KR20070061215A - 다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치의송수신 장치 - Google Patents

다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치의송수신 장치 Download PDF

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KR20070061215A
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Abstract

본 발명은 다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치의 송수신 장치에 관한 것이다.
본 발명은 주파수 영역에서 무선 채널 특성을 측정할 수 있는 다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치를 제공하는 데 특징이 있다.
본 발명에 의하면, 주파수 영역에서 무선 채널을 측정함으로써 단일 입출력 구조(SISO)에서 듀얼밴드 채널을 동시에 측정할 수 있으며, 다중 입출력 구조(MIMO)에서 송수신 안테나 수의 증가에 관계없이 최대 도플러 측정 주파수를 일정하게 유지하면서 채널 특성을 동시에 측정할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
무선 채널 측정, SISO, MIMO, 채널 측정 방법

Description

다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치의 송수신 장치{Transmittuing/Receiving Apparatus of Wideband Wireless Channel Apparatus for Sounding by Using Multiple Carrier}
도 1은 종래 의사 랜덤 이진 시퀀스 방식을 이용한 무선 채널 측정 방식을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치 중 송신 장치의 내부 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치 중 수신 장치의 내부 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시변 채널에서 도플러 주파수에 따른 수신 성능을 비교한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단일 송수신 안테나 구조에서의 듀얼 밴드 채널 동시 측정 방식을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중 송수신 안테나 구조에서의 경우, 송신 안테나 별로 다중 반송파를 순차적으로 송신하는 것을 나타낸 도면이다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 다중 송수신 안테나 구조에서의 경우, 송신 안테나 별로 다중 반송파를 동시에 송신하는 것을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치의 송수신 장치에 관한 것으로, 서로 직교하는 다수의 부반송파에 데이터를 실어 전송하는 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 무선 통신 방식을 사용하여 무선 채널 정보를 측정하는 장치에 관한 것이다.
기존의 상용 무선 채널 측정 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 의사 랜덤 이진 시퀀스(Pseudo Random Bibary Sequence, 이하 'PRBS'라 칭함) 방식을 사용하는 것이 일반적이다. PRBS 방식은 측정하고자 하는 대역폭과 같은 속도의 의사 랜덤 코드 칩(Pseudo Random Code Chip)을 구성하여 송신 신호를 송신한 후, 수신기에서 송신 신호에 해당하는 다중 경로파들의 합을 송신 신호와 상관(Correlation)함으로써 해당 대역의 주파수 충격 응답(Impulse Response)을 얻는다.
여기서, 의사 랜덤 코드(Pseudo Random Code)는 측정 파일럿 신호인 임펄스의 구현을 측정 대역폭으로 확산시키는 데 사용한다.
따라서, 의사 랜덤 코드의 단위 길이가 대역폭 W[Hz]의 측정 대역을 위해서 1/W [Sec] 이하이어야 한다.
최근의 이동통신 서비스 및 시스템의 광대역 추세에 따라 의사 랜덤 코드의 단위 길이는 대역폭과 반비례하여 짧은 칩 펄스(Chip Pulse)를 요구한다.
따라서, 100MHz 대역폭의 채널 측정 장치는 20MHz 대역폭의 채널 측정 장치에 비해 정확도 구현에 있어서 하드웨어 구현의 복잡도가 증가할 수밖에 없는 문제점이 발생한다.
PRBS 방식을 이용한 무선 채널 측정 방법은 의사 랜덤 칩 속도율(PN Chip Rate)에 따라 측정 대역폭이 결정되어 있으므로 자유롭게 측정 대역폭을 가변시키기 어렵고, 측정 대역이 분리된 듀얼 주파수 밴드(Dual Frequency Band)에서 무선 채널의 동시 측정이 어렵다.
PRBS 방식을 다중 입출력(Multi Input Multi Output, 이하 'MIMO'라 칭함) 채널에 적용하는 경우, 시분할 방법은 안테나 수의 증가에 따라 최대 도플러(Doppler) 측정 범위가 감소하는 문제점이 있다.
PRBS 방식을 이용한 무선 채널 측정 방법은 측정 단위 시간(측정 의사 랜덤(PN) 신호의 길이) 동안 무선 채널이 변하지 않음을 가정하므로 시변 채널인 경우 측정 오차가 발생하는 문제점이 있다.
즉, PRBS 방식은 구현의 복잡도 및 대역폭 가변 구조에 있어 무선 채널의 충격 응답 특성을 시간 영역에서 측정하는 점에 문제점이 있는 것이다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 주파수 영역에서 무선 채널 특성을 측정할 수 있는 다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치의 송수신 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 직교 주 파수 분할 다중화 무선 채널 측정 시스템에서 무선 채널 정보를 전송하는 광대역 무선 채널 측정 장치의 송신 장치는, 측정 신호를 불연속적인 병렬 신호로 변환하는 직병렬 변환부; 상기 변환된 병렬 신호를 측정 대역폭에 걸친 다중 반송파를 이용하여 변조된 송신 신호로 변환하는 고속 역푸리에 변환부; 상기 변환된 송신 신호에서 보호구간을 삽입하는 보호구간 삽입부; 및 상기 보호구간이 삽입된 송신 신호를 시간축에서 연속적인 직렬 신호로 변환하여 송신형 안테나를 통해 외부로 송신하는 직렬/병렬 변환부를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 직교 주파수 분할 다중화 무선 채널 측정 시스템에서 무선 채널 정보를 전송하는 광대역 무선 채널 측정 장치의 수신 장치는, 측정 신호를 다중 반송파를 이용하여 변조한 송신 신호로 송출하는 송신 장치로부터 상기 송신 신호를 전송받아 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부; 상기 변환된 디지털 신호를 불연속적인 병렬 신호로 변환하여 무선 채널 충격 응답이 포함된 수신 신호를 생성하는 직렬/병렬 변환부; 상기 수신 신호에서 보호구간을 제거하는 보호구간 제거부; 및 상기 보호구간을 제거한 수신 신호를 최소 평균 자승 오차 알고리즘을 이용하여 채널을 추정하여 상기 측정 신호에 대한 무선 채널 정보를 출력하는 최소 평균 자승 오차 채널 추정기(Minimum Mean Square Error Estimator)를 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 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 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.
이제 본 발명의 실시예에 따른 다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치의 송수신 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
이하, 본 발명의 실시예에서는 다중 반송파 또는 직교 다중 반송파를 이용하여 주파수 영역에서 채널을 측정하는 장치에 대해 설명하고자 한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치 중 송신 장치의 세부적인 구조에 대해 언급하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치 중 송신 장치의 내부 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.
도 2를 설명하기 전에, 다중 반송파를 이용한 송신 장치는 설명의 편의상 직교 다중 반송파를 적용한 무선 채널 측정 장치로 가정하여 기술한다.
본 발명의 실시예에 따른 송신 장치는 매핑부(200), 직렬/병렬 변환부(210), 고속 역푸리에 변환부(Inverse Fast Fourier Transform)(220), 보호구간 삽입부(230), 직렬/병렬 변환부(240), 디지털/아날로그 변환부(250)를 포함한다.
매핑부(200)는 입력된 데이터를 직교 주파수 분할 다중화 방식의 부채널에서 사용되는 변조 방식을 이용하여 주파수 영역에서의 심볼 데이터로 변환하여 정해진 부채널에 할당한다.
매핑부(200)는 반송파 주파수 오차나 샘플링 주파수 오차를 추적하여 보상 또는 채널 품질 추정을 위해 파일럿 신호를 부채널에 할당한다.
매핑부(200)는 변환한 심볼 데이터 및 파일럿 신호를 직렬/병렬 변환부(210)로 전송한다. 직렬/병렬 변환부(210)는 매핑부(200)로부터 수신한 신호를 불연속적인 병렬 신호로 변환하여 고속 역푸리에 변환부(220)로 전송한다.
고속 역푸리에 변환부(220)는 직렬/병렬 변환부(210)로부터 수신한 데이터와 파일럿 신호를 시간 영역의 송신 신호로 변환하여 보호구간 삽입부(220)로 전송한다.
여기서, 송신 신호는 수신한 데이터와 파일럿 신호를 측정 대역폭에 걸친 직교 다중 반송파를 이용하여 변조한 신호이다.
이하, 송신 신호 Χ(n)를 구하기 위한 [수학식 1]은 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112006050835236-PAT00001
여기서, Es는 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 심볼 에너지, N은 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT) 크기, P는 활성 부반송파 개수, L은 보호 구간의 길이로 정의한다.
보호구간 삽입부(230)는 고속 역푸리에 변환부(220)로부터 수신한 송신 신호에 보호구간을 삽입함으로써 무선 채널 환경에서의 성능 저하 요인으로 작용하는 지연 확산에 대비한다.
병렬/직렬 변환부(240)는 보호구간 삽입부(230)로부터 수신한 송신 신호를 시간축에서 연속적인 직렬 신호로 변환하여 디지털/아날로그 변환부(250)로 전송하는 기능을 한다.
디지털/아날로그 변환부(250)는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한 후, 안테나 등을 통해 송신하고자 하는 아날로그 신호를 생성하는 기능을 한다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 송신 장치는 시간 영역이 아닌 주파수 영역에서의 채널 측정을 위하여 측정하고자 하는 대역폭에 해당하는 측정 신호를 다중 반송파 또는 직교 다중 반송파를 이용하여 변조하여 송신한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치 중 수신 장치의 세부적인 구조에 대해 언급하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 반송파를 이용한 광대역 무선 채널 측정 장치 중 수신 장치의 내부 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.
도 3을 설명하기 전에, 다중 반송파를 이용한 수신 장치는 설명의 편의상 직교 다중 반송파를 적용한 무선 채널 측정 장치에 대하여 기술한다.
본 발명의 실시예에 따른 수신 장치는 아날로그/디지털 변환부(300), 직렬/ 병렬 변환부(310), 보호구간 제거부(320), 디지털/아날로그 변환부(330)를 포함한다.
먼저, 안테나 등을 통해 송신 장치로부터 아날로그 신호(수신 신호)를 수신하는 경우, 아날로그/디지털 변환부(300)는 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호(수신 신호)로 변환하여 직렬/병렬 변환부(310)로 전송한다.
직렬/병렬 변환부(310)는 아날로그/디지털 변환부(300)로부터 수신한 디지털 신호를 불연속적인 병렬 신호로 변환하여 보호구간 제거부(320)로 전송한다.
보호구간 제거부(320)는 직렬/병렬 변환부(310)로부터 수신한 병렬 신호에서 보호구간을 삭제하여 최소 평균 자승 오차 채널 추정기(Minimum Mean Square Error Estimator, 이하 'MMSE 채널 추정기'라 칭함)로 전송한다.
보호구간 제거부(320)는 직렬/병렬 변환부(310)로부터 병렬 신호인 수신 신호를 수신한다.
이하, 수신 신호 Ｙ(n)은 [수학식 2] 또는 [수학식 3]과 같이 구할 수 있다.
Figure 112006050835236-PAT00002
Figure 112006050835236-PAT00003
여기서, n은 시간 매개 변수, k는 다중 경로 지연, w(n)은 백색 가우스 잡음, X(n)은 송신 신호, h(n,k)는 단일입출력(Single Input Single Output)의 시변 무선 채널 충격 응답으로 정의한다.
전술한 수신 신호 Ｙ(n)는 [수학식 2] 또는 [수학식 3]으로 표현할 수 있다. 이후 채널 추정을 위한 n = n0인 임의의 시점에서 선형 MMSE 무선 채널 충격 응답
Figure 112006050835236-PAT00004
은 직교화의 원리(Orthogonality Principle)를 이용하여 M을 산출하고, 선 형 MMSE 무선 채널 충격 응답을 구하기 위한 [수학식 4]를 통해 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112006050835236-PAT00005
최소 평균 자승 오차 채널 추정기는 보호구간을 제거한 수신 신호를 최소 평균 자승 오차 알고리즘을 이용하여 채널 추정하여 무선 채널 정보를 생성하여 출력한다.
여기서, 최소 평균 자승 알고리즘은 공지되어 있는 기술로서 본 발명에서의 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 수신 장치의 성능은 심볼 구간 동안 시변 채널 환경인 경우, 기존의 의사 랜덤 상관기(PN Correlator) 방식에 비해 우수한 채널 측정 특성을 제공한다.
도 4는 시변 채널에서 도플러 주파수(fd)에 따른 수신 성능을 비교한 시뮬레이션 결과로서, 측정 신호의 심볼 구간에서 시변 특성을 가지는 경우, 기존 PRBS 방식보다 본 발명에서 제안한 선형 MMSE 수신 방식이 더 좋은 성능을 제공함을 알 수 있다.
전술한 선형 MMSE 수신 방식은 단일 송수신 안테나인 단일 입출력(Single Input Single Output) 구조에 해당하는 것이다.
본 발명의 실시예에는 다중 반송파 또는 직교 다중 반송파를 이용하여 주파수 영역에서 무선 채널을 측정하는 방식이다. 즉, 측정하고자 하는 대역폭에 해당하는 기저 대역 신호(측정 신호)를 다중 반송파 또는 직교 다중 반송파를 이용하여 변조하여 송신한다.
도 2 또는 도 3에 기재된 단일 입출력 구조에서의 선형 MMSE 수신 방식은 도 5와 같이 측정 대역이 분리된 듀얼 밴드(Dual-Band) 채널 특성을 동시에 측정할 수 있다.
즉, 단일 입출력 구조에서의 선형 MMSE 수신 방식은 듀얼 밴드에서 채널 측정을 동시에 이루고자 하는 경우, 전체 대역폭을 기준으로 양 방향 측정 대역폭에 해당하는 위치에 부반송파를 배치하여 해결할 수 있다.
이러한 다중 반송파 또는 직교 다중 반송파를 이용하여 주파수 영역에서 무선 채널을 측정하는 방식을 다중 입출력(Multi Input Multi Output) 구조에 적용하는 경우, 송신 안테나 별로 다중 반송파를 도 6 또는 도 7과 같이 배치시킴으로써 동일 송수신 대역에서 다중 채널을 동시에 측정할 수 있다.
다중 반송파를 배치하는 방법은 송신부의 전력 증폭기에 대한 수요를 고려하여 순차 또는 동시에 전송하며, 순차의 경우 코히런트 시간(Coherent Time) 동안 모든 송신 안테나의 송신 과정을 끝내야 한다.
선형 MMSE 수신 방식을 다중 입출력 구조에 적용하는 경우, 송수신 안테나의 개수를 각각 N과 M이라 할 때, 각각의 송신 안테나 별로 부반송파의 배치를 도 6 또는 도 7과 같이 구현하여 N×M 개의 무선 채널을 동시에 추정할 수 있다.
다중 입출력 구조에서의 선형 MMSE 수신 방식은 송신 안테나에 배치되는 부반송파의 이격 거리를 코히런스(Coherence) 대역폭 내에서 구성할 수 있는 장점이 있다. 또한, 안테나 별 부반송파의 배치가 결정된 후, 무선 채널 정보를 측정하는 과정은 단일 입출력 구조와 동일하다.
송신 안테나별로 순차 PRBS를 사용하는 경우, 송신 안테나 수의 증가에 따라 도플러 측정 범위가 반비례하는 반면, 송신 안테나별로 순차 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)을 사용하는 경우 도플러 측정 범위가 송신 안테나 수에 관계없이 일정하다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 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 구성에 의하여, 본 발명은 주파수 영역에서 무선 채널을 측정함으로써 측정 주파수 대역폭을 자유롭게 증감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명은 주파수 영역에서 무선 채널을 측정함으로써 단일 입출력 구조(SISO)에서 서로 다른 대역에서 즉, 측정 대역이 분리된 듀얼 밴드(Dual-Band)에 서 채널 특성을 동시에 측정할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명은 주파수 영역에서 무선 채널을 측정함으로써 다중 입출력 구조(MIMO)에서 송수신 안테나 수의 증가에 관계없이 최대 도플러 측정 주파수를 일정하게 유지하면서 채널 특성을 동시에 측정할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명은 측정 구간 동안 시변 채널의 경우, 의사 랜덤 이진 시퀀스(PRBS) 방식보다 우수한 채널 추정 구조를 구현할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (8)

  1. 직교 주파수 분할 다중화 무선 채널 측정 시스템에서 무선 채널 정보를 전송하는 광대역 무선 채널 측정 장치의 송신 장치에 있어서,
    측정 신호를 불연속적인 병렬 신호로 변환하는 직병렬 변환부;
    상기 변환된 병렬 신호를 측정 대역폭에 걸친 다중 반송파를 이용하여 변조된 송신 신호로 변환하는 고속 역푸리에 변환부;
    상기 변환된 송신 신호에서 보호구간을 삽입하는 보호구간 삽입부; 및
    상기 보호구간이 삽입된 송신 신호를 시간축에서 연속적인 직렬 신호로 변환하여 송신형 안테나를 통해 외부로 송신하는 직렬/병렬 변환부
    를 포함하는 광대역 무선 채널 측정 장치의 송신 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 측정 신호는 측정하고자 하는 대역폭에 해당하는 기저대역 신호인 것을 특징으로 하는 광대역 무선 채널 측정 장치의 송신 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 다중 반송파는 직교 다중 반송파인 것을 특징으로 하는 광대역 무선 채널 측정 장치의 송신 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 송신 신호(X(n))는
    Figure 112006050835236-PAT00006
    를 이용하여 산출하되, Es는 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 심볼 에너지, N은 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform) 크기, P는 활성 부반송파 개수, L은 보호 구간의 길이를 의미하는 것을 특징으로 하는 광대역 무선 채널 측정 장치의 송신 장치.
  5. 직교 주파수 분할 다중화 무선 채널 측정 시스템에서 무선 채널 정보를 전송하는 광대역 무선 채널 측정 장치의 수신 장치에 있어서,
    측정 신호를 다중 반송파를 이용하여 변조한 송신 신호로 송출하는 송신 장치로부터 상기 송신 신호를 전송받아 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부;
    상기 변환된 디지털 신호를 불연속적인 병렬 신호로 변환하여 무선 채널 충격 응답이 포함된 수신 신호를 생성하는 직렬/병렬 변환부;
    상기 수신 신호에서 보호구간을 제거하는 보호구간 제거부; 및
    상기 보호구간을 제거한 수신 신호를 최소 평균 자승 오차 알고리즘을 이용하여 시간 영역이 아닌 주파수 영역에서 채널을 추정하여 상기 측정 신호에 대한 무선 채널 정보를 출력하는 최소 평균 자승 오차 채널 추정기(Minimum Mean Square Error Estimator)
    를 포함하는 광대역 무선 채널 측정 장치의 수신 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 무선 채널 충격 응답은
    Figure 112006050835236-PAT00007
    또는
    Figure 112006050835236-PAT00008
    를
    Figure 112006050835236-PAT00009
    에 곱하여 산출하되, n은 시간 매개 변수, k는 다중 경로 지연 변수, W(n)는 백색 가우스 잡음(White Gaussian Noise), h(n,k)는 단일 입출력 구조의 시변 무선 채널 충격 응답을 의미하는 것을 특징으로 하는 광대역 무선 채널 측정 장치의 수신 장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 수신 장치를 단일 송수신 안테나인 단일 입출력(Single Input Single Output) 구조에서 적용하여, 측정 대역이 분리된 듀얼 밴드(Dual-Band)에서 채널 특성을 동시에 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 광대역 무선 채널 측정 장치의 수신 장치.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 수신 장치를 다중 입출력(Multi Input Multi Output) 구조에서 적용하여 송신 안테나 별로 상기 다중 반송파를 순차 또는 동시에 배치하여 동일 송수신 대역에서 다중 채널을 동시에 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 광대역 무선 채널 측정 장치의 수신 장치.
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