KR20080001998A - Apparatus and method for estimating frequency offset in uplink of orthogonal frequency division multiple access system - Google Patents

Apparatus and method for estimating frequency offset in uplink of orthogonal frequency division multiple access system Download PDF

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KR20080001998A KR1020060060523A KR20060060523A KR20080001998A KR 20080001998 A KR20080001998 A KR 20080001998A KR 1020060060523 A KR1020060060523 A KR 1020060060523A KR 20060060523 A KR20060060523 A KR 20060060523A KR 20080001998 A KR20080001998 A KR 20080001998A
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Abstract

An apparatus and a method for estimating a frequency offset in an uplink of an OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) system are provided to estimate a frequency offset efficiently without inducing power consumption and complexity of a base station receiver. An apparatus for estimating a frequency offset in an uplink of an OFDMA system includes an observation window setting unit(701), a fourier transform unit(702), a phase compensation unit(703), a subcarrier selector(704), and a frequency offset estimation unit(706). The observation window setting unit outputs at least two time domain signals having a predetermined time delay difference from a received signal through first and second observation windows having a different time delay. The fourier transform unit transforms at least two time domain signals to at least two frequency domain signals. The phase compensation unit compensates a phase change by a time delay difference between the first observation window and the second observation window. The subcarrier selector selects subcarriers of a specific user for estimating the frequency offset in at least two frequency domain signals of which a phase change is compensated. The frequency offset estimation unit calculates a phase difference of subcarriers having the same subcarrier index from the selected subcarriers. The frequency offset estimation unit estimates a frequency offset for a received signal of a specific user based on the phase difference.

Description

직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 상향 링크에서 주파수 오프셋의 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING FREQUENCY OFFSET IN UPLINK OF ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS SYSTEM}Apparatus and method for estimating frequency offset in uplink in orthogonal frequency division multiple access system {APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING FREQUENCY OFFSET IN UPLINK OF ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS SYSTEM}

도 1은 일반적인 OFDMA 시스템의 상향링크에서 사용자의 주파수 오프셋을 추정하고 보상하는 장치를 개략적으로 도시한 블럭 구성도.1 is a block diagram schematically illustrating an apparatus for estimating and compensating a frequency offset of a user in uplink of a typical OFDMA system.

도 2는 일반적인 OFDMA 시스템에서 사용자의 부반송파 신호를 서비스 대역에 할당하는 방법 중 블록 할당 방식의 구조를 개략적으로 도시한 도면.FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a structure of a block allocation method in a method of allocating a subcarrier signal of a user to a service band in a typical OFDMA system. FIG.

도 3은 일반적인 OFDMA 시스템에서 사용자의 부반송파 신호를 서비스 대역에 할당하는 방법 중 인터리빙(interleaving) 할당 방식의 구조를 개략적으로 도시한 도면.FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a structure of an interleaving allocation method of a method of allocating a subcarrier signal of a user to a service band in a typical OFDMA system. FIG.

도 4는 일반적인 OFDMA 시스템에서 OFDMA 심볼에 내재된 위상의 변화를 관측하여 주파수 오프셋을 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면4 is a diagram illustrating a method of estimating a frequency offset by observing a change in phase inherent in an OFDMA symbol in a general OFDMA system.

도 5는 종래기술에 따른 OFDMA 시스템의 상향링크에서 사용자 주파수 오프셋을 추정하는 장치를 도시한 블럭 구성도.FIG. 5 is a block diagram illustrating an apparatus for estimating user frequency offset in uplink of an OFDMA system according to the prior art. FIG.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDMA 시스템의 수신기에서 주파수 오프셋 추정 장치의 구성을 개념적으로 도시한 블럭 구성도.6 is a block diagram conceptually illustrating a configuration of an apparatus for estimating a frequency offset in a receiver of an OFDMA system according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDMA 시스템의 수신기에서 주파수 오프셋 추정 장치의 구성을 도시한 블럭 구성도7 is a block diagram illustrating a configuration of an apparatus for estimating a frequency offset in a receiver of an OFDMA system according to an embodiment of the present invention.

도 8은 도 7에 도시된 주파수 오프셋 추정 장치의 구성 요소 중 위상 비교기의 구성을 도시한 블록 구성도.FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of a phase comparator among the components of the frequency offset estimation device shown in FIG. 7; FIG.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 OFDMA 시스템의 수신기에서 주파수 오프셋 추정 방법을 나타낸 플로우챠트.9 is a flowchart illustrating a frequency offset estimation method in a receiver of an OFDMA system according to an embodiment of the present invention.

도 10 및 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 오프셋 추정 장치의 성능을 도시한 그래프.10 and 11 are graphs showing the performance of the frequency offset estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

701 : 관찰위도우 설정부 702 : 고속 푸리에 변환기701: observation window setting unit 702: high-speed Fourier transducer

703 : 위상보상기 704 : 사용자 부반송파 선택기703: phase compensator 704: user subcarrier selector

704 : 위상차비교기 705 : 위상검출기704: phase difference comparator 705: phase detector

706 : 곱셈기 706 multiplier

본 발명은 직교 주파수 분할 다중 접속시스템(Orthogonal Frequency Division Multiple Access system; 이하 OFDMA라 함)의 상향링크(Uplink)에서 사용자의 주파수 오프셋을 추정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 기지국 수신 기에서 어떠한 종류의 훈련열이나 반복되는 심볼의 패턴없이 특정 사용자의 신호가 겪은 주파수 오프셋을 추정하는 장치 및 방법(Blind Frequency Offset Estimation)에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating a frequency offset of a user in an uplink of an orthogonal frequency division multiple access system (hereinafter referred to as OFDMA). Blind Frequency Offset Estimation for estimating the frequency offset experienced by a particular user's signal without any type of training sequence or repeating pattern of symbols.

OFDMA 시스템은 높은 주파수 대역의 사용 효율과 전송률을 지원하면서 여러 명의 다른 사용자들을 동시에 서비스할 수 있는 다중 접속 시스템 중의 하나로 현재 많은 각광을 받고 있다. 상기 OFDMA 시스템에서 전체 주파수 자원은 서로 다른 사용자들에게 나누어져서 할당이 된다. 각각의 사용자들은 다수의 부반송파들을 사용하는데 이 부반송파들은 주파수 축상에서 겹치게 되지만 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호의 특성상 서로간에 직교성이 유지되게 된다. OFDM 시스템의 경우와 마찬가지로 OFDMA 시스템도 협대역 밴드 잡음에 강하며 시간축에서 적응형 등화기를 필요로 하지 않는 장점을 가진다. The OFDMA system is currently in the spotlight as one of the multiple access systems capable of simultaneously serving several different users while supporting high frequency band usage efficiency and transmission rate. In the OFDMA system, the total frequency resources are allocated to different users. Each user uses multiple subcarriers, which overlap on the frequency axis, but maintain orthogonality with each other due to the nature of the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) signal. Like the OFDM system, the OFDMA system is resistant to narrowband noise and does not require an adaptive equalizer on the time base.

반면, OFDMA 시스템 역시 OFDM 시스템과 같이 동기 문제에 매우 민감하며, 특히 주파수 오프셋이 존재하는 경우 부반송파간의 직교성을 유지하는 것이 어려워 부반송파간의 간섭(Inter Carrier Interference; 이하 ICI)을 야기하고 결과적으로 사용자간의 간섭인 다중 접속 간섭 현상(Multiple Access Interference; 이하 MAI)을 일으켜서 시스템의 성능이 극심하게 열화되는 문제점이 있다. 또한, OFDM 시스템의 경우나 방송채널과 같은 하향링크의 경우와는 달리 OFDMA 시스템의 상향 링크의 경우 사용자들의 전송 신호가 각기 다른 주파수 오프셋을 갖게 되므로 이러한 주파수 오프셋을 측정하고 제거하는 문제는 훨씬 더 어려운 문제가 된다. 주파수 오프셋을 추정하려는 특정 사용자의 신호는 주파수 오프셋 추정 알고리듬의 동작 이전에 먼저 다른 사용자들의 신호로부터 분리되어야 한다. 이를 위해 종래의 방법은 수신된 특정 사용자의 신호를 시간 영역에서 필터를 사용하여 서로 다른 사용자들의 신호로부터 분리하는 방법을 사용한다.On the other hand, OFDMA systems are also very sensitive to synchronization problems, like OFDM systems, and especially when frequency offsets exist, it is difficult to maintain orthogonality between subcarriers, causing Inter Carrier Interference (ICI). There is a problem that the performance of the system is severely degraded by causing multiple access interference (hereinafter referred to as MAI). In addition, unlike the case of the OFDM system or the downlink such as a broadcast channel, in the uplink of the OFDMA system, the user's transmission signal has a different frequency offset, so it is much more difficult to measure and remove the frequency offset. It is a problem. The signal of a particular user trying to estimate the frequency offset must first be separated from the signals of other users prior to the operation of the frequency offset estimation algorithm. To this end, the conventional method uses a method of separating a received user's signal from the signals of different users using a filter in the time domain.

도 1은 일반적인 OFDMA 시스템의 수신기에서 수신신호가 겪은 주파수 오프셋을 추정하고 보상하는 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다. FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating an apparatus for estimating and compensating a frequency offset experienced by a received signal in a receiver of a typical OFDMA system.

도 1을 참조하면, 수신기의 주파수 오프셋 추정 및 보상장치는 RF 수신부(101)과 반송파 주파수 오프셋(Carrier Frequency Offset : CFO) 추정부(102)를 구비한다. RF 수신부(101)는 안테나(ANT)를 통해 수신되는 RF 신호를 주파수 하향 변환(Frequency down converting)하여 기저대역(Base band)의 신호로 변환한다. 상기 CFO 추정부 (102)는 기저 대역 신호로 변환된 수신 OFDMA 신호를 해석하여 주파수 오프셋을 추정하려고 하는 특정 사용자 신호의 반송파 주파수 오프셋(CFO)를 추정한다. 상기의 CFO 추정부(102)에서 추정된 특정 사용자 신호의 주파수 오프셋은 하향링크 제어 채널을 통하여 특정사용자에게 제어 메시지의 형태로 전송되어 사용자 단말기의 송신단의 발진기를 제어하게 된다. 또는 상기의 추정된 특정 사용자의 주파수 오프셋은 기지국의 수신단 내에서 특정 사용자 신호가 겪게 된 주파수 오프셋에 의한 위상 변화를 보상하기 위해서 사용된다.Referring to FIG. 1, an apparatus for estimating and compensating a frequency offset of a receiver includes an RF receiver 101 and a carrier frequency offset (CFO) estimator 102. The RF receiver 101 converts an RF signal received through the antenna ANT into a baseband signal by performing frequency down converting. The CFO estimator 102 analyzes a received OFDMA signal converted into a baseband signal to estimate a carrier frequency offset (CFO) of a specific user signal to estimate a frequency offset. The frequency offset of the specific user signal estimated by the CFO estimator 102 is transmitted to a specific user in the form of a control message through a downlink control channel to control the oscillator of the transmitting end of the user terminal. Alternatively, the estimated frequency offset of the specific user is used to compensate for the phase change caused by the frequency offset experienced by the specific user signal in the receiving end of the base station.

이하 도 2와 도 3를 참조하여 일반적인 OFDMA 시스템의 서비스 대역에서 사용자들의 부반송파를 할당하는 방식을 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of allocating subcarriers of users in a service band of a typical OFDMA system will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

도 2는 일반적인 OFDMA 시스템에서 특정 사용자의 부반송파들이 서비스 대역의 특정 영역에 블록 형태로 할당되는 구조를 도시한 도면이다. FIG. 2 illustrates a structure in which subcarriers of a specific user are allocated in a block form to a specific region of a service band in a typical OFDMA system.

즉, OFDMA 시스템의 전체 부반송파의 개수를 N 이라 하고 서비스에 동시 접속한 사용자들의 수를 U라고 할 때, 모든 사용자들에게 균일(uniform)한 개수의 부반송파를 할당한다고 가정하면, 특정 사용자에게 할당된 부반송파의 개수는 N/U 이다. 이 N/U 개의 부반송파들은 블록 형태로 할당되어 주파수 영역의 인접한 위치를 차지하게 된다. 이러한 형태의 부반송파 할당 방식은 주파수 오프셋으로 인해 발생하는 부반송파간 간섭(ICI)이나, 주파수 오프셋으로 인해 발생하는 사용자간 다중 접속 간섭(MAI)에 비교적 적은 영향을 받을 수 있다. 그러나, 이러한 부반송파 할당 방식은 주파수 축에서의 다이버시티(diversity) 이득을 얻지 못하게 되고, 이에 따라 OFDMA의 장점인 협대역 간섭(narrow band interference)에 강한 특성을 잃어 버리게 된다. That is, assuming that the total number of subcarriers in the OFDMA system is N and the number of users concurrently accessing the service is U, assuming that a uniform number of subcarriers is allocated to all users, The number of subcarriers is N / U. These N / U subcarriers are allocated in block form to occupy adjacent positions in the frequency domain. This type of subcarrier allocation may be relatively less affected by intercarrier interference (ICI) caused by frequency offset or user-to-user multiple access interference (MAI) caused by frequency offset. However, this subcarrier allocation scheme does not gain diversity gain on the frequency axis, and thus loses strong characteristics against narrow band interference, which is an advantage of OFDMA.

도 3은 일반적인 OFDMA 시스템에서 특정 사용자의 부반송파들이 서비스 대역의 전 영역에 분포되는 형태로 할당되는 구조를 도시하는 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a structure in which subcarriers of a specific user are allocated in a form distributed in all areas of a service band in a general OFDMA system.

즉, OFDMA 시스템의 전체 부반송파의 개수를 N 이라 하고, 서비스에 동시 접속한 사용자들의 수를 U라고 할 때, 모든 사용자들에게 균일(uniform)한 개수의 부반송파를 할당한다고 가정하면, 특정 사용자에게 할당된 부반송파의 개수는 N/U 이다. 이 N/U 개의 부반송파들은 다른 사용자들의 부반송파들과 인터리빙(interleaving) 형태로 배치되어 전체 주파수 영역에 균일하게 분포하게 된다. 이러한 형태의 부반송파 할당 방식은 주파수 축에서의 다이버시티 이득을 최대로 얻을 수 있으며, 이에 따라 협대역 간섭에 강한 특성을 가지게 되는 장점이 있다. 그러나 이러한 부반송파 할당 방식은 사용자간 주파수 오프셋이 서로 다르므로 OFDMA 시스템의 상향 링크에서 주파수 오프셋을 추정하는 기지국 수신기의 구조를 복잡하게 하는 단점이 있다. That is, assuming that the total number of subcarriers of the OFDMA system is N and the number of users concurrently connected to the service is U, it is assumed that a uniform number of subcarriers is allocated to all users. The number of subcarriers received is N / U. These N / U subcarriers are arranged in the form of interleaving with other users' subcarriers to be uniformly distributed in the entire frequency domain. This type of subcarrier allocation scheme can maximize diversity gain on the frequency axis, and thus has a strong characteristic against narrowband interference. However, this subcarrier allocation scheme has a disadvantage in that the structure of the base station receiver for estimating the frequency offset in the uplink of the OFDMA system is different because the frequency offset between users is different.

도 4는 일반적인 OFDMA 시스템의 수신기에서 OFDMA 심볼에 내재된 위상의 변화를 관측하여 주파수 오프셋을 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 이는 특정 사용자의 OFDMA 송신 신호의 구조를 도시한 도면이다. FIG. 4 is a view for explaining a method of estimating a frequency offset by observing a phase change in an OFDMA symbol in a receiver of a typical OFDMA system, and illustrates a structure of an OFDMA transmission signal of a specific user.

도 4의 OFDMA 심볼에 내재된 위상의 변화를 관측하여 주파수 오프셋을 추정하는 방법은 주기적 전치 부호(Cyclic Prefix; 이하 CP라 함)가 전송 심볼의 특정 부분과 같은 패턴을 가진다는 특징을 이용하여 이들 간의 상관관계를 계산하여 시간축에서 주파수 오프셋을 추정하는 방법이다. 편의상 고려하는 OFDMA 시스템의 부반송파의 개수는 N개로 하였으며, 따라서 CP를 제외한 OFDM 심볼의 길이는 N 샘플, CP의 길이는 Cyclic prefix length로 도시하였다.The method of estimating the frequency offset by observing the change of phase inherent in the OFDMA symbol of FIG. 4 uses the feature that the cyclic prefix (CP) has the same pattern as a specific part of the transmission symbol. It is a method of estimating the frequency offset on the time axis by calculating the correlation between them. For convenience, the number of subcarriers in the OFDMA system is set to N. Therefore, the length of an OFDM symbol excluding the CP is N samples and the length of the CP is shown as a cyclic prefix length.

이하에서는 종래의 주파수 오프셋 추정 방식을 살펴본다.Hereinafter, a conventional frequency offset estimation method will be described.

도 5는 종래기술에 따른 OFDMA 시스템의 상향 링크에서 기지국 수신기의 사용자 주파수 오프셋 추정 장치를 도시한 블록 구성도이다. 5 is a block diagram illustrating an apparatus for estimating a user frequency offset of a base station receiver in an uplink of an OFDMA system according to the prior art.

도 5에서 편의상 서비스되는 전체 사용자의 수는 U로 가정한다. 도 5를 참조하면, 종래기술에 따른 사용자의 주파수 오프셋 추정 장치는 필터(501-1 ~ 501-U)와 지연기(502-1 ~ 502-U)와 곱셈기(503-1 ~ 503-U)와 누적기(504-1 ~ 504-U)와 위상검출기(505-1 ~ 505-U)와 곱셈기(506-1 ~ 506-U)을 구비한다. 종래기술에 따른 주파수 오프셋 추정 장치는 시간축에서 여러 개의 필터를 사용하여 사용자 별 신호를 분리한 후 CP 부분을 이용하여 시간축에서 주파수 오프셋을 추정하는 바, 각 블 록의 동작을 상세하게 살펴본다.In FIG. 5, it is assumed that the total number of users served for convenience is U. FIG. Referring to FIG. 5, a frequency offset estimation apparatus for a user according to the related art includes filters 501-1 to 501-U, delayers 502-1 to 502-U, and multipliers 503-1 to 503-U. And accumulators 504-1 through 504-U, phase detectors 505-1 through 505-U, and multipliers 506-1 through 506-U. The frequency offset estimation apparatus according to the related art separates signals for each user using a plurality of filters on the time axis, and then estimates the frequency offset on the time axis using the CP part. The operation of each block is described in detail.

도 5에서 상기 필터(501-1 ~ 501-U)는 기저대역 변환된 상향링크 수신 신호들에서 주파수 오프셋을 추정하려는 특정 사용자의 신호를 분리하는 동작을 수행한다. 상기 지연기(502-1 ~ 502-U)는 상기 필터(501-1 ~ 501-U)에 의해 분리된 사용자별 신호들을 지정된 값(N) 동안 지연시킨 후 이 값을 상기 곱셈기(503-1 ~ 503-U)로 출력한다. 상기 곱셈기 (503-1 ~ 503-U)는 지연된 수신신호의 켤레 신호와 현재 수신된 신호를 곱하여 수신 신호간의 상관값을 상기 누적기 (504-1 ~ 504-U)으로 출력한다. 즉, 수신 신호에서 CP 부분과 전송 데이터의 같은 패턴 간의 위상차를 비교하여 상기 누적기(504-1 ~ 504-U)로 출력한다. 상기 누적기(504-1 ~ 504-U)는 수신 신호간의 상관값을 누적하며, 상기 위상 검출기(505-1 ~ 505-U)는 누적기(504-1 ~ 504-U)의 출력 신호에서 위상을 검출한다. 그리고 상기 곱셈기(506-1 ~ 506-U)는 상기 위상 검출기(505-1 ~ 505-U)의 출력에 1/(2*원주율)을 곱하여 주파수 오프셋을 계산한다.In FIG. 5, the filters 501-1 to 501 -U separate a signal of a specific user to estimate a frequency offset from baseband-converted uplink received signals. The delayers 502-1 to 502-U delay the user-specific signals separated by the filters 501-1 to 501-U for a specified value N, and then multiply this value by the multiplier 503-1. ~ 503-U). The multipliers 503-1 to 503-U multiply the conjugate signal of the delayed received signal by the currently received signal and output a correlation value between the received signals to the accumulators 504-1 to 504-U. That is, the phase difference between the CP portion and the same pattern of the transmission data in the received signal is compared and output to the accumulators 504-1 to 504-U. The accumulators 504-1 to 504-U accumulate correlation values between the received signals, and the phase detectors 505-1 to 505-U accumulate the output signals of the accumulators 504-1 to 504-U. Detect phase. The multipliers 506-1 to 506-U multiply the outputs of the phase detectors 505-1 to 505-U by 1 / (2 * circumference) to calculate a frequency offset.

상기한 바와 같이 종래 기술의 사용자 상향 링크 신호의 주파수 오프셋 추정 방법은 필터를 이용하여 여러 사용자의 중첩된 신호에서 특정 사용자의 신호를 분리하는 동작을 수행한다. 이는 앞서 설명한 도 2와 도 3에서 설명한 사용자 부반송파 할당 방식 중 도 2와 같이 특정 사용자의 부반송파들이 인접한 주파수 대역에 위치하는 블록 할당 구조를 사용하는 경우에 적합한 방법으로 도 3과 같이 서로 다른 사용자의 부반송파들이 주파수 대역에서 섞여서 분포되는 부반송파 인터리빙 할당 구조에는 적용하기 어려운 단점이 있다.As described above, the frequency offset estimation method of a user uplink signal of the prior art performs an operation of separating a signal of a specific user from overlapping signals of several users using a filter. This is a method suitable for a case in which a user-carrier allocation scheme described above with reference to FIGS. 2 and 3 uses a block allocation structure in which subcarriers of a specific user are located in an adjacent frequency band, as shown in FIG. 2. Are difficult to apply to the subcarrier interleaving allocation structure in which they are mixed in a frequency band.

따라서, 도 3에서 설명한 방식과 같이 사용자의 신호가 충분한 주파수 다이버시티를 얻도록 하기 위해서는 OFDMA 시스템의 전 주파수 대역에 걸쳐서 다른 사용자들의 부반송파들과 섞여서 분포되는 인터리빙 구조에 적합한 보다 효율적인 주파수 오프셋 추정장치와 방법이 요구되고 있다.Therefore, in order to obtain sufficient frequency diversity of the user's signal as described in FIG. 3, a more efficient frequency offset estimator suitable for an interleaving structure distributed and mixed with subcarriers of other users over the entire frequency band of the OFDMA system; A method is required.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, OFDMA 시스템의 상향 링크에서 대역폭을 소비하지 않고도 사용자의 주파수 오프셋을 추정할 수 있는 주파수 오프셋 추정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention proposed to solve the problems of the prior art as described above, the object of the present invention is to provide a frequency offset estimation apparatus and method for estimating a frequency offset of a user without consuming bandwidth in the uplink of the OFDMA system have.

또한 본 발명은, OFDMA 시스템의 상향 링크에서 수신기의 하드웨어 복잡도를 증가시키지 않으면서 사용자의 주파수 오프셋을 추정할 수 있는 주파수 오프셋 추정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a frequency offset estimation apparatus and method for estimating a frequency offset of a user without increasing hardware complexity of a receiver in an uplink of an OFDMA system.

또한 본 발명은, OFDMA 시스템의 상향 링크에서 사용자들의 부반송파들이 주파수 대역에서 섞여서 분포되는 부반송파 인터리빙 할당 구조에 적합한 사용자 주파수 오프셋 추정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for estimating a user frequency offset suitable for a subcarrier interleaving allocation structure in which subcarriers of users are mixed in a frequency band in an uplink of an OFDMA system.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA) 시스템의 상향 링크에서 주파수 오프셋의 추정 장치는 서로 다른 시간 지연을 가지는 제1 관찰 윈도우와 제2 관찰 윈도우를 통해, 수신 신호로부터 소정의 시간 지연 차를 갖는 적어도 두 개의 시간 영역 신호를 출력하는 관찰 윈도우 설정부와; 상기 적어도 두 개의 시간 영역 신호를 적어도 두 개의 주파수 영역 신호로 변환하는 푸리에 변환부와; 상기 제1 및 제2 관찰 윈도우간의 상기 시간 지연 차이에 의한 위상 변화를 보상하는 위상보상부와; 상기 위상 변화가 보상된 상기 적어도 두 개의 주파수 영역 신호에서 상기 주파수 오프셋을 추정하려고 하는 특정 사용자의 부반송파들을 선택하는 부반송파 선택기와; 상기 선택된 부반송파들로부터 동일한 부반송파 인덱스를 갖는 부반송파간의 위상차를 구하고, 상기 위상차를 근거로 상기 특정 사용자의 수신 신호에 대한 주파수 오프셋을 추정하는 주파수 오프셋 추정 수단을 포함한다.In order to achieve the above object, an apparatus for estimating a frequency offset in an uplink of an orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) system according to an embodiment of the present invention is provided through a first observation window and a second observation window having different time delays. An observation window setting unit for outputting at least two time domain signals having a predetermined time delay difference from the received signal; A Fourier transformer converting the at least two time domain signals into at least two frequency domain signals; A phase compensator for compensating for a phase change caused by the time delay difference between the first and second observation windows; A subcarrier selector for selecting subcarriers of a specific user to estimate the frequency offset in the at least two frequency domain signals compensated for by the phase change; Frequency offset estimation means for obtaining a phase difference between subcarriers having the same subcarrier index from the selected subcarriers and estimating a frequency offset for the received signal of the specific user based on the phase difference.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA) 시스템의 상향 링크에서 주파수 오프셋의 추정 방법은 서로 다른 시간 지연을 가지는 제1 관찰 윈도우와 제2 관찰 윈도우를 통해, 수신신호로부터 소정의 시간 지연 차를 갖는 적어도 두 개의 시간 영역 신호를 설정하는 단계와; 상기 적어도 두 개의 시간 영역 신호를 적어도 두 개의 주파수 영역 신호로 변환하는 단계와; 상기 제1 및 제2 관찰 윈도우간의 상기 시간 지연 차에 의한 위상 변화를 보상하는 단계와; 상기 위상 변화가 보상된 상기 적어도 두 개의 주파수 영역 신호에서 상기 주파수 오프셋을 추정하려고 하는 특정 사용자의 부반송파들을 선택하는 단계와; 상기 선택된 부반송파들로부터 동일한 부반송파 인덱스를 갖는 부반송파간의 위상차를 구하는 단계와; 상기 위상차를 근거로 상기 특정 사용자의 수신 신호에 대한 주파수 오프셋을 추정하는 단계를 포함한다.In addition, the method for estimating the frequency offset in the uplink of an orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) system according to an embodiment of the present invention for achieving the above object through a first observation window and a second observation window having different time delays. Setting at least two time domain signals having a predetermined time delay difference from the received signal; Converting the at least two time domain signals into at least two frequency domain signals; Compensating for a phase change caused by the time delay difference between the first and second observation windows; Selecting subcarriers of a particular user to estimate the frequency offset in the at least two frequency domain signals whose phase change is compensated for; Obtaining a phase difference between subcarriers having the same subcarrier index from the selected subcarriers; Estimating a frequency offset of the received signal of the specific user based on the phase difference.

상기한 구성을 갖는 본 발명에 따른 OFDMA 시스템의 기지국 수신기는 시스템의 중요한 리소스인 대역폭을 소비하지 않고 추정하고자 하는 특정 사용자의 주파수 오프셋을 추정할 수 있으며, 수신기에서 훈련열 없이 주파수 오프셋을 추정할 시 수신단 주파수 오프셋 추정기의 하드웨어 복잡도를 증가시키지 않으며, 특히 주파수 다이버시티를 얻기 위하여 사용자들의 부반송파들을 전체 서비스 주파수 대역에 걸쳐 섞어서 할당하는 부반송파 인터리빙 할당 구조에서 하드웨어의 복잡도를 증가시키지 않고 특정 사용자의 주파수 오프셋을 대역폭의 소비없이 추정할 수 있는 효율적인 주파수 오프셋 추정과 제어를 이룰 수 있다.The base station receiver of the OFDMA system according to the present invention having the above-described configuration can estimate a frequency offset of a specific user to estimate without consuming bandwidth, which is an important resource of the system. It does not increase the hardware complexity of the receiver frequency offset estimator, and in particular the frequency offset of a particular user without increasing the complexity of the hardware in a subcarrier interleaving assignment scheme that mixes and assigns subcarriers of users over the entire service frequency band to obtain frequency diversity. Efficient frequency offset estimation and control can be achieved without consuming bandwidth.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 시스템의 수신기에서 주파수 오프셋 추정 장치의 구성을 개념적으로 나타낸 블록 구성도이다. 6 is a block diagram conceptually illustrating a configuration of an apparatus for estimating a frequency offset in a receiver of an OFDMA system according to an embodiment of the present invention.

도 6의 도면에서

Figure 112006047141759-PAT00001
는 두 개의 관찰 윈도우(observation window 1, 2)간의 시간 지연을 나타내며, U는 상향 링크에 접속한 전체 사용자들의 수를 나타낸 것이다. 그리고
Figure 112006047141759-PAT00002
는 n번째 OFDMA 신호를 i번째 관찰 윈도우(i=1,2)를 통하여 출력한 후 푸리에 변환한 주파수 영역 부반송파 중 p 번째 부반송파를 나타내며, p∈{u}는 u 번째 사용자에 속하는 부반송파의 인덱스들을 나타낸 것이다.In the drawing of FIG. 6
Figure 112006047141759-PAT00001
Denotes the time delay between two observation windows 1 and 2, and U denotes the total number of users connected to the uplink. And
Figure 112006047141759-PAT00002
Denotes the pth subcarrier of the Fourier transformed frequency domain subcarriers after outputting the nth OFDMA signal through the i th observation window (i = 1,2), and p∈ {u} denotes indices of subcarriers belonging to the u th user. It is shown.

도 6을 참조하면, OFDMA 시스템의 상향 링크에서 기지국 수신기는 수신된 사 용자의 신호를 주파수 하향 변환한 후, 기저대역의 사용자 신호를 기 설정된 두 개의 관찰 윈도우(601, 611)에 따라 소정의 시간 지연 차를 갖는 두 개의 서로 다른 시간 영역 신호로 출력한다. 상기 두 개의 서로 다른 시간 영역 신호는 두 개의 고속 푸리에 변환기(Fast Fourier Transform; 이하 FFT)(602, 612)를 통하여 두 개의 주파수 영역의 OFDMA 신호로 변환된다. 상기 두 개의 주파수 영역의 OFDMA 신호에는 주파수 대역에서 분리된 서로 다른 사용자들의 부반송파들이 위치하게 된다. 이 때 두 개의 푸리에 변환된 주파수 영역의 OFDMA 신호에 들어있는 부반송파들 중 특정 사용자의 부반송파들만을 선택하면 시간 영역에서 필터를 통한 사용자의 구별 과정을 요하지 않고도 주파수 오프셋을 추정하려는 사용자의 신호만을 분리해 낼 수 있다. Referring to FIG. 6, in an uplink of an OFDMA system, a base station receiver down-converts a received user signal and then converts a baseband user signal into a predetermined time according to two preset observation windows 601 and 611. Output as two different time domain signals with delay differences. The two different time domain signals are transformed into OFDMA signals in two frequency domains through two Fast Fourier Transforms (FFTs) 602 and 612. In the OFDMA signals of the two frequency domains, subcarriers of different users separated from frequency bands are located. At this time, if only the subcarriers of a specific user are selected among the subcarriers included in the two Fourier transformed frequency domain OFDMA signals, only the user's signal for estimating the frequency offset is separated without requiring the user's distinction through the filter in the time domain. I can make it.

이렇게 선택된 특정 사용자의 2개의 부반송파 신호 세트 중에서 같은 주파수 대역에 위치한 반송파간의 위상 차이를 비교하면 특정 사용자의 신호가 상향 링크에서 겪게 된 주파수 오프셋을 추정할 수 있게 된다. 즉, 제1 관찰 윈도우(601)로부터 출력된 신호의 푸리에 변환된 부반송파와 같은 인덱스를 가진 제2 관찰 윈도우 2(611)로부터 출력된 신호의 부반송파간의 복소 켤레 신호를 곱하면 주파수 오프셋으로 인한 위상의 변화를 관찰할 수 있으므로 이 값을 누적하면 특정 사용자 신호가 겪은 주파수 오프셋을 추정할 수 있다. 단, 이 때 도 6에서 도시한 바와 같이 제1, 제2 관찰 윈도우(601, 611)간의 설정된 시간지연에 따른 상대적인 위상의 천이는 제2 관찰 윈도우(611)에 대응하는 주파수 영역 신호에 대해서 위상 보상기(613)에 의해 보상이 된다.Comparing the phase difference between carriers located in the same frequency band among the two subcarrier signal sets of the selected specific user, the frequency offset experienced by the specific user signal in the uplink can be estimated. That is, multiplying the complex conjugate signal between the subcarriers of the signal output from the second observation window 2 611 having the same index as the Fourier transformed subcarrier of the signal output from the first observation window 601 results in the phase due to the frequency offset. Since changes can be observed, accumulating these values can estimate the frequency offset experienced by a particular user signal. In this case, as shown in FIG. 6, the relative phase shift according to the set time delay between the first and second observation windows 601 and 611 is phased with respect to the frequency domain signal corresponding to the second observation window 611. Compensation is made by the compensator 613.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 시스템의 수신기에서 주파수 오프셋 추정 장치의 구성을 도시한 블럭 구성도이다. 7 is a block diagram showing the configuration of an apparatus for estimating a frequency offset in a receiver of an OFDMA system according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오프셋 추정 장치는 CP와 OFDMA 수신 심볼을 포함하는 시간 영역의 수신 신호를 입력받아 기 설정된 두 개의 관찰 윈도우에 따라 소정의 시간 지연 차를 갖는 두 개의 서로 다른 시간 영역 신호로 분리하기 위한 관찰 윈도우 설정부(701)와, 상기 관찰 윈도우 설정부(701)를 통해 출력되는 두 개의 시간 영역 신호를 주파수 영역의 OFDMA 신호로 변환하는 푸리에 변환부(702)와, 상기 푸리에 변환된 두 주파수 영역 신호에서 설정된 관찰 윈도우간 시간지연에 따른 위상 변화를 보상하는 위상보상부(703)와, 상기 위상보상된 두 주파수 영역 신호에서 주파수 오프셋을 추정하려고 하는 특정 사용자의 부반송파만을 선택하는 부반송파선택기(704)와, 선택된 부반송파들의 세트에서 동일한 부반송파 인덱스를 가지는 부반송파간의 위상차를 비교하는 위상차 비교기(705)와, 상기 위상차 비교기(705)의 출력을 입력 받아 신호의 위상을 검출하는 위상검출기(706), 위상검출기(706)의 출력에 관찰윈도우 간의 시간차, OFDMA 심볼의 길이와 원주율을 고려한 크기 변환을 위한 곱셈기(707)를 구비하여 구성된다.Referring to FIG. 7, an apparatus for estimating frequency offset according to an embodiment of the present invention receives two received signals in a time domain including CP and OFDMA received symbols and has a predetermined time delay difference according to two preset observation windows. An observation window setting unit 701 for separating into two different time domain signals, and a Fourier transform unit 702 for converting two time domain signals outputted through the observation window setting unit 701 into OFDMA signals in a frequency domain ), A phase compensator 703 for compensating for the phase change according to the time delay between the observation windows set in the two Fourier transformed frequency domain signals, and a specific user who is trying to estimate the frequency offset in the phase compensated two frequency domain signals. A subcarrier selector 704 that selects only subcarriers of the subcarrier and a subcarrier having the same subcarrier index in the selected set of subcarriers A phase difference comparator 705 for comparing the phase difference between the waves, a phase detector 706 for detecting the phase of the signal by receiving the output of the phase difference comparator 705, and a time difference between the observation windows at the output of the phase detector 706, OFDMA And a multiplier 707 for size conversion considering the length and circumference of the symbol.

여기서, 두 관찰 윈도우 중 하나는 적어도 CP의 일부를 포함하고, 두 관찰 윈도우는 모두 CP를 제외한 OFDM의 심볼과 동일한 길이를 갖는다. 그리고 관찰 윈도우 중

Figure 112006047141759-PAT00003
인 경우도 있으므로, 이 경우를 제외하고는 모든 관찰 윈도우는 CP의 일부를 포함하게 된다.Here, one of the two observation windows includes at least a part of the CP, and both observation windows have the same length as the symbols of the OFDM except the CP. And out of the observation window
Figure 112006047141759-PAT00003
In some cases, except for this case, all observation windows include a part of the CP.

이하에서는 상기한 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 시스템이 적용되는 도 7의 수신기의 동작을 상세히 살펴본다.Hereinafter, the operation of the receiver of FIG. 7 to which the OFDMA system according to the embodiment of the present invention having the above configuration is applied will be described in detail.

도 7에서 관찰 윈도우 설정부(701)은 수신된 OFDMA 심볼을 설정된 관찰 윈도우에 따라 두 개의 서로 다른 시간 영역 신호로 분리하여 고속 푸리에 변환기(702)로 출력한다. 관찰 윈도우 설정부(701)로부터 출력되는 두 개의 시간 영역 신호는 하기의 <수학식1>과 같이 매트릭스 형태로 간략하게 표현할 수 있다.In FIG. 7, the observation window setting unit 701 separates the received OFDMA symbol into two different time domain signals according to the set observation window and outputs the same to the fast Fourier transformer 702. The two time-domain signals output from the observation window setting unit 701 may be simply expressed in a matrix form as shown in Equation 1 below.

Figure 112006047141759-PAT00004
Figure 112006047141759-PAT00004

여기서,

Figure 112006047141759-PAT00005
는 관찰 윈도우의 시간 지연에 따른 수신 신호의 위상차를 나타내며,
Figure 112006047141759-PAT00006
는 주파수 오프셋에 의해 발생하는 시간 영역 수신 신호의 위상 변화를 나타낸다. 또한 u는 주파수 오프셋을 추정하려는 u번째 사용자를 나타내며,
Figure 112006047141759-PAT00007
는 p번째 사용자의 전송 데이터의 채널 응답 성분을 나타내며, n은 수신된 n번째 OFDMA 신호를 나타내며,
Figure 112006047141759-PAT00008
는 추정하려는 주파수 오프셋 값이다. 또한, W는 하기의 <수학식 2>와 같은 N by N 역 푸리에 변환(Inverse Discrete Fourier Transform; 이하 IDFT라 함) 매트릭스를 나타낸다.here,
Figure 112006047141759-PAT00005
Represents the phase difference of the received signal according to the time delay of the observation window,
Figure 112006047141759-PAT00006
Denotes the phase change of the time-domain received signal caused by the frequency offset. U also represents the u-th user who wants to estimate the frequency offset,
Figure 112006047141759-PAT00007
Denotes a channel response component of the p-th user's transmission data, n denotes the received n-th OFDMA signal,
Figure 112006047141759-PAT00008
Is the frequency offset value to be estimated. W represents an N by N Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) matrix as shown in Equation 2 below.

Figure 112006047141759-PAT00009
Figure 112006047141759-PAT00009

상기한 <수학식 1>의 설명에서

Figure 112006047141759-PAT00010
은 m번째 요소가 a(m)인 1 by N 벡터를 나타낸다.In the above description of <Equation 1>
Figure 112006047141759-PAT00010
Denotes a 1 by N vector whose mth element is a (m).

도 7에서 푸리에 변환부(702)는 상기 관찰윈도우 설정부(701)의 두 개의 출력을 입력으로 받아 각각 푸리에 변환을 수행한 후 위상 보상부(703)으로 출력한다. 상기 위상 보상부(703)은 제1 관찰 윈도우(601)와 제2 관찰 윈도우(611) 사이 에 설정되었던 시간차이

Figure 112006047141759-PAT00011
에 의해 발생한 상기 <수학식 1>에 표현된
Figure 112006047141759-PAT00012
Figure 112006047141759-PAT00013
간의 위상의 천이
Figure 112006047141759-PAT00014
를 보상하여 상기 제1, 제2 관찰 윈도우(601, 611) 구간에 따른 2개의 N by 1 벡터의 주파수 영역 신호를 사용자 부반송파 선택기(704)로 출력한다. 사용자 부반송파 선택기(704)는 입력된 두 개의 N by 1 벡터의 주파수 영역 신호에서 주파수 오프셋을 추정하려는 사용자의 부반송파 성분만을 선택하여 위상차비교기(705)에 출력한다. 하기의 <수학식 3>은 상기 제1 관찰 윈도우(601)에 대응하는 부반송파 선택기(704)의 출력 신호이다. In FIG. 7, the Fourier transform unit 702 receives two outputs of the observation window setting unit 701 as inputs, performs Fourier transform, and then outputs them to the phase compensator 703. The phase compensator 703 has a time difference set between the first observation window 601 and the second observation window 611.
Figure 112006047141759-PAT00011
Expressed by Equation 1 generated by
Figure 112006047141759-PAT00012
and
Figure 112006047141759-PAT00013
Transition of phase of liver
Figure 112006047141759-PAT00014
By compensating for the frequency domain signals of two N by 1 vectors along the first and second observation windows 601 and 611, the user subcarrier selector 704 is output. The user subcarrier selector 704 selects only the subcarrier components of the user whose frequency offset is to be estimated from the input frequency domain signals of the two N by 1 vectors and outputs them to the phase difference comparator 705. Equation 3 below is an output signal of the subcarrier selector 704 corresponding to the first observation window 601.

여기서

Figure 112006047141759-PAT00016
는 푸리에 변환된 N by 1 벡터 성분중 사용자 u에게 할당된 부반송파 신호를 골라내는 함수이다. 즉, N 개의 부반송파 중 L(=N/U)개의 부반송파를 선택하기 위한 L by N 매트릭스로서 그 성분인
Figure 112006047141759-PAT00017
는 k 번째 부반송파가 사용자 u의 l 번째 성분이 될 때에만 1이고, 나머지는 0으로 이루어지게 된다.here
Figure 112006047141759-PAT00016
Is a function of selecting a subcarrier signal assigned to user u among Fourier transformed N by 1 vector components. That is, the L by N matrix for selecting L (= N / U) subcarriers among the N subcarriers,
Figure 112006047141759-PAT00017
Is 1 only when the k-th subcarrier becomes the l-th component of the user u, and the rest is 0.

하기의 <수학식 4>는 제2 관찰 윈도우(611)의 주파수 영역 신호에 상기 위상 보상부(703)의 위상 보상을 수행하고 사용자 부반송파선택기(704)를 통과한 주파수 영역 신호

Figure 112006047141759-PAT00018
를 나타낸다.Equation 4 below performs the phase compensation of the phase compensator 703 to the frequency domain signal of the second observation window 611 and passes the user subcarrier selector 704 to the frequency domain signal.
Figure 112006047141759-PAT00018
Indicates.

Figure 112006047141759-PAT00019
Figure 112006047141759-PAT00019

여기서

Figure 112006047141759-PAT00020
는 제1 관찰 윈도우(601)와 제2 관찰 윈도우(611) 출력간의 시간차에 의한 위상차이를 보상하는 부분이다. here
Figure 112006047141759-PAT00020
Is a portion that compensates for the phase difference due to the time difference between the output of the first observation window 601 and the second observation window 611.

상기의 동작을 보다 상세히 설명하면, 푸리에 변환된 제2 관찰 윈도우(611)의 주파수 영역 신호는 푸리에 변환된 제1 관찰 윈도우(601)로부터의 신호와 부가적인 위상 차이를 갖는다. 이 위상의 차이는 관찰 윈도우 간의 시간 차이

Figure 112006047141759-PAT00021
에 의한 위상 변화 성분과 수신 신호가 겪은 주파수 오프셋에 의한 위상 변화 성분을 포함한다. 즉, 시간 영역 신호
Figure 112006047141759-PAT00022
는 시간 영역 신호
Figure 112006047141759-PAT00023
으로부터
Figure 112006047141759-PAT00024
Figure 112006047141759-PAT00025
의 위상 차이를 가지게 되므로 푸리에 변환된 주파수 영역 신호
Figure 112006047141759-PAT00026
Figure 112006047141759-PAT00027
로부터 같은 수준의 위상 차이를 갖는 다. 따라서 위상보상기(703)의 동작과 같이
Figure 112006047141759-PAT00028
에 대한 위상천이를 보상하면 주파수 오프셋에 의한 위상의 변화 성분만이 남게 된다.In more detail, the frequency domain signal of the Fourier transformed second observation window 611 has an additional phase difference from the signal from the Fourier transformed first observation window 601. This phase difference is the time difference between observation windows
Figure 112006047141759-PAT00021
It includes a phase change component by and a phase change component by the frequency offset experienced by the received signal. That is, time domain signal
Figure 112006047141759-PAT00022
Time domain signal
Figure 112006047141759-PAT00023
From
Figure 112006047141759-PAT00024
Wow
Figure 112006047141759-PAT00025
Fourier transformed frequency-domain signal
Figure 112006047141759-PAT00026
Degree
Figure 112006047141759-PAT00027
From the same level of phase difference. Therefore, as in the operation of the phase compensator 703
Figure 112006047141759-PAT00028
Compensating the phase shift with respect to leaves only the component of the phase change due to the frequency offset.

따라서, 이를 적용하면 하기의 <수학식 5>와 같이 사용자 u의 주파수 오프셋 v를 얻을 수 있다.Therefore, by applying this, the frequency offset v of the user u can be obtained as shown in Equation 5 below.

Figure 112006047141759-PAT00029
Figure 112006047141759-PAT00029

상기의 <수학식 5>는 다음과 같이 구현한다. 위상 비교기(705)는 상기의 <수학식 3>과 <수학식 4>에 의해 표현된

Figure 112006047141759-PAT00030
Figure 112006047141759-PAT00031
사이의 위상의 차이를 비교하여 출력한다. 즉,
Figure 112006047141759-PAT00032
Figure 112006047141759-PAT00033
의 켤레 복소수와의 곱을 취해 두 신호간의 위상 차이인
Figure 112006047141759-PAT00034
를 구한 후 위상 검출기(706)으로 출력한다. 위상검출기(706)은 입력된 신호에서 위상을 검출하여 곱셈기 (707)로 출력하고, 곱셈기(707)은
Figure 112006047141759-PAT00035
를 곱한 후 최종적으로 사용자 u의 주파수 오프셋 v를 출력한 다.Equation 5 is implemented as follows. The phase comparator 705 is represented by Equations 3 and 4 above.
Figure 112006047141759-PAT00030
and
Figure 112006047141759-PAT00031
Compare the phase difference between the outputs. In other words,
Figure 112006047141759-PAT00032
and
Figure 112006047141759-PAT00033
Multiply by the complex conjugate of to determine the phase difference between the two signals,
Figure 112006047141759-PAT00034
Is obtained and output to the phase detector 706. The phase detector 706 detects a phase from the input signal and outputs the phase to the multiplier 707. The multiplier 707
Figure 112006047141759-PAT00035
Multiply by and finally output the frequency offset v of user u.

도 8은 도 7에 도시된 위상 비교기(705)의 구성을 도시한 도면으로서, 위상 비교기(705)의 상세 동작은 도 8을 참조하여 설명한다. 위상 비교기(705)는 제1 관찰윈도우에 대응하는

Figure 112006047141759-PAT00036
의 성분과
Figure 112006047141759-PAT00037
성분의 켤레 복소수와의 곱을 취한다. 이를
Figure 112006047141759-PAT00038
Figure 112006047141759-PAT00039
의 부반송파로 표현하면, 제1 관찰윈도우에 대응하는
Figure 112006047141759-PAT00040
Figure 112006047141759-PAT00041
의 켤레 곱을 취한 후 사용자 u에게 할당된 부반송파 성분들의 복소합을 취한다. 여기서 p는 부반송파의 인덱스로 p가 사용자 u에게 할당된 경우만 위상차 비교에 반영이 된다. FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the phase comparator 705 shown in FIG. 7, and the detailed operation of the phase comparator 705 will be described with reference to FIG. 8. The phase comparator 705 corresponds to the first observation window.
Figure 112006047141759-PAT00036
With the ingredients of
Figure 112006047141759-PAT00037
Take the product of the complex conjugate of the component. This
Figure 112006047141759-PAT00038
and
Figure 112006047141759-PAT00039
In terms of the subcarrier of, corresponding to the first observation window
Figure 112006047141759-PAT00040
and
Figure 112006047141759-PAT00041
After taking the conjugate product of, we take the complex sum of the subcarrier components assigned to user u. Here, p is an index of the subcarrier and is reflected in the phase difference comparison only when p is assigned to the user u.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 OFDMA 시스템의 수신기에서 주파수 오프셋 추정 방법을 나타낸 플로우챠트로서, 이는 도 7의 구성을 갖는 수신기에서 주파수 오프셋 추정 과정을 나타낸 것이다.9 is a flowchart illustrating a frequency offset estimation method in a receiver of an OFDMA system according to an embodiment of the present invention, which illustrates a frequency offset estimation process in a receiver having the configuration of FIG. 7.

도 9의 901 단계에서 관찰 윈도우 설정부(701)는 수신된 상향 링크 사용자의 기저대역 신호에 소정의 시간차이를 가지는 제1, 제2 관찰 윈도우를 설정한다. 즉, OFDM 수신 심볼을 설정된 관찰 윈도우에 따라 서로 다른 시간 영역으로 분리한다. 902 단계에서 고속 푸리에 변환부(702)는 제1, 제2 관찰 윈도에 대응하는 두 개의 시간 영역 신호를 주파수 영역의 OFDMA신호들로 변환하고,, 903 단계에서 위상 보상부(703)는 두 관찰 윈도우간의 시간차이에 의한 위상 천이를 보상한다. 이후 904 단계에서 부반송파 선택기(704)는 위상 보상된 두 개의 주파수 영역 OFDMA 신호에서 주파수 오프셋을 추정하고자 하는 사용자의 부반송파를 각각 골라낸다. 이어서, 905 단계에서 위상비교기(705)는 해당되는 사용자의 부반송파만 남은 제1, 제2 관찰 윈도에 대응하는 두 개의 주파수 영역 OFDMA 신호간에 같은 부반송파 인덱스를 가진 부반송파간의 위상 차이를 비교한다 이때 위상 비교기(705)는 제1 관찰 윈도우로부터 나온 부반송파 신호에 제2 관찰 윈도우로부터 나온 부반송파 신호를 켤레 곱하여 위상의 차이를 구한다. 906 단계에서 위상 검출기(706)는 위상 비교기(705)로부터 전달된 부반송파간의 위상 차이를 근거로 특정 사용자 신호에서 상향링크 주파수 오프셋에 의한 위상 천이를 검출한다. 이후 수신기는 907 단계에서 검출된 위상 값에

Figure 112006047141759-PAT00042
를 곱한 후(S907), 908 단계에서 최종적으로 특정 사용자 신호의 주파수 오프셋을 출력한다.In step 901 of FIG. 9, the observation window setting unit 701 sets first and second observation windows having a predetermined time difference to the received baseband signal of the uplink user. That is, the OFDM received symbols are separated into different time domains according to the set observation window. In step 902, the fast Fourier transform unit 702 converts two time-domain signals corresponding to the first and second observation windows into OFDMA signals in the frequency domain, and in step 903, the phase compensator 703 observes the two observations. Compensate for the phase shift due to the time difference between the windows. Subsequently, in step 904, the subcarrier selector 704 selects a subcarrier of a user who wants to estimate a frequency offset from two phase compensated frequency domain OFDMA signals. Next, in step 905, the phase comparator 705 compares a phase difference between subcarriers having the same subcarrier index between two frequency domain OFDMA signals corresponding to the first and second observation windows in which only a subcarrier of a corresponding user remains. 705 calculates the difference in phase by multiplying the subcarrier signal from the first observation window by the conjugate of the subcarrier signal from the second observation window. In operation 906, the phase detector 706 detects a phase shift due to an uplink frequency offset in a specific user signal based on a phase difference between subcarriers transmitted from the phase comparator 705. The receiver then replies with the phase value detected in step 907.
Figure 112006047141759-PAT00042
After multiplying by (S907), in step 908 finally outputs the frequency offset of the particular user signal.

도 10 및 도 11은백색 가우시안 잡음 채널에서 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 오프셋 추정 장치의 성능을 도시한 그래프이다.10 and 11 are graphs showing the performance of the frequency offset estimation apparatus according to an embodiment of the present invention in a white Gaussian noise channel.

도 10의 그래프 특성을 나타내는 컴퓨터 모의 실험에서 서브 캐리어의 갯수는 256, 보호 구간의 길이는 32샘플, 동시 접속자의 수는 8명을 사용하였다. 각각의 사용자는 서비스 주파수 대역에서 균일하게 분포된 32개씩의 부반송파를 할당받는 인터리빙 구조를 사용하였다. 그래프의 가로축은 수신 신호의 신호대 잡음비(SNR)를 나타내며, 세로축은 추정된 주파수 오프셋의 평균 제곱 오차 값(Nomalized MSE)을 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에서 제안한 방법은 사용자의 신호가 겪은 주파수 오프셋이 크지 않은 경우 매우 우수한 평균 제곱 오차값을 보였으며, 사용자의 주파수 오프셋이 커질수록 성능의 열화를 보였다.In the computer simulation showing the graph characteristics of FIG. 10, the number of subcarriers was 256, the length of the guard interval was 32 samples, and the number of simultaneous accessors was 8 people. Each user uses an interleaving structure in which 32 subcarriers are uniformly distributed in the service frequency band. The horizontal axis of the graph represents the signal-to-noise ratio (SNR) of the received signal, and the vertical axis represents the average squared error value (Nomalized MSE) of the estimated frequency offset. As shown in FIG. 10, the method proposed in the embodiment of the present invention showed a very good mean square error value when the frequency offset experienced by the user signal is not large, and the performance deteriorates as the frequency offset of the user increases.

또한 도 11은 동시 접속한 다른 사용자들의 주파수 동기가 무작위로 변동할 때 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 오프셋 추정 장치의 성능 변화를 도시한 그래프로서, 도 11에서 그래프의 가로축은 추정하고자 하는 사용자를 제외한 다른 접속자들의 주파수 오프셋의 변동을 나타낸다. 즉, 다른 사용자들의 주파수 오프셋이 -F에서 +F 사이의 값에서 무작위로 변동을 할 시에 이들 사용자들의 다중 접속 간섭에 의한 제안된 주파수 오프셋 추정기의 성능의 변화를 도시한 그래프이다. 도 11에 도시된 바와 같이 다른 사용자들의 신호가 심각한 주파수 오프셋을 겪지 않는 한, 제안된 방법의 주파수 오프셋 추정기는 매우 우수한 평균 제곱 오차값을 보였으며, 다른 사용자들의 주파수 오프셋이 커질수록 성능의 열화를 보인다. 도 10과 도 11에서 도시한 바와 같이 컴퓨터 모의실험 결과 제안된 방법은 주파수 오프셋을 추정하고자 하는 사용자의 신호가 심각한 주파수 오프셋 오차가 발생하지 않거나, 또는 다른 사용자들의 신호가 심각한 주파수 오프셋 오차가 발생하지 않는 한, 평균 제곱 오차값이 매우 작은 특성을 보인다. FIG. 11 is a graph illustrating a performance change of the frequency offset estimating apparatus according to an embodiment of the present invention when the frequency synchronization of different users connected simultaneously is random. In FIG. 11, the horizontal axis of the graph indicates a user to be estimated. It represents the fluctuation of the frequency offset of other connectors except the one. That is, it is a graph showing the change of the performance of the proposed frequency offset estimator due to the multiple access interference of these users when the frequency offsets of other users vary randomly from -F to + F. As shown in FIG. 11, the frequency offset estimator of the proposed method showed a very good mean square error value, unless the signals of other users suffered from severe frequency offsets. see. As shown in FIG. 10 and FIG. 11, the proposed method shows that the user's signal for estimating the frequency offset does not generate a significant frequency offset error or that the signals of other users do not generate a serious frequency offset error. Unless otherwise, the mean squared error value is very small.

본 발명에서 제안된 방법은 여러 명의 사용자의 신호들이 서로 다른 주파수 오프셋을 가지고 동시에 접속하는 OFDMA 시스템의 상향 링크에서 특정 사용자의 주파수 오프셋을 추정하기 위해 어떠한 종류의 파일롯 심볼이나 훈련열을 필요로 하 지 않으므로 시스템의 대역폭을 소비하지 않고 연속적으로 주파수 오프셋을 추정할 수 있는 이득이 있다. 따라서, 본 발명에서 제안된 주파수 오프셋 추정 방법은 특정 사용자의 주파수 오프셋을 연속해서 추적(frequency offset tracking)하고 있는 상황에 매우 효과적으로 적용할 수 있는 방법이라 할 수 있다.The proposed method of the present invention does not require any kind of pilot symbol or training sequence in order to estimate the frequency offset of a specific user in the uplink of an OFDMA system in which signals of several users have different frequency offsets. Therefore, there is a gain that can continuously estimate the frequency offset without consuming the bandwidth of the system. Therefore, the frequency offset estimation method proposed in the present invention can be very effectively applied to a situation in which the frequency offset tracking of a specific user is performed continuously.

전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 수신된 OFDMA 시스템 방식의 상향 링크의 한 심볼을 소정의 시간 차이를 가지는 두 개의 관찰 윈도우를 통해 주파수 오프셋을 추정함으로써, 대역폭을 소비하지 않고 주파수 오프셋을 추정할 수 있도록 하며, 기지국 수신기에서 훈련열 없이 주파수 오프셋을 추정할 시 수신단의 하드웨어 복잡도를 증가시키지 않으며 원활한 주파수 오프셋 추정과 제어를 이룰 수 있도록 함을 실시예를 통해 알아보았다.According to the present invention made as described above, the frequency offset can be estimated without consuming bandwidth by estimating the frequency offset through two observation windows having a predetermined time difference of one symbol of the received OFDMA system scheme. In the embodiment, it was found that the base station receiver can achieve smooth frequency offset estimation and control without increasing the hardware complexity when estimating the frequency offset without the training sequence.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

상술한 본 발명은, 여러 명의 사용자의 신호들이 서로 다른 주파수 오프셋을 가지고 동시에 접속하는 OFDMA 시스템의 상향 링크에서 특정 사용자의 주파수 오프셋을 추정하기 위해 어떠한 종류의 파일롯 심볼이나 훈련열을 필요로 하지 않으므로 시스템의 대역폭을 소비하지 않고 연속적으로 주파수 오프셋을 추정할 수 있는 이득이 있다.The present invention described above does not require any kind of pilot symbol or training sequence in order to estimate the frequency offset of a particular user in the uplink of an OFDMA system in which signals of several users are connected simultaneously with different frequency offsets. There is a benefit in that the frequency offset can be estimated continuously without consuming bandwidth.

또한, 파일롯 심볼이나 반복적인 데이터의 전송을 하지 않고 주파수 오프셋을 추정할 시 유발할 수 있는 기지국 수신기의 복잡도와 전력 소비의 증가를 유발하지 않으면서 주파수 오프셋을 효율적으로 추정할 수 있는 효과가 있다. In addition, there is an effect that the frequency offset can be efficiently estimated without causing an increase in the complexity and power consumption of the base station receiver, which can be caused when estimating the frequency offset without transmitting pilot symbols or repetitive data.

또한, 본 발명은 OFDMA 시스템의 상향 링크에서 사용자들의 부반송파들이 주파수 대역에서 섞여서 분포되는 부반송파 인터리빙 할당 구조에 유연하게 적용할 수 있는 사용자 주파수 오프셋 추정 장치 및 그 방법을 제공하는 효과가 있다.The present invention also provides an apparatus and method for estimating a user frequency offset that can be flexibly applied to a subcarrier interleaving allocation structure in which subcarriers of users are mixed in a frequency band in an uplink of an OFDMA system.

Claims (7)

직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA) 시스템의 상향 링크에서 주파수 오프셋의 추정 장치에 있어서, An apparatus for estimating frequency offset in the uplink of an orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) system, 서로 다른 시간 지연을 가지는 제1 관찰 윈도우와 제2 관찰 윈도우를 통해, 수신 신호로부터 소정의 시간 지연 차를 갖는 적어도 두 개의 시간 영역 신호를 출력하는 관찰 윈도우 설정부;An observation window setting unit configured to output at least two time domain signals having a predetermined time delay difference from a received signal through a first observation window and a second observation window having different time delays; 상기 적어도 두 개의 시간 영역 신호를 적어도 두 개의 주파수 영역 신호로 변환하는 푸리에 변환부; A Fourier transformer for converting the at least two time domain signals into at least two frequency domain signals; 상기 제1 및 제2 관찰 윈도우간의 상기 시간 지연 차이에 의한 위상 변화를 보상하는 위상보상부;A phase compensator configured to compensate for a phase change caused by the time delay difference between the first and second observation windows; 상기 위상 변화가 보상된 상기 적어도 두 개의 주파수 영역 신호에서 상기 주파수 오프셋을 추정하려고 하는 특정 사용자의 부반송파들을 선택하는 부반송파 선택기;A subcarrier selector for selecting subcarriers of a specific user to estimate the frequency offset in the at least two frequency domain signals whose phase change is compensated for; 상기 선택된 부반송파들로부터 동일한 부반송파 인덱스를 갖는 부반송파간의 위상차를 구하고, 상기 위상차를 근거로 상기 특정 사용자의 수신 신호에 대한 주파수 오프셋을 추정하는 주파수 오프셋 추정 수단을 포함하는 OFDMA 시스템의 상향 링크에서 주파수 오프셋의 추정 장치.A frequency offset estimating means for obtaining a phase difference between subcarriers having the same subcarrier index from the selected subcarriers and estimating a frequency offset for the received signal of the specific user based on the phase difference. Estimation device. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 제1 및 제2 관찰 윈도우 중 하나는 상기 수신 신호의 OFDM 심볼에 포함된 CP(cyclic Prefix)의 일부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 관찰 윈도우 모두는 상기 CP를 제외한 상기 OFDM 심볼과 동일한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 OFDMA 시스템의 상향 링크에서 주파수 오프셋의 추정 장치.One of the first and second observation windows includes a portion of a cyclic prefix (CP) included in an OFDM symbol of the received signal, and both the first and second observation windows are the same as the OFDM symbol except for the CP. Apparatus for estimating frequency offset in the uplink of the OFDMA system, characterized in that having a length. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 푸리에 변환부를 통해 푸리에 변환된 신호는 상기 제1 및 제2 관찰 윈도우간의 시간 차이에 의한 위상 변화 성분과 상기 수신 신호가 겪은 주파수 오프셋에 의한 위상 변화 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDMA 시스템의 상향 링크에서 주파수 오프셋의 추정 장치.The Fourier transformed signal through the Fourier transform unit includes a phase change component caused by a time difference between the first and second observation windows and a phase change component caused by a frequency offset experienced by the received signal. Device for estimating frequency offset on a link. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 주파수 오프셋 추정 수단은The frequency offset estimating means 상기 동일한 부반송파 인덱스를 갖는 부반송파간의 위상차를 비교하는 위상차 비교기;A phase difference comparator for comparing phase differences between subcarriers having the same subcarrier index; 상기 위상차를 근거로 상기 주파수 오프셋에 의한 상기 특정 사용자의 신호의 위상 천이를 검출하는 위상검출기; A phase detector for detecting a phase shift of the signal of the specific user by the frequency offset based on the phase difference; 상기 검출된 위상 천이값에 소정 보상값을 곱하여 상기 주파수 오프셋을 출력하는 곱셈기를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDMA 시스템의 상향 링크에서 주파수 오프셋의 추정 장치. And a multiplier for outputting the frequency offset by multiplying the detected phase shift value by a predetermined compensation value. 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA) 시스템의 상향 링크에서 주파수 오프셋의 추정 방법에 있어서,A method of estimating frequency offset in the uplink of an orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) system, 서로 다른 시간 지연을 가지는 제1 관찰 윈도우와 제2 관찰 윈도우를 통해, 수신신호로부터 소정의 시간 지연 차를 갖는 적어도 두 개의 시간 영역 신호를 설정하는 단계;Setting at least two time domain signals having a predetermined time delay difference from the received signal through the first observation window and the second observation window having different time delays; 상기 적어도 두 개의 시간 영역 신호를 적어도 두 개의 주파수 영역 신호로 변환하는 단계;Converting the at least two time domain signals into at least two frequency domain signals; 상기 제1 및 제2 관찰 윈도우간의 상기 시간 지연 차에 의한 위상 변화를 보상하는 단계;Compensating for a phase change caused by the time delay difference between the first and second observation windows; 상기 위상 변화가 보상된 상기 적어도 두 개의 주파수 영역 신호에서 상기 주파수 오프셋을 추정하려고 하는 특정 사용자의 부반송파들을 선택하는 단계;Selecting subcarriers of a particular user to estimate the frequency offset in the at least two frequency domain signals with the phase change compensated; 상기 선택돤 부반송파들로부터 동일한 부반송파 인덱스를 갖는 부반송파간의 위상차를 구하는 단계;Obtaining a phase difference between subcarriers having the same subcarrier index from the selected subcarriers; 상기 위상차를 근거로 상기 특정 사용자의 수신 신호에 대한 주파수 오프셋을 추정하는 단계를 포함하는 OFDMA 시스템의 상향 링크에서 주파수 오프셋의 추정 방법.Estimating a frequency offset for the received signal of the specific user based on the phase difference. 제5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제1 및 제2관찰 윈도우 중 하나는 상기 수신 신호의 OFDM 심볼에 포함된 CP(cyclic Prefix)의 일부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 관찰 윈도우 모두는 상기 CP를 제외한 상기 OFDM 심볼과 동일한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 OFDMA 시스템의 상향 링크에서 주파수 오프셋의 추정 방법.One of the first and second observation windows includes a portion of a cyclic prefix (CP) included in an OFDM symbol of the received signal, and both the first and second observation windows are the same as the OFDM symbol except for the CP. A method of estimating frequency offset in the uplink of an OFDMA system, characterized in that it has a length. 제5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 푸리에 변환된 신호는 상기 제1 및 제2 관찰 윈도우간의 상기 시간 지연 차에 의한 위상 변화 성분과 상기 수신 신호가 겪은 상기 주파수 오프셋에 의한 위상 변화 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDMA 시스템의 상향 링크에서 주파수 오프셋의 추정 방법.The Fourier transformed signal includes a phase change component caused by the time delay difference between the first and second observation windows and a phase change component caused by the frequency offset experienced by the received signal. Method of estimating frequency offset in.
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