KR20080084440A

KR20080084440A - Ｃａｚａｃ 코드 기반 이동통신 시스템에서의 채널 추정방법

Info

Publication number: KR20080084440A
Application number: KR1020070026166A
Authority: KR
Inventors: 권혁찬; 이정승
Original assignee: 엘지노텔 주식회사
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2008-09-19
Also published as: KR101040465B1

Abstract

CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation) 코드를 파일럿으로 사용하는 이동통신 시스템에서의 채널 추정 방법이 개시된다. 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 송신기로부터 파일럿 시퀀스를 수신하는 단계, 상기 수신된 파일럿 시퀀스에 대하여 코드 보상하는 단계, 상기 반복된 신호에 대하여 DFT(discrete Fourier transform) 또는 IDFT(inverse discrete Fourier transform)를 수행하는 단계, 및 상기 DFT 또는 IDFT를 수행한 신호에 대하여 채널 추정값을 구하는 단계를 포함한다. 상기 실시예에 따르면, 3GPP LTE를 포함하는 CAZAC 코드를 기반으로 하는 시스템에서 효과적인 채널 추정이 가능하다.

LTE(Long Term Evolution), CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation) 코드, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing), 채널 추정

Description

ＣＡＺＡＣ 코드 기반 이동통신 시스템에서의 채널 추정 방법{METHOD FOR CHANNEL ESTIMATION IN A CAZAC CODE BASED MOBILE SYSTEM}

도 1은 3GPP LTE 상향 링크 프레임 구조를 도시한 도면.

도 2는 3GPP LTE 상향 링크 채널 추정기 구조의 일 실시예를 도시한 블록도.

도 3은 수신 파일럿 시퀀스를 반복하는 방법의 일 실시예를 도시한 도면.

도 4는 뮤팅 윈도우의 일 실시예를 도시한 도면.

도 5a 및 도 5b는 3GPP LTE 상향 링크에 대하여 도 4에 따른 신호의 채널 응답 결과를 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

N: 시스템의 FFT 크기

N_k: k번째 사용자에게 할당된 부반송파의 크기

L: 파일럿 또는 레퍼런스 신호의 크기

R: 파일럿 신호의 총 반복 수 (R = R_L + R_R)

M: 뮤팅 윈도우의 크기

본 발명은 이동통신 시스템(mobile system)에 관한 것으로서, 특히 CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation) 코드를 기반으로 하는 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long Term Evolution) 시스템에서의 채널 추정(channel estimation)에 관한 것이다.

3GPP LTE는 3세대 비동기식 이동통신 기술 표준화 기구인 3세대 파트너십 프로젝트 3GPP가 2007년 9월 표준화 완료를 목표로 삼고 있는 무선 전송 기술로서, 기술적 완성도와 상용화 가능 시기 등을 고려할 때 4세대로 거론되는 기술 중 가장 영향력이 높을 것으로 예상되고 있다. 3GPP LTE는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)을 기반으로 하여 정의되었으며, 파일럿에 사용되는 시퀀스는 CAZAC 코드를 기본으로 하고 있다.

무선 채널에서 데이터를 고속으로 전송할 경우 다중 경로 페이딩(multipath fading), 도플러 확산(Doppler spread), 백색 잡음(AWGN: additive white Gaussian noise) 등의 영향으로 인해 높은 비트 오류율을 갖게 되어 무선 채널에 적합한 무선 접속 방식이 요구된다. 이러한 무선 접속 방식으로는 낮은 출력, 낮은 탐지확률 등의 장점이 있는 대역 확산 방식이 널리 사용되고 있다. 대역 확산 방식은 크게 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum) 방식과 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) 방식으로 분류될 수 있다. DSSS 방식은 무선 채널에서 발생하는 다중 경로 현상에 대하여 채널의 경로 다이버시티(path diversity)를 이용하는 레이크(Rake) 수신기를 사용하여 적극적으로 대처할 수 있는 장점이 있다. 다만, DSSS 방식은 10Mbps의 전송 속도까지는 효율적으로 사용될 수 있으나, 그 이상의 고속 데이터 전송 시에는 칩간 간섭이 증가함에 따라 하드웨어 복잡도가 급속히 증가하고, 다중 사용자 간섭(multi-user interference)에 의해 수용할 수 있는 사용자의 용량에 한계가 있는 것으로 알려져 있다. 한편, FHSS 방식은 랜덤 시퀀스에 의하여 주파수를 이동하면서 데이터를 전송하기 때문에 다중 채널 간섭 및 협대역 임펄스성 잡음의 영향을 줄일 수 있는 장점이 있다. FHSS 방식에서는 송/수신기 사이의 정확한 동기가 매우 중요한데, 고속 데이터 전송 시에는 동기 추출이 어렵다는 단점이 있다.

최근에는 송수신기의 복잡도를 고려하고 고속 데이터 전송에 적합한 OFDM 방식이 표준으로 많이 채택되고 있다. OFDM 방식에서는 상호 직교성을 갖는 복수의 반송파(carrier)를 사용하므로 주파수 이용 효율이 높아지고, 송/수신기에서 이러한 복수의 반송파를 변/복조하는 과정은 각각 IDFT(inverse discrete Fourier transform)와 DFT(discrete Fourier transform)를 수행한 것과 같은 결과가 되어, IFFT(inverse fast Fourier transform)와 FFT(fast Fourier transform)를 사용하여 고속으로 구현할 수 있다. 이러한 이유로 인하여 OFDM 방식은 고속의 데이터 전송에 적합하기 때문에 IEEE 802.11a 와 HIPELAN/2의 고속 무선 LAN, IEEE 802.16의 광대역 무선 엑세스(BWA: Broadband Wireless Access), 디지털 오디오 방송(DAB: Digital Audio Broadcasting)과 디지털 지상 텔레비전 방송(DTTB: Digital Terrestrial Television Broadcasting), ADSL과 VDSL의 표준 방식으로 채택되었다. 3GPP 표준에서도 지금까지 주파수 확산 방식에 기반한 무선 통신을 사용하였으나, 최근 논의되고 있는 LTE(Long Term Evolution)는 하향 링크는 OFDM을 사용하고 상향 링크는 SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access)를 사용한다. SC-FDMA은 PAPR(Peak to Average Power Ratio)를 줄이기 위하여 사용되는데, SC-FDMA 역시 OFDM에 기반한 기술이며, 단일 반송파(single carrier) 특성을 나타내도록 OFDM 전단에서 DFT를 수행하여 PAPR 문제를 해결한다.

수신기에서 코히어런트(coherent) 복조를 위해서는 파일럿(pilot) 혹은 레퍼런스 신호(reference signal)가 필요하다. 즉, 파일럿 혹은 레퍼런스 신호를 통하여 채널 추정을 하고, 채널 추정값을 통하여 데이터의 왜곡을 보상할 수 있다. 종래의 주파수 확산 통신(CDMA: Code Division Multiple Access)에서는 채널 추정을 위하여 슬라이딩 윈도우(Sliding Window) 방식을 사용하였는데, 1~5MHz의 높은 확산 대역의 주파수 확산 방식에서는 의사 랜덤 코드(pseudo random code), 가변 직교 코드(OVSF: orthogonal variable spreading factor) 등으로 인하여 채널 추정에 문제가 없었다. 코히어런트 방식을 사용하는 OFDM/SC-FDMA에서는, 시스템이 사용하는 주파수 대역을 여러 사용자에게 할당하므로 한 명의 사용자에게 할당된 주파수는 수백kHz밖에 되지 않기 때문에 파일럿/레퍼런스 신호의 길이는 주파수 확산 통신에 비해서 현저히 떨어지게 된다. 주파수 할당이 작은 경우에도 기존의 기술을 사용할 수 있는데, 3GPP LTE 상향 링크를 통해 알아보면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 3GPP LTE 상향 링크의 프레임 구조는 14개의 OFDM 심볼이 하나의 서브프레임(subframe)을 구성하고, 4번째와 11번째 OFDM 심볼이 파일럿을 위해 사용된다. 나머지 OFDM 심볼은 사용자의 데이터를 위해 사용되는데, 3GPP LTE 표준에서는 데이터와 파일럿은 동일한 주파수 대역을 사용하도록 권고하고 있다. 기지국의 스케줄러는 각각의 주파수 대역에 어느 사용자를 할당할지를 결정하여 주파수 오프셋(offset)과 사용 가능한 부채널 개수(N_k)를 알려주며, 사용자는 변조(modualtion), DFT(discrete Fourier transform), 부반송파 매핑(subcarrier mapping), IFFT(inverse fast Fourier transform) 등의 처리 과정을 통하여 데이터를 전송한다. 단, 파일럿이 들어가는 OFDM 심볼에서는 데이터 변조를 하지 않고 복소수의 값을 갖는 CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation) 코드가 DFT로 입력된다. 수신기에서는 복조를 위하여 N-point FFT를 수행하여 해당 사용자의 데이터를 구하고 페이딩 채널에 의한 채널 응답을 알기 위하여 채널 추정을 하게 된다.

종래의 채널 추정 방법에 따르면, 부반송파 디매핑(subcarrier demapping) 후에 파일럿은 주파수 영역의 일정 부분을 사용하며, 필요한 부분의 파일럿은 채널 추정을 위하여 코드 보상(code compensation)을 한다. 코드 보상된 신호는 백색 잡음, 간섭 등을 제거하기 위하여 일정 크기의 슬라이딩 윈도우를 정하여 왼쪽에서 오른쪽으로 이동시키며 파일럿 전 구간에 대하여 평균을 낸다. 만약 N_k가 크다면 충분한 슬라이딩 윈도우 크기를 정할 수 있기 때문에 비교적 정확한 값을 얻을 수 있을 것이다. 그러나, 3GPP LTE 상향 링크 표준에서 N_k의 최소값은 12로 정해져 있기 때문에, 슬라이딩 윈도우의 크기를 정하기도 어려울 뿐만 아니라, 백색 잡음과 간섭을 제거하기에는 파일럿의 길이가 짧을 수 있다. 즉, 사용자에게 작은 주파수 대역을 할당하는 OFDM에 따르면 파일럿의 길이가 짧기 때문에 슬라이딩 윈도우 방식을 사용할 경우 채널 추정이 부정확할 수 있다.

본 발명은 파일럿으로 사용되는 CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation) 코드의 특성을 이용하여 채널 추정을 할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 부반송파(subcarrier)의 채널 응답(channel response) 및 채널 품질(channel quality), 및 송신 타이밍을 알 수 있도록 하여 효율적인 통신을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 특징에 따르면, CAZAC 코드를 파일럿으로 사용하는 시스템에서의 채널 추정 방법이 제공된다. 상기 방법은, 송신기로부터 파일럿 시퀀스를 수신하는 단계, 상기 수신된 파일럿 시퀀스에 대하여 코드 보상하는 단계, 상기 보상된 신호에 대하여 DFT 또는 IDFT를 수행하는 단계, 및 상기 DFT 또는 IDFT를 수행한 신호에 대하여 채널 추정값을 구하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 DFT 또는 IDFT를 수행하는 단계 전에 상기 코드 보상된 시퀀스에 대하여 일정량의 신호를 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation) 코드의 특성을 이용하여 3GPP LTE 시스템에서 채널 추정을 할 수 있는 방법을 제공한다. 이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명 의 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 일 실시예에 따른 3GPP LTE 채널 추정기의 구조를 도시하고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 채널 추정기(200)는 파일럿 시퀀스 수신부(210), 코드 보상부(220), 반복부(230), DFT(discrete Fourier transform) 수행부(240), 뮤팅(muting)부(250), IDFT(inverse discrete Fourier transform) 수행부(260)를 포함한다.

단말기가 전송할 데이터가 있어서 기지국으로부터 사용할 수 있는 무선 자원을 할당 받으면, 단말기는 도 1에 도시된 바와 같이 14개의 OFDM 심볼이 하나의 서브프레임을 구성하고, 4번째와 11번째 OFDM 심볼이 파일럿을 위해 사용되는 프레임 구조를 가지며, N_k개의 부반송파(subcarrier)를 사용하는 신호를 전송한다. 다만, 단말기는 데이터에 상관 없이 파일럿을 전송할 수도 있으며, 본 실시예에 따른 동작은 상향 링크에만 국한되지 않는다.

기지국에서는 파일럿 시퀀스 수신부(210)에서 단말기로부터 전송된 파일럿을 수신하여, 사용자의 채널을 추정하기 위하여 파일럿에 해당하는 OFDM 심볼에 대하여 FFT(fast Fourier transform)를 수행하여 원하는 부반송파의 정보를 얻는다. 이렇게 얻은 수신 파일럿 시퀀스(received pilot sequence)는 코드 보상부(220)에서 코드 보상(code compensation)이 된다. 이후, 반복부(230)에서, 도 3에 도시된 바와 같이 왼쪽 가장자리에 있는 일부 코드가 R_L번 반복되며 오른쪽 가장자리에 있는 일부 코드가 R_R번 반복되어 총 (R_L+R_R)번의 신호가 반복된다. 반복된 신호에 대 하여 DFT(discrete Fourier transform) 수행부(240)에서 DFT가 수행된다. 여기서, DFT 후의 신호의 크기(sequence length)는 파일럿 신호의 크기(L)와 파일럿 신호의 가장자리 코드의 반복 수(R = R_L+R_R)의 합, 즉 (L+R)이며, 각각의 신호는 인접 셀의 간섭(interference)과 백색 잡음(AWGN)을 포함한다. 특히, MU-MIMO(Multi User-Multi Input Multi Output)에서 파일럿 구조를 CDM(code division multiplexing)으로 사용할 경우에는 두 사용자의 파일럿이 동시에 존재하게 된다.

이러한 상황에서 원하는 채널 응답을 얻기 위해, 뮤팅(muting)부(250)에서, M의 크기를 갖는 윈도우를 통하여 뮤팅을 하게 되는데, 다중 경로 페이딩(multi path fading)과 파일럿 신호의 크기 등을 고려하여 뮤팅 윈도우의 크기(M)와 윈도우의 위치를 정해야 한다. 도 4는 24 부반송파에 대한 뮤팅 윈도우의 일 실시예를 도시하고 있다. 이 경우에는 송신 신호의 타이밍이 맞아 있는 경우이므로, x축의 1의 지점에서 원하는 신호의 첨점이 보인다. 또한, 12~13 지점에서 또 다른 첨점이 보이는데, 이는 MU-MIMO에서 다른 사용자의 파일럿에 의해 생긴 것이다. 다른 사용자의 파일럿을 추정하기 위해서는 뮤팅 윈도우의 위치를 조정하면 된다.

뮤팅을 통하여 백색 잡음, 간섭, 다른 사용자의 신호를 제거한 후에는, IDFT(inverse discrete Fourier transform) 수행부(260)에서 IDFT를 통하여 원하는 사용자의 채널 응답(270)을 얻을 수 있다. 이 때, 파일럿의 길이가 N_k와 다를 수 있는데, 이러한 경우에는 특정 신호 제거 및 보간(interpolation)을 통하여 채널 응답을 구한다.

도 5a 및 도 5b는 3GPP LTE 상향링크에 대하여 도 4의 신호의 채널 응답을 얻은 결과를 도시하고 있다. 반복 절차를 거치지 않았기 때문에 가장자리 부분에서는 조금의 차이나 있으나, 채널 추정된 포락선(envelope)과 위상(phase)이 잘 맞고 있는 것을 알 수 있다.

이상의 실시예들은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 또한, 이상의 실시예들은 3GPP LTE 시스템에 대하여 설명되었으나, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면, 본 발명이 CAZAC 코드를 기반으로 하는 모든 시스템에 적용 가능하다는 점을 이해할 것이다.

이상의 실시예들에 따르면, 3GPP LTE 뿐만 아니라 CAZAC 코드를 기반으로 하는 시스템에 적용하여 채널 추정을 효과적으로 할 수 있다. 효율적인 채널 추정을 통하여 수신기에서는 이퀄라이저(equalizer)에 정확한 채널 정보를 제공할 수 있고 다중의 사용자가 CDM 방식으로 파일럿을 구성하는 시스템에서 각각의 사용자의 채널 응답을 구할 수 있게 된다. 채널 추정을 통하여 얻어진 정보는 이퀄라이저 뿐만 아니라 부채널의 채널 품질 결정 및 송신 타이밍을 결정하는데 도움을 준다.

Claims

CAZAC(Constant Amplitude Zero Auto-Correlation) 코드를 파일럿으로 사용하는 시스템에서의 채널 추정 방법으로서,

송신기로부터 파일럿 시퀀스를 수신하는 단계,

상기 수신된 파일럿 시퀀스에 대하여 코드 보상(code compensation)하는 단계,

상기 보상된 신호에 대하여 DFT(discrete Fourier transform) 또는 IDFT(inverse discrete Fourier transform)를 수행하는 단계, 및

상기 DFT 또는 IDFT를 수행한 신호에 대하여 채널 추정값을 구하는 단계

를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 DFT 또는 IDFT를 수행하는 단계 전에 상기 코드 보상된 시퀀스에 대하여 일정량의 신호를 반복하는 단계를 더 포함하는 방법.
제2항에 있어서,

상기 반복되는 일정량의 신호는 상기 코드 보상된 시퀀스의 가장자리에 있는 코드인 방법.
제1항에 있어서,

상기 DFT 또는 IDFT를 수행한 신호에 대하여 채널 추정값을 구하는 단계는 신호의 정점(peak) 혹은 임계치(threshold)를 이용하는 단계를 포함하는 방법.
제4항에 있어서,

상기 DFT 또는 IDFT를 수행한 신호에 대하여 채널 추정값을 구하는 단계는 상기 정점의 위치 또는 상기 임계치를 넘는 위치를 확인하고 상기 송신기의 송신 타이밍을 계산하는 단계를 포함하는 방법.
제5항에 있어서,

상기 계산된 송신 타이밍을 상기 송신기에 알려주어 송신 타이밍을 조정하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

다른 사용자의 간섭을 제거하고 백색 잡음을 최소화하도록, 상기 송신기가 전송한 신호를 찾아 원하는 신호만 남기고 이외의 신호를 제거하는 단계를 더 포함하는 방법.
제7항에 있어서,

상기 원하는 신호를 얻은 후 최초에 DFT를 수행하였을 경우에는 IDFT를 수행 하고, 최초에 IDFT를 수행하였을 경우에는 DFT를 수행하는 방법.
제8항에 있어서,

상기 DFT 또는 IDFT를 수행한 신호에 대하여 채널 응답에 맞게 신호의 크기와 길이를 조정하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

수신기가 상기 채널 추정값을 데이터 변조에 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

수신기가 상기 채널 추정값을 상기 송신기의 채널 환경 판단을 위한 스케줄링에 이용하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 송신기는 데이터와 파일럿을 동시에 전송하거나, 파일럿만을 전송하는 방법.