으로 나누는 형태를 취하고 있다.
다음은, 상기 도 2 내지 도 6에 도시된 구성 요소들을 토대로 반송파 주파수의 잔여 오차를 추정하고, 주파수 오차를 이용하여 시간 오차를 추정하는 방법에 대하여 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반송파 주파수의 잔여 오차 추정 방법이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 수신 파일럿 심볼 내에 짧은 프리엠블과 긴 프리엠블을 포함하는 프레임을 토대로 초기 주파수 오차를 추정(S100)한다. 추정된 초기 주파수 오차를 토대로 수신 파일럿의 전체 프레임을 보상(S110)한다. 다음, 긴 프리엠블을 이용하여 초기 시간 오차를 포함한 채널을 추정(S120)하고, 추정된 채널을 토대로 OFDM 심벌 단위로 수신 파일럿을 보상(S130)한다.
그러나, 초기 추정 오류에 의한 잔여 오차가 존재할 수 있고, 시간에 따른 변화가 발생할 수 있다. 그러므로 이를 추정하기 위하여 OFDM 심벌 내에 고정된 부반송파에, 고정된 파일럿 심벌을 삽입(S140)한다. 본 발명의 실시예에서는 IEEE 802.11a를 토대로 -21, -7, 7, 21 부반송파에 파일럿을 삽입하였으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 파일럿 심벌을 이용하여 각각의 파라미터들을 추정하는 방식에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 반송파 주파수 오차는 다음 [수학식 4]와 같이, 수신 파일럿의 위상의 합을 이용하여 추정할 수 있다.
Figure 112006049102297-PAT00005
여기서, Φk는 k번째 OFDM 심벌에 대한 위상 추정치이고, Ri,k는 k번째 OFDM 심벌의 i 번째 반송파에 대한 FFT에 수신 파일럿 심벌을 나타낸다. Si는 약속된 i 번째 부반송파에 대한 송신 파일럿 심벌이며, P는 모든 파일럿 심벌의 인덱스로 이루어진 집합을 의미한다.
상기와 같이 반송파 주파수 오차를 추정한 후, 시간 오차 추정부(300)를 통해 위상의 기울기를 추정한다. 즉, 첫 번째와 세 번째, 두 번째와 네 번째 파일럿 사이의 위상 차이를 이들의 인덱스 차이인 28로 나눈 값이 k번째 OFDM 심벌의 시간 오차인 φk이다. 위상의 기울기는 다음 [수학식 5]의 수식을 통해 구할 수 있다.
Figure 112006049102297-PAT00006
위상의 기울기를 추정한 다음 프레임 내에서 잔여 주파수 오차가 큰 경우 또는 순간적인 주파수 천이가 있을 경우 이를 추정하고, 추정된 주파수 천이를 토대 로 FFT 전 시간 영역을 보상하기 위하여 파일럿 심벌을 이용한 주파수 오차 추정을 수행한다. 주파수 오차가 큰 경우에 이를 FFT 이후 주파수 영역에서 단순한 위상으로 보상하면 부반송파간 간섭이 남을 수 있기 때문에 성능 열화의 원인이 된다.
그러므로, 파일럿을 통해 주파수 오차를 추정하고, 초기 반송파 주파수 오차를 보상하는 부분에 추가하여 보상하는 형태를 취한다. 여기서 사용하는 주파수 오차 추정 방식을 이용하여 현재 OFDM 심벌의 위상과 이전 OFDM 심벌의 위상 차이를 추정하고, OFDM 심벌의 샘플 간격인 80(IEEE 802.11a의 경우)으로 나누는 형태를 취하였다. 이는 [수학식 6]의 수식을 통해 추정한다.
Figure 112006049102297-PAT00007
여기서 λ가 추정된 주파수 오차를 나타내며, P는 파일럿 톤의 한 그룹을 의미한다.
다음, 채널을 보상하기 위하여 [수학식 7]과 같이, 파일럿 신호의 주파수 채널 응답의 공액 복소수를 수신 파일럿 신호와 곱하여 출력한다.
Figure 112006049102297-PAT00008
다음, 채널이 보상된 파일럿을 가지고 잔여 반송파 주파수 오차 추정부(100), 반송파 위상 추정부(200), 시간 오차 추정부(300)에서 각각의 파라미터를 추정하고 루프 필터를 거친다. 이와 같은 단계를 통해 반송파 주파수는 초기 반송파 주파수 오차와 같이 더해져서 주파수 오차 보상부(100)에서 보상된다.
시간 오차는 그 특성에 따라 부반송파 인덱스가 곱해져서 파일럿 및 데이터 부반송파의 위상 보상부에서 보상된다. 마지막으로 반송파 위상은 파일럿 부반송파에서 루프 필터 출력이 보상되고, 데이터 부반송파에서는 현재 위상 추정치와 루프 필터 출력이 더해져서 보상된다.
이와 같이 하여 위상 변화의 경우 현재 심벌에서 추정하고, 그 심벌에서 바로 보상하는 형태를 갖는다. 즉, 피드 포워드(feed forward)적인 성질을 갖게 된다. 이를 위하여 파일럿 심벌만을 위한 푸리에 변환부를 두어, 파일럿 심볼을 우선적으로 추출해낼 필요성이 있다.
상기와 같이 주파수 오차가 추정되면, 시간 오차 추정부(300)를 통해 시간 오차를 추정한다. 상기 도 2에 도시된 바와 같이 잔여 오차 추정 장치의 구성 요소인 시간 오차 추정부(300)는 시간 오차 추정부와 루프 필터부로 나뉜다. 시간 오차 추정부는 다음 [수학식 8]에 기재한 수식에 따라 간단히 시간 오차를 추정할 수 있 다.
Figure 112006049102297-PAT00009
이와 같이 시간 오차는 상기 긴 프리앰블을 토대로 구해진 제1 반송파 오차, 짧은 프리앰블을 토대로 구해진 제2 반송파 오차 및 잔여 반송파 주파수 오차 추정부(100)로부터 출력된 잔여 반송파 오차를 더한 값에 주파수 간격, 반송파 오차 추정기의 동작 주파수를 중심 주파수로 나눈 값 및 한 심볼의 유지 기간을 곱하여 얻어진다.
여기서 △f는 주파수 간격, 즉 대역폭을 사용하는 반송파 주파수 수로 나눈 값이다. cfo_lng는 긴 프리앰블로 구한 반송파 오차이고, cfo_shr은 짧은 프리앰블로 구한 반송파 오차이다. cfo_trk는 잔여 반송파 오차를 추정한 결과이다. fo는 반송파 오차 추정기의 동작 추정기의 동작 주파수이고, fc는 중심 주파수이다. TOFDM은 한 심볼의 유지 기간이며, φk는 추정된 시간 오차 결과이다.
이때, cfo_lng와 cfo_shr은 상기 도시된 도 3의 반송파 주파수 오차 추정 장치로부터 구할 수 있다. 또한, cfo_trk는 도 2의 잔여 반송파 주파수 오차 추정 장치로부터 추정된 오차 값을 의미한다.
여기서, 전술한 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체 역시 본 발명의 범주에 포함되는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
전술한 실시예에 따르면, 반송파 주파수 오차 추정기의 결과를 재활용함으로써, 시간 오차 추정 장치의 구조를 간단하게 구현하면서, 낮은 복잡도로 시간 오차를 추정할 수 있다. 또한, 파일롯 기반의 시간 오차 추정 방식과 동일한 성능을 유지할 수 있다.

Claims (10)

  1. 수신 파일럿에 대한 반송파 주파수 오차 기반의 시간 오차를 추정하는 잔여 오차 추정 장치에 포함된 시간 오차 추정 장치에 있어서,
    상기 잔여 오차 추정 장치로 입력된 수신 파일럿의 반송파 주파수 오차를 추정하여 반송파 주파수 오차 추정치를 출력하는 잔여 반송파 주파수 오차 추정부;
    상기 잔여 반송파 주파수 오차 추정부로부터 출력된 제1 반송파 주파수 오차 추정치를 토대로 수신 파일럿에 포함되어 있는 제1 프리앰블 및 제2 프리앰블의 시간 오차 추정치를 출력하는 시간 오차 추정부;
    상기 수신 파일럿을 분석하여 소정 기준 위상과의 차이값 신호인 반송파의 위상을 추정하여 출력하는 반송파 위상 추정부; 및
    상기 시간 오차 추정부 및 상기 반송파 오차 추정부의 출력측에 형성되며, 상기 출력된 신호들을 저대역 신호를 통과시키는 루프 필터
    를 포함하는 시간 오차 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시간 오차 추정부는,
    상기 수신 파일럿에 포함되어 있는 제1 프리앰블 및 제2 프리앰블의 상호 상관 값을 이미 설정된 문턱 값과 비교하여 출력하는 자기 상관 연산부; 및
    상기 자기 상관 연산부로부터 출력된 값을 토대로 두 개의 반송파 주파수의 시간 오차 값을 출력하는 반송파 오차 연산부
    를 포함하는 시간 오차 추정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시간 오차는
    Figure 112006049102297-PAT00010
    에 의하여 산출되고,
    상기 △f는 주파수 간격, 상기 cfolng는 제1 프리앰블을 토대로 구해진 제1 반송파 오차, 상기 cfoshr는 제2 프리앰블을 토대로 구해진 제2 반송파 오차, 상기 cfotrk는 잔여 반송파 오차를 추정한 결과치, fo는 반송파 오차 추정기의 동작 주파수, fc는 중심 주파수, TOFDM은 한 심볼의 유지기간인 시간 오차 추정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 잔여 반송파 주파수 오차 추정부는,
    상기 수신 파일럿을 지연하여 출력하는 지연부;
    상기 지연부로부터 출력된 지연된 수신 파일럿의 공액 복소수를 계산하여 출력하는 공액 복소수 계산부;
    상기 공액 복소수 계산부로부터 출력된 신호의 위상을 추출하는 위상 추출부; 및
    상기 위상 추출부에서 추출된 위상을 소정의 크기로 스케일링하여 반송파 주파수 오차 추정치로 출력하는 스케일링부
    를 포함하는 시간 오차 추정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반송파 위상 추정부는,
    송신하고자 하는 신호의 송신 파일럿의 공액 복소수를 계산하여 출력하는 공액 복소수 계산부;
    상기 공액 복소수 계산부로부터 출력된 송신 파일럿의 공액 복소수와 상기 수신 파일럿을 곱하여 출력된 신호를 지연한 후 출력하는 지연부; 및
    상기 지연부로부터 출력된 신호의 위상을 추출하여 반송파 위상 에러 추정값으로 출력하는 위상 추출부
    를 포함하는 시간 오차 추정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 루프 필터는,
    상기 잔여 반송파 주파수 오차 추정부와 상기 타이밍 오차 추정부로부터 출력된 반송파 주파수 오차 추정치와 반송파 주파수 오차 값과, 프로그램된 두 개의 루프 계수를 입력받아 신호를 출력하는 시간 오차 추정 장치.
  7. 수신 파일럿에 대한 잔여 오차 추정 장치에 포함된 시간 오차 추정 장치를 통해 반송파 주파수 오차 기반의 시간 오차를 추정하는 시간 오차 추정 장치를 이용한 시간 오차 추정 방법에 있어서,
    (a) 상기 수신 파일럿에 포함되어 있는 제1 프리앰블과 제2 프리앰블을 토대로 제1 반송파 주파수의 오차 및 제2 반송파 주파수의 오차를 구하는 단계;
    (b) 상기 잔여 오차 추정 장치를 통해 상기 수신 파일럿의 반송파 주파수 오차를 추정하여 반송파 주파수 오차 추정치를 구하는 단계; 및
    (c) 상기 제1 반송파 오차, 제2 반송파 오차 및 상기 반송파 주파수 오차 추정치를 토대로 시간 오차를 추정하는 단계
    를 포함하는 시간 오차 추정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 추정된 시간 오차를 토대로 잔여 오차를 추정하는 방법은,
    상기 수신 파일럿에 포함되어 있는 제 1 프리앰블과 제2 프리앰블을 토대로 초기 주파수 오차를 추정하고, 상기 추정된 초기 주파수 오차를 이용하여 상기 수신 파일럿의 전체 프레임을 보상하는 단계;
    상기 제1 프리앰블을 이용하여 초기 시간 오차를 포함한 채널을 추정한 후 OFDM 심벌 단위로 보상하는 단계; 및
    상기 추정된 OFDM 심벌 내에 고정된 부반송파에, 고정된 파일럿 심벌을 삽입하여 시간 변화에 따른 잔여 오차를 추정하는 단계
    를 더 포함하는 시간 오차 추정 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 프리앰블이 상기 제2 프리앰블보다 긴 프리앰블인 시간 오차 추정 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 제1 프리앰블을 토대로 구해진 제1 반송파 오차, 상기 제2 프리앰블을 토대로 제2 구해진 반송파 오차 및 상기 (a) 단계에서 출력된 잔여 반송파 오차를 더한 값에 주파수 간격, 반송파 오차 추정기의 동작 주파수를 중심 주파수로 나눈 값 및 한 심볼의 유지 기간을 곱하여 구해지는 시간 오차 추정 방법.
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