KR20080086398A - 광대역 무선통신 시스템에서 주파수 오프셋 간섭 제거 장치및 방법 - Google Patents

광대역 무선통신 시스템에서 주파수 오프셋 간섭 제거 장치및 방법 Download PDF

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KR20080086398A
KR20080086398A KR1020080026333A KR20080026333A KR20080086398A KR 20080086398 A KR20080086398 A KR 20080086398A KR 1020080026333 A KR1020080026333 A KR 1020080026333A KR 20080026333 A KR20080026333 A KR 20080026333A KR 20080086398 A KR20080086398 A KR 20080086398A
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Abstract

본 발명은 광대역 무선통신 시스템에 관한 것으로, 다수의 단말들로부터 각각 수신된 신호들에 대한 주파수 오프셋(offset)을 추정하는 오프셋 추정기와, 상기 다수의 단말들 각각의 부반송파별 채널 계수를 원소로 갖는 채널 행렬을 추정하는 채널 추정기와, 각 단말의 주파수 오프셋 및 상기 각 단말의 채널 행렬을 이용하여 수신신호를 모델링(modeling)하는 모델링기와, 상기 모델링된 수신신호를 이용하여 각 단말의 송신신호를 검출하는 검출기를 포함하여, 단말들 각각에 대하여 주파수 오프셋을 보정하고 얻어진 부반송파별 신호를 이용하여 주파수 오프셋으로 인한 간섭을 제거함으로써, 상기 주파수 오프셋으로 인한 간섭을 효과적으로 제거하여 기지국의 수신 성능을 향상시킬 수 있다.
Figure P1020080026333
직교 주파수 분할 다중(OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing), 주파수 오프셋(Frequency Offset), 다중 접속(MA : Multiple Access)

Description

광대역 무선통신 시스템에서 주파수 오프셋 간섭 제거 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CANCELLATION FREQUENCY OFFSET INTERFERENCE IN BROADBAND WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 광대역 무선통신 시스템에 관한 것으로, 특히, 광대역 무선통신 시스템에서 다수의 단말들로부터 신호를 수신하는 기지국이 단말 간 주파수 오프셋(offset) 차이로 인한 간섭을 제거하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
차세대 통신 시스템인 4세대(4th Generation, 이하 '4G'라 칭함) 통신 시스템에서는 약 100Mbps의 전송 속도를 이용하여 다양한 서비스 품질(Quality of Service, 이하 'QoS' 칭함)을 가지는 서비스들을 사용자들에게 제공하기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 현재 4G 통신 시스템에서는 무선 근거리 통신 네트워크 시스템 및 무선 도시 지역 네트워크 시스템과 같은 광대역 무선 접속(BWA : Broadband Wireless Access) 통신 시스템에 이동성과 QoS을 보장하는 형태로 고속 서비스를 지원하도록 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
상기 4G 통신 시스템으로 예상되는 대표적인 통신 시스템이 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.16 통신 시스템이다. 상기 IEEE 802.16 통신 시스템은 상기 무선통신 시스템의 물리 채널(Physical Channel)에 광대역(Broadband) 전송 네트워크를 지원하기 위해 상기 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM'이라 칭함)/직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 'OFDMA'이라 칭함) 방식을 적용한 통신 시스템이다.
상기 OFDM/OFDMA 방식의 무선통신 시스템에서, 기지국은 다수의 단말들로 송신할 신호들을 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산을 통해 OFDM 심벌로 변환하여 송신한다. 즉, 상기 기지국이 송신하는 하나의 OFDM 심벌은 다수의 단말들로의 신호를 포함한다. 반대로, 상기 기지국이 수신하는 하나의 OFDM 심벌은 다수의 단말들로부터의 신호들이 합해진 것이다. 물론, 상기 다수의 단말들 각각은 서로 다른 부반송파를 통해 자신의 신호를 송신한다. 하지만, 각 단말의 채널 상황이 모두 다르기 때문에, 상기 각 단말이 송신한 신호는 서로 다른 주파수 오프셋(Frequency Offset)을 갖는다. 따라서, 상기 기지국이 수신한 하나의 OFDM 심벌 내에서는 단말 간의 간섭, 즉, 부반송파 간의 간섭이 존재하며, 이는 기지국의 수신 성능을 저하시키는 문제점을 발생시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 주파수 오프셋(offset) 차이로 인한 수신 성능 저하를 방지하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 광대역 무선통신 시스템에서 수신신호의 주파수 오프셋으로 인한 간섭을 제거하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 광대역 무선통신 시스템에서 단말들 각각에 대하여 주파수 오프셋을 보정하고 얻어진 부반송파별 신호를 이용하여 주파수 오프셋으로 인한 간섭을 제거하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 광대역 무선통신 시스템에서 기지국 장치는, 다수의 단말들로부터 각각 수신된 신호들에 대한 주파수 오프셋을 추정하는 오프셋 추정기와, 상기 다수의 단말들 각각의 부반송파별 채널 계수를 원소로 갖는 채널 행렬을 추정하는 채널 추정기와, 각 단말의 주파수 오프셋 및 상기 각 단말의 채널 행렬을 이용하여 수신신호를 모델링(modeling)하는 모델링기와, 상기 모델링된 수신신호를 이용하여 각 단말의 송신신호를 검출하는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 신호 검출 방법은, 다수의 단말들로부터 각각 수신된 신호들에 대한 주파수 오프셋을 추정하는 과정과, 상기 다수의 단말들 각각의 부반송파별 채널 계수를 원소로 갖는 채널 행렬을 추정하는 과정과, 각 단말의 주파수 오프셋 및 상기 각 단말의 채널 행렬을 이용하여 수신신호를 모델링하는 과정과, 상기 모델링된 수신신호를 이용하여 각 단말의 송신신호를 검출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
광대역 무선통신 시스템에서 단말들 각각에 대하여 주파수 오프셋을 보정하고 얻어진 부반송파별 신호를 이용하여 주파수 오프셋으로 인한 간섭을 제거함으로써, 상기 주파수 오프셋으로 인한 간섭을 효과적으로 제거하여 기지국의 수신 성능을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 광대역 무선통신 시스템에서 수신신호의 부반송파 간 간섭을 제거하기 위한 기술에 대해 설명한다. 본 발명은 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM'이라 칭함) 방식의 무선통신 시스템을 예로 들어 설명하며, 다중 반송파를 사용하는 다중 접속 방식의 무선통신 시스템이라면 동일하게 적용될 수 있다.
먼저, 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 변수 및 함수에 대해 설명한다.
이하 사용되는 채널 값은 샘플링 레이트(Sampling Rage) Ts로 샘플링된 디지털 채널 임펄스 응답(Channel Impulse Response)이며, 상기 채널 임펄스 응답은 하기 <수학식 1>과 같다.
Figure 112008020628549-PAT00001
상기 <수학식 1>에서, 상기 hk는 채널 임펄스 응답의 k번째 샘플 값, 상기 L은 채널 임펄스 응답의 샘플 수를 나타낸다.
이때, 단말로부터의 수신되는 OFDM 심벌은 시간 축에서 하기 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008020628549-PAT00002
상기 <수학식 2>에서, 상기 y(t)는 수신된 OFDM 심벌, 상기 h는 채널 임펄스 응답, 상기 x는 송신된 OFDM 심벌, 상기 δf는 주파수 오프셋, 상기 n(t)는 부가 잡음, 상기
Figure 112008020628549-PAT00003
은 컨볼루션(convolution) 연산자를 나타낸다.
여기서, 상기 OFDM 심벌에 포함된 다수의 부반송파들 중 하나의 부반송파에 대한 수신신호만을 살펴보면 하기 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008020628549-PAT00004
상기 <수학식 3>에서, 상기 Y(k)는 부반송파k에서 수신신호, 상기 α(0,δf)는 주파수 오프셋으로 인한 이득 계수, 상기 δf는 주파수 오프셋, 상기 H(k)는 부반송파k에서 채널 계수, 상기 X(k)는 부반송파k에서 송신신호, 상기
Figure 112008020628549-PAT00005
는 부반송파k 외의 부반송파들로부터의 간섭, 상기 N(k)는 부가 잡음이다. 여기서, 상기 <수학식 3>에 기술된 변수들을 주파수 도메인(Domain)의 변수이다. 그리고, 상기 α(0,δf) 및 상기
Figure 112008020628549-PAT00006
는 하기 <수학식 4>와 같이 산출된다.
Figure 112008020628549-PAT00007
Figure 112008020628549-PAT00008
상기 <수학식 4>에서, 상기 α(n,δf)은 두 부반송파들 간 주파수 오프셋이 δf이며 두 부반송파들 간 인덱스 차이가 n인 경우의 오프셋 계수, 상기 δf는 주파수 오프셋, 상기 s는 OFDM 심벌 인덱스, 상기 Ns는 OFDM 심벌 길이, 상기 Ng는 가드 인터벌(Guard Interval) 길이, 상기 N은 FFT 길이, 상기 k는 부반송파 인덱스, 상기
Figure 112008020628549-PAT00009
는 부반송파k를 제외한 나머지 부반송파들에 대한 채널 계수들, 상기
Figure 112008020628549-PAT00010
는 부반송파k를 제외한 나머지 부반송파들에 대한 송신신호들을 나타낸다. 여기서, n이 0인 경우 상기 α(n,δf)는 이득 계수이며, n이 0이 아닌 경우 상기 α(n,δf)는 간섭 계수이다.
그리고, OFDM 심벌 내의 모든 부반송파에 대한 수신신호를 하나의 수식으로 표현하면 하기 <수학식 5>와 같다.
Figure 112008020628549-PAT00011
상기 <수학식 5>에서, 상기 Y는 OFDM 심벌 내의 모든 부반송파에서의 수신신호들, 상기 Y(k)는 부반송파k에서의 수신신호, 상기 K는 부반송파 개수, 상기 δf는 주파수 오프셋, 상기 H는 모든 부반송파들에 대한 채널 계수, 상기 X는 모든 부반송파들에 대한 송신신호, 상기 N은 부가 잡음, 상기 A(δf)는 주파수 오프셋으로 인한 이득 계수들 및 간섭 계수들의 행렬을 나타낸다. 여기서, 상기 A(δf)는 각 대각선 상의 원소 값이 모두 같은 테플리츠(Toeplitz) 행렬이며, 상기 A(δf)의 첫 번째 행 및 첫 번째 열은 하기 <수학식 6>과 같다.
Figure 112008020628549-PAT00012
Figure 112008020628549-PAT00013
상기 <수학식 6>에서, 상기 α(n,δf)는 상기 <수학식 4>와 같이 산출되는 계수, 상기 δf는 주파수 오프셋, 상기 K는 부반송파 개수를 나타낸다.
또한, 상기 <수학식 5>에서 H는 하기 <수학식 7>과 같다.
Figure 112008020628549-PAT00014
상기 <수학식 7>에서, 상기 H는 채널 계수 행렬, 상기 H(k)는 부반송파k에서 채널 계수, 상기 K는 부반송파 개수를 나타낸다.
상기 <수학식 5>에 나타난 OFDM 심벌 내의 모든 부반송파들에서의 수신신호를 정상 신호와 간섭 신호로 나누어 표현하면 하기 <수학식 8>과 같다.
Figure 112008020628549-PAT00015
상기 <수학식 8>에서, 상기 Y는 OFDM 심벌 내의 모든 부반송파들에서의 수신신호, 상기 H는 모든 부반송파들에서의 채널 계수, 상기 X는 모든 부반송파들에서 의 송신신호, 상기 N은 부가 잡음, 상기 α(0,δf)는 주파수 오프셋으로 인한 이득 계수, 상기
Figure 112008020628549-PAT00016
는 간섭 계수를 나타낸다. 이때, 상기 <수학식 8>의 첫째 항인 α(0,δf)HX 는 정상 신호에 대한 계수를 의미하며, 상기
Figure 112008020628549-PAT00017
HX는 간섭 신호에 대한 계수를 나타낸다. 그리고, 상기 α(0,δf)는 상기 <수학식 4>와 같이 산출되고, 상기
Figure 112008020628549-PAT00018
은 하기 <수학식 9>와 같이 산출된다.
Figure 112008020628549-PAT00019
상기 <수학식 9>에서, 상기
Figure 112008020628549-PAT00020
는 간섭 계수, 상기 A(δf)는 주파수 오프셋으로 인한 이득 계수들 및 간섭 계수들의 행렬, 상기 α(0,δf)는 주파수 오프셋으로 인한 이득 계수, 상기 I는 단위 행렬을 나타낸다. 여기서, 상기 α(0,δf)는 상기 <수학식 4>와 같이 산출되고, 상기 A(δf)는 상기 <수학식 6>과 같은 행과 열을 갖는 테플리츠 행렬이다.
상술한 시스템 및 환경 모델을 근거로 하여, 본 발명에서 고려하는 상황은 다음과 같은 두 가지이다.
첫 번째 상황은 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 다수의 단말들이 동일한 무선자원을 사용하여 공간 다중 접속을 수행하는 경우이며, 두 번째 상황은 상기 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 다수의 단말들이 서로 다른 대역의 무선자원을 사용하여 주파수 다중 접속을 수행하는 경우이다. 이하 본 발명은 설명의 편의를 위해 2 개의 수신 안테나를 사용하는 기지국과 1개의 송신 안테나를 사용하는 2개의 단말의 통신을 가정한다.
먼저, 상기 도 1의 (a)와 같은 첫 번째 상황에 대해 살펴보면, 기지국은 2개의 단말들, 즉, 단말1 및 단말2가 각각 송신한 신호를 수신한다. 그리고, 상기 기지국은 각각의 단말에 대해 시간 동기를 획득하고, FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 통해 각 단말에 대한 수신신호 Y1, Y2를 얻는다. 여기서, 상기 수신신호는 하기 <수학식 10>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008020628549-PAT00021
Figure 112008020628549-PAT00022
상기 <수학식 10>에서, 상기 Ym은 단말m으로부터의 수신신호, 상기 Hm은 단말m과의 채널 계수, 상기 Xm은 단말m의 송신신호, 상기 A(δfm-δfn)는 단말n의 송신신호에게 간섭으로 작용하는 단말m의 송신신호의 간섭 계수, 상기 δfm는 단말m의 주파수 오프셋, 상기 n은 부가 잡음을 나타낸다.
여기서, 상기 <수학식 10>의 각 항을 재정의하면 하기 <수학식 11>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008020628549-PAT00023
Figure 112008020628549-PAT00024
상기 <수학식 11>에서, 상기 Ym은 단말m으로부터의 수신신호, 상기 Hm은 단말m의 채널 계수, 상기 Xm은 단말m의 송신신호, 상기 A(δfm-δfn)는 단말n의 송신신호에게 간섭으로 작용하는 단말m의 송신신호의 간섭 계수, 상기 δfm는 단말m의 주파수 오프셋, 상기 n은 부가 잡음을 나타낸다.
상기 <수학식 10> 및 상기 <수학식 11>에 나타난 수신신호를 임의의 부반송파에 대해 정리하면 하기 <수학식 12>와 같다.
Figure 112008020628549-PAT00025
Figure 112008020628549-PAT00026
Figure 112008020628549-PAT00027
상기 <수학식 12>에서, 상기 Ym(k)는 부반송파k에서 단말m으로부터의 수신신호, 상기 Hm(k)는 부반송파k에서 단말m과의 채널 계수, 상기 Xm(k)는 부반송파k에서 단말m의 송신신호, 상기 α(0,δf)는 이득 계수, 상기
Figure 112008020628549-PAT00028
는 부반송파k를 제외한 나머지 부반송파에서 단말m이 단말n에게 미치는 간섭 계수, 상기 δfm는 단말m의 주파수 오프셋, 상기 N(k)는 부반송파k에서 부가 잡음을 나타낸다. 여기서, 상기 α(0,δf)는 상기 <수학식 4>에 의해 산출되고, 상기
Figure 112008020628549-PAT00029
는 상기 <수학식 6>과 같은 행과 열을 갖는 테플리츠 행렬의 k번째 행이다.
상기 <수학식 12>의 일부 항을 다시 정리하면 하기 <수학식 13>과 같다.
Figure 112008020628549-PAT00030
상기 <수학식 13>에서, 상기 Hm(k)는 부반송파k에서 단말m과의 채널 계수, 상기 Xm은 단말m의 송신신호, 상기
Figure 112008020628549-PAT00031
는 부반송파k를 제외한 나머지 부반송파에서 단말m이 단말n에게 미치는 간섭 계수를 나타낸다. 이때, 시스템 입장에서, 상기 <수학식 13>에 나타난 항들은 모두 잡음으로 간주된다.
만일, 수신신호 Y1 및 Y2 각각의 잡음 부분 I(k)+N(k)가 서로 역상관적(decorrelated)이지 않거나 부분적으로 역상관적이면, 즉, 수신신호 행렬에 대한 역행렬이 존재하면, 상기 수신신호 Y1 및 Y2 각각과 대응되는 2개의 방정식 집합(Set)이 얻어진다. 상기 방정식 집합의 해는 주파수 오프셋으로 인한 간섭을 제거한 수신신호이다. 따라서, 기지국은 상기 방정식 집합의 해를 산출함으로써, 상기 주파수 오프셋으로 인한 간섭을 제거한 수신신호를 얻을 수 있다.
이때, 각 단말이 AMC(Adapitive Modulation and Coding) 채널을 이용하는 경우, 모든 부반송파에 대한 채널 계수는 동일하다. 이 경우, 상기 <수학식 12>는 하기 <수학식 14>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008020628549-PAT00032
Figure 112008020628549-PAT00033
Figure 112008020628549-PAT00034
Figure 112008020628549-PAT00035
상기 <수학식 14>에서, 상기 Ym(k)는 부반송파k에서 단말m으로부터의 수신신 호, 상기 Hm는 단말m과의 채널 계수, 상기 Xm(k)는 부반송파k에서 단말m의 송신신호, 상기 α(0,δf)는 이득 계수, 상기
Figure 112008020628549-PAT00036
는 부반송파k를 제외한 나머지 부반송파에서 단말m이 단말n에게 미치는 간섭 계수, 상기 δfm는 단말m의 주파수 오프셋, 상기 N(k)는 부반송파k에서 부가 잡음, 상기 A(δfm-δfn)는 모든 부반송파에서 단말m이 단말n에게 미치는 간섭 계수를 나타낸다. 여기서, 상기 α(0,δf)는 상기 <수학식 4>에 의해 산출되고, 상기
Figure 112008020628549-PAT00037
는 상기 <수학식 6>과 같이 산출되는 행렬의 k번째 행이다.
상기 <수학식 14>와 같은 수신신호 중 단말1로부터의 수신신호를 수신 안테나 별로 정리하면 하기 <수학식 15>와 같다.
Figure 112008020628549-PAT00038
상기 <수학식 15>에서, 상기 Ym , An은 안테나n을 통해 수신된 단말m의 신호, 상기 Hm , An은 안테나n에 대한 단말m과의 채널 계수, 상기 Xm(k)는 부반송파k에서 단말m의 송신신호, 상기 A(δfm-δfn)는 모든 부반송파에서 단말m이 단말n에게 미치는 간섭 계수, 상기 Nm , An은 안테나n에 대한 단말m과의 채널의 부가 잡음을 나타낸다.
상기 <수학식 15>를 참조하면, 상기 간섭 계수 A(δfm-δfn)은 각 안테나에서 모두 동일하다. 이 경우, 간섭을 제거한 단말1로부터의 수신신호는 간단하게 얻어질 수 있다. 상기 간섭을 제거한 단말1로부터의 수신신호를 얻기 위한 방정식 집합을 하나의 식으로 정리하면 하기 <수학식 16>과 같다.
Figure 112008020628549-PAT00039
상기 <수학식 16>에서, 상기 Ym , An은 안테나n을 통해 수신된 단말m의 신호, 상기 Hm , An은 안테나n에 대한 단말m과의 채널 계수, 상기 Xm(k)는 부반송파k에서 단말m의 송신신호, 상기 A(δfm-δfn)는 단말m이 단말n에게 미치는 간섭 계수, 상기 Nm,An은 안테나n에 대한 단말m과의 채널의 부가 잡음을 나타낸다.
다음으로, 상기 도 1의 (b)와 같은 두 번째 상황에 대해 살펴보면, 기지국은 2개의 단말들, 단말1 및 단말2가 각각 송신한 신호를 수신한다. 그리고, 상기 기지국은 각각의 단말에 대해 주파수 오프셋을 보정하고, FFT 연산을 통해 각 단말에 대한 수신신호 Y1, Y2를 얻는다. 상기 도 1의 (a)와 같은 첫 번째 상황에 대한 수식 전개와 유사한 과정을 통해, 상기 수신신호 Y1, Y2는 하기 <수학식 17>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008020628549-PAT00040
상기 <수학식 17>에서, 상기 Hm은 단말m과의 채널 계수, 상기 Am(δfm-δfn)는 단말m이 단말n에게 미치는 간섭 계수 행렬, 상기 Xm은 단말m의 송신신호, 상기 N은 부가 잡음을 나타낸다.
상기 <수학식 17>의 수신신호를 부반송파별로 나타내면 하기 <수학식 18>과 같다.
Figure 112008020628549-PAT00041
상기 <수학식 18>에서, 상기 Hm(k)는 부반송파k에서 단말m과의 채널 계수, 상기 α(0,δfm-δfn)는 부반송파k에서 단말m이 단말n에게 미치는 간섭 계수, 상기
Figure 112008020628549-PAT00042
는 부반송파k를 제외한 나머지 부반송파에서 단말m이 단말n에게 미치는 간섭 계수, 상기 δfm는 단말m의 주파수 오프셋, 상기 Hm은 단말m과의 채널 계수, 상기 Xm은 단말m의 송신신호, 상기 N은 부가 잡음을 나타낸다.
이하 본 발명은 상술한 수신신호 모델링을 기반으로 주파수 오프셋으로 인한 간섭을 제거하기 위한 기지국의 구성 및 동작 절차를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하고 있다. 상기 도 2는 2개의 단말들과 상향링크 통신을 수행하는 경우를 가정한 기지국의 구성을 도시하고 있으며, 3개 이상의 단말들과 상향링크 통신을 수행하는 경우의 구성도 상기 도 2에 도시된 구성과 유사한 구조를 갖는다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 기지국은 다수의 RF(Radio Frequency) 수신기들(202-1 내지 202-N), 다수의 주파수 오프셋 보정기들(204-1 내지 204-N), 다수의 OFDM 복조기들(206-1 내지 206-N), 다수의 주파수 오프셋 추정기들(208-1 내지 208-N), 다수의 채널 추정기들(210-1 내지 210-N), 수신신호 모델링기(212), 송신신호 검출기(214)를 포함하여 구성된다.
상기 다수의 RF 수신기들(202-1 내지 202-N) 각각은 대응되는 안테나를 통해 수신되는 RF 대역 신호를 기저대역 신호로 하향변환한다. 상기 다수의 주파수 오프셋 보정기들(204-1 내지 204-N) 각각은 상기 다수의 RF 수신기들(202-1 내지 202-N) 중 대응되는 하나로부터 제공되는 신호의 주파수 오프셋을 보정한다. 만일, 다수의 단말들이 모든 대역을 공유하고, 공간 다중 접속된 경우, 즉, 상기 도 1의 (a)와 같은 경우, 상기 다수의 주파수 오프셋 보정기들(204-1 내지 204-N) 각각은 해당 안테나에 대응되는 단말의 주파수 오프셋에 따라 수신신호를 보정한다. 반면, 다수의 단말들이 주파수 다중 접속된 경우, 즉, 상기 도 1의 (b)와 같은 경우, 상기 다수의 주파수 오프셋 보정기들(204-1 내지 204-N) 각각은 단말들의 주파수 오프셋들 각각에 따라 수신신호를 보정한다. 예를 들어, 단말1 및 단말2로부터 신호를 수신한 경우, 상기 주파수 오프셋 보정기들(204-1 내지 204-N) 각각은 단말1의 주파수 오프셋에 따라 수신신호를 보정하고, 단말2의 주파수 오프셋에 따라 수신신호를 보정한다.
상기 다수의 OFDM 복조기들(206-1 내지 206-N)은 상기 다수의 주파수 오프셋 보정기(204-1 내지 204-N) 중 대응되는 하나로부터 제공되는 신호를 OFDM 심벌 단위로 구분하고, CP(Cyclic Prefix)를 제거한 후, FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 통해 시간영역 신호를 부반송파별 신호들로 변환한다. 상기 다수의 주파수 오프셋 추정기들(208-1 내지 208-N) 각각은 상기 부반송파별 신호들 중 파일럿 신호를 이용하여 각 단말의 주파수 오프셋을 추정한다. 상기 다수의 채널 추정기들(210-1 내지 210-N) 각각은 상기 부반송파별 신호들 중 파일럿 신호를 이용하여 각 단말의 부반송파별 채널 계수를 원소로 갖는 채널 행렬을 추정한다.
상기 수신신호 모델링기(212)는 상기 다수의 주파수 오프셋 추정기들(208-1 내지 208-N)로부터 제공되는 각 단말의 주파수 오프셋 정보, 상기 다수의 채널 추정기들(210-1 내지 210-N)로부터 제공되는 각 단말의 채널 행렬 정보를 이용하여 수신신호를 모델링한다. 상세히 설명하면, 상기 수신신호 모델링기(212)는 상기 각 단말의 주파수 오프셋 정보를 이용하여 주파수 오프셋으로 인한 오프셋 계수 행렬 을 산출한다. 여기서, 상기 오프셋 계수 행렬은 상기 <수학식 6>과 같은 원소를 갖는 테플리츠 행렬이며, 상기 <수학식 6>에 나타난 각 원소는 상기 <수학식 4>와 같이 산출된다. 그리고, 상기 수신신호 모델링기(212)는 상기 오프셋 계수 행렬 및 상기 채널 행렬을 포함하는 송신 신호 및 수신 신호 간 유효 채널 행렬을 구성함으로써, 수신신호를 모델링한다. 예를 들어, 2개의 단말들로부터 신호가 수신되는 경우, 상기 수신신호는 상기 <수학식 17>과 같이 모델링된다.
상기 송신신호 검출기(214)는 상기 수신신호 모델링기(212)에 의해 모델링된 수신신호를 이용하여 송신신호를 검출한다. 송신신호 검출에 대한 본 발명의 제1실시 예에 따르는 경우, 상기 송신신호 검출기(214)는 상기 유효 채널 행렬의 역행렬을 산출하고, 산출된 역행렬을 수신신호에 곱함으로써, 상기 송신신호를 검출한다. 송신신호 검출에 대한 본 발명의 제1실시 예에 따르는 경우, 상기 송신신호 검출기(214)는 SIC(Successive Interference Cancellation) 기법을 통해 상기 송신신호를 검출한다. 예를 들어, SIC 기법을 통해 단말1 및 단말2의 송신신호를 검출하는 경우, 상기 송신신호 검출기(214)는 간섭없는 상황을 가정한 채 단말1의 송신신호를 검출하고, 검출된 단말1의 송신신호를 이용하여 단말2의 송신신호에 끼친 간섭을 제거한 후 단말2의 송신신호를 검출하고, 다시 단말2의 송신신호를 이용하여 단말1의 송신신호에 끼친 간섭을 제거한 후 단말1의 송신신호를 다시 검출한다. 최적의 검출 값이 얻어질 때까지, 상기 송신신호 검출기(214)는 이와 같은 간섭 제거 및 검출을 반복 수행함으로써, 각 단말의 송신신호를 검출한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 송신신호 검출 절차를 도시하고 있다.
상기 도 3을 참조하면, 상기 기지국은 301단계에서 다수의 단말들로부터 신호들이 수신되는지 확인한다. 이때, 상기 다수의 단말들로부터의 신호는 상기 도 1의 (a)와 같이 동일한 대역을 통해 공간 다중 접속 방식으로 수신될 수도 있고, 또는, 상기 도 1의 (b)와 같이 서로 다른 대역을 통해 주파수 다중 접속 방식으로 수신될 수도 있다.
상기 신호들이 수신되면, 상기 기지국은 303단계로 진행하여 각 단말의 주파수 오프셋을 추정한다. 여기서, 상기 주파수 오프셋은 각 단말로부터 수신된 신호에 포함된 파일럿 신호를 이용하여 추정된다.
상기 각 단말의 주파수 오프셋을 추정한 후, 상기 기지국은 305단계로 진행하여 상기 각 단말의 주파수 오프셋을 이용하여 주파수 오프셋으로 인한 오프셋 계수 행렬을 산출한다. 여기서, 상기 오프셋 계수 행렬은 상기 <수학식 6>과 같은 원소를 갖는 테플리츠 행렬이며, 상기 <수학식 6>에 나타난 각 원소는 상기 <수학식 4>와 같이 산출된다.
이어, 상기 기지국은 307단계로 진행하여 상기 각 단말의 부반송파별 채널 계수를 원소로 갖는 채널 행렬을 추정한다. 여기서, 상기 주파수 오프셋은 각 단말로부터 수신된 신호에 포함된 파일럿 신호를 이용하여 추정된다.
이후, 상기 기지국은 309단계로 진행하여 상기 301단계에서 다수의 단말들로부터 수신된 수신신호를 모델링한다. 즉, 상기 기지국은 상기 오프셋 계수 행렬 및 상기 채널 행렬을 포함하는 송신 신호 및 수신 신호 간 유효 채널 행렬을 구성함으로써, 수신신호를 모델링한다. 예를 들어, 2개의 단말들로부터 신호가 수신되는 경우, 상기 수신신호는 상기 <수학식 17>과 같이 모델링된다.
상기 수신신호를 모델링한 후, 상기 기지국은 311단계로 진행하여 모델링된 수신신호를 이용하여 각 단말의 송신신호를 검출한다. 송신신호 검출에 대한 본 발명의 제1실시 예에 따르는 경우, 상기 기지국은 상기 유효 채널 행렬의 역행렬을 산출하고, 산출된 역행렬을 수신신호에 곱함으로써, 상기 송신신호를 검출한다. 송신신호 검출에 대한 본 발명의 제1실시 예에 따르는 경우, 상기 기지국은 SIC 기법을 통해 상기 송신신호를 검출한다. 예를 들어, SIC 기법을 통해 단말1 및 단말2의 송신신호를 검출하는 경우, 상기 기지국은 간섭없는 상황을 가정한 채 단말1의 송신신호를 검출하고, 검출된 단말1의 송신신호를 이용하여 단말2의 송신신호에 끼친 간섭을 제거한 후 단말2의 송신신호를 검출하고, 다시 단말2의 송신신호를 이용하여 단말1의 송신신호에 끼친 간섭을 제거한 후 단말1의 송신신호를 다시 검출한다. 최적의 검출 값이 얻어질 때까지, 상기 기지국은 이와 같은 간섭 제거 및 검출을 반복 수행함으로써, 각 단말의 송신신호를 검출한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 성능을 도시하고 있다. 상기 도 4는 공간분할 다중접속 시스템에서 본 발명의 모의 실험 결과를 도시하고 있으며, 상기 도 5는 주파수분할 다중접속 시스템에서 본 발명의 모의 실험 결과를 도시하고 있다. 상기 모의 실험은 상향링크 통신을 수행하는 단말 수를 2개, 전체 부반송파 수를 64개, 변조 방식을 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 방식으로 설정하였다. 그리고, 상기 모의 실험은 주파수 오프셋 및 채널 값이 정확히 알려진 상황을 가정하였다. 상기 도 4 및 상기 도 5에 도시된 그래프들은 주파수 오프셋의 변화에 따른 심벌 에러율을 도시하고 있으며, 각 그래프의 가로축은 주파수 오프셋, 세로축은 심벌 에러율을 나타낸다.
상기 도 4의 (a)는 모든 대역에 걸쳐 채널 계수가 모두 동일하다고 가정한 경우의 결과 그래프이다. 이 경우, 주파수 오프셋이 매우 작을 때, 본 발명의 방식이 종래의 방식에 비해 낮은 에러율을 보인다. 여기서, 상기 종래의 방식은 해당 단말의 신호만을 이용하여 간섭 제거하는 방식을 의미한다.
상기 도 4의 (b)는 각 부반송파의 채널 계수가 전체 대역에서 0.01의 분산을 갖는 가우시안 분포를 따른다고 가정한 경우의 결과 그래프이다. 이 경우, 주파수 오프셋이 큰 일부 구간을 제외하고, 본 발명의 방식이 종래의 방식에 비해 낮은 에러율을 보인다.
상기 도 4의 (c)는 각 부반송파의 채널 계수가 0.05의 분산을 갖는 가우시안 분포를 따른다고 가정한 경우의 결과 그래프이다. 이 경우, 주파수 오프셋의 모든 구간에서, 본 발명의 방식이 종래의 방식에 비해 낮은 에러율을 보인다.
상기 도 4의 (d)는 각 단말이 전체 부반송파 중 절반만을 공유하고, 나머지 절반은 제 3의 단말이 사용한다고 가정한 경우의 결과 그래프이다. 이때, 상기 나머지 절반의 부반송파를 사용하는 제 3의 단말의 신호는 잡음으로 처리하였다. 이 경우, 본 발명의 방식이 종래 방식에 비해 월등히 낮은 에러율을 보인다.
상기 도 5의 (a)는 각 단말이 전체 부반송파를 동일한 개수로 나누어 사용하되, 상기 각 단말은 연속된 부반송파를 사용한다고 가정한 경우의 결과 그래프이다. 또한, 상기 도 5의 (a)는 상기 각 단말이 부반송파를 32개 사용하는 경우와 부반송파를 27개 사용한 경우를 모두 도시하고 있다. 이 경우, 주파수 오프셋이 작을 때에는 종래의 방식과 본 발명의 방식이 유사한 성능을 보이지만, 상기 주파수 오프셋이 커지면 본 발명의 방식이 종래의 방식에 비해 낮은 에러율을 보인다.
상기 도 5의 (b)는 각 단말이 전체 부반송파를 절반씩 나누어 사용하되, 상기 각 단말이 연속되지 않는 부반송파를 사용한다고 가정한 경우의 결과 그래프이다. 이 경우, 주파수 오프셋이 작을 때에는 종래의 방식과 본 발명의 방식이 유사한 성능을 보이지만, 상기 주파수 오프셋이 커지면 본 발명의 방식이 종래의 방식에 비해 낮은 에러율을 보인다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 광대역 무선통신 시스템에서 부반송파 사용 예를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 기지국이 주파수 오프셋으로 인한 간섭을 제거하는 절차를 도시하는 도면,
도 4는 공간분할 다중접속 시스템에서 본 발명의 성능을 도시하는 도면,
도 5는 주파수분할 다중접속 시스템에서 본 발명의 성능을 도시하는 도면.

Claims (18)

  1. 광대역 무선통신 시스템에서 기지국 장치에 있어서,
    다수의 단말들로부터 각각 수신된 신호들에 대한 주파수 오프셋(offset)을 추정하는 오프셋 추정기와,
    상기 다수의 단말들 각각의 부반송파별 채널 계수를 원소로 갖는 채널 행렬을 추정하는 채널 추정기와,
    각 단말의 주파수 오프셋 및 상기 각 단말의 채널 행렬을 이용하여 수신신호를 모델링(modeling)하는 모델링기와,
    상기 모델링된 수신신호를 이용하여 각 단말의 송신신호를 검출하는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 모델링기는, 상기 각 단말의 주파수 오프셋을 이용하여 상기 주파수 오프셋으로 인한 오프셋 계수 행렬을 생성하고, 상기 오프셋 계수 행렬 및 상기 채널 행렬을 원소로 갖는 유효 채널 행렬을 구성함으로써, 상기 수신신호를 모델링하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 모델링기는, 주파수 오프셋으로 인한 부반송파별 정상 신호의 이득 계수들 및 주파수 오프셋으로 인한 부반송파별 간섭 신호의 간섭 계수들을 산출하고, 상기 이득 계수들 및 상기 간섭 계수들을 원소로 갖는 상기 오프셋 계수 행렬을 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 모델링기는, 하기 수식과 같이 상기 이득 계수 및 상기 간섭 계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112008020628549-PAT00043
    여기서, 상기 α(n,δf)은 두 부반송파들 간 주파수 오프셋이 δf이며 두 부반송파들 간 인덱스 차이가 n인 경우 발생하는 오프셋 계수, 상기 δf는 주파수 오프셋, 상기 s는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Mulplexing) 심벌 인덱스, 상기 Ns는 OFDM 심벌 길이, 상기 Ng는 가드 인터벌(Guard Interval) 길이, 상기 N은 FFT(Fast Fourier Transform) 길이를 나타내며, 여기서, n이 0인 경우 상기 α(n,δf)는 이득 계수이며, n이 0이 아닌 경우 상기 α(n,δf)는 간섭 계수임.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 오프셋 계수 행렬은, 첫 번째 행 및 첫 번째이 하기 수식과 같은 테플리츠(Toeplitz) 행렬인 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112008020628549-PAT00044
    Figure 112008020628549-PAT00045
    여기서, 상기 α(n,δf)은 두 부반송파들 간 주파수 오프셋이 δf이며 두 부반송파들 간 인덱스 차이가 n인 경우 발생하는 오프셋 계수, 상기 δf는 주파수 오프셋, 상기 K는 부반송파 개수를 나타냄.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 유효 채널 행렬은, 2개의 단말들로부터 신호를 수신한 경우, 하기 수식과 같은 형태인 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112008020628549-PAT00046
    여기서, 상기 Hm은 단말m의 채널 행렬, 상기 Am(δfm-δfn)는 단말m이 단말n 에게 미치는 간섭 계수 행렬, 상기 Xm은 단말m의 송신신호, 상기 N은 부가 잡음을 나타냄.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 검출기는, 상기 유효 채널 행렬의 역행렬을 산출하고, 산출된 역행렬을 상기 수신신호에 곱함으로써, 상기 각 단말의 송신신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 검출기는, SIC(Successive Interference Cancellation) 기법을 통해 상기 각 단말의 송신신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 검출기는, 일부 단말의 송신신호를 검출하고, 검출된 송신신호를 이용하여 나머지 적어도 하나의 단말의 송신신호에 끼친 간섭을 제거하고, 상기 적어도 하나의 단말의 송신신호를 검출하는 과정을 반복 수행함으로써 상기 각 단말의 송 신신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 신호 검출 방법에 있어서,
    다수의 단말들로부터 각각 수신된 신호들에 대한 주파수 오프셋(offset)을 추정하는 과정과,
    상기 다수의 단말들 각각의 부반송파별 채널 계수를 원소로 갖는 채널 행렬을 추정하는 과정과,
    각 단말의 주파수 오프셋 및 상기 각 단말의 채널 행렬을 이용하여 수신신호를 모델링(modeling)하는 과정과,
    상기 모델링된 수신신호를 이용하여 각 단말의 송신신호를 검출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 수신신호를 모델링하는 과정은,
    상기 각 단말의 주파수 오프셋을 이용하여 상기 주파수 오프셋으로 인한 오프셋 계수 행렬을 생성하는 과정과,
    상기 오프셋 계수 행렬 및 상기 채널 행렬을 원소로 갖는 유효 채널 행렬을 구성함으로써, 상기 수신신호를 모델링하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 오프셋 계수 행렬을 생성하는 과정은,
    주파수 오프셋으로 인한 부반송파별 정상 신호의 이득 계수들 및 주파수 오프셋으로 인한 부반송파별 간섭 신호의 간섭 계수들을 산출하는 과정과,
    상기 이득 계수들 및 상기 간섭 계수들을 원소로 갖는 상기 오프셋 계수 행렬을 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 이득 계수 및 상기 간섭 계수는, 하기 수식과 같이 산출되는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112008020628549-PAT00047
    여기서, 상기 α(n,δf)은 두 부반송파들 간 주파수 오프셋이 δf이며 두 부반송파들 간 인덱스 차이가 n인 경우 발생하는 오프셋 계수, 상기 δf는 주파수 오프셋, 상기 s는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Mulplexing) 심벌 인덱스, 상 기 Ns는 OFDM 심벌 길이, 상기 Ng는 가드 인터벌(Guard Interval) 길이, 상기 N은 FFT(Fast Fourier Transform) 길이를 나타내며, 여기서, n이 0인 경우 상기 α(n,δf)는 이득 계수이며, n이 0이 아닌 경우 상기 α(n,δf)는 간섭 계수임.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 오프셋 계수 행렬은, 첫 번째 행 및 첫 번째이 하기 수식과 같은 테플리츠(Toeplitz) 행렬인 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112008020628549-PAT00048
    Figure 112008020628549-PAT00049
    여기서, 상기 α(n,δf)은 두 부반송파들 간 주파수 오프셋이 δf이며 두 부반송파들 간 인덱스 차이가 n인 경우 발생하는 오프셋 계수, 상기 δf는 주파수 오프셋, 상기 K는 부반송파 개수를 나타냄.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 유효 채널 행렬은, 2개의 단말들로부터 신호를 수신한 경우, 하기 수식과 같은 형태인 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112008020628549-PAT00050
    여기서, 상기 Y는 수신신호, 상기 Hm은 단말m의 채널 행렬, 상기 Am(δfm-δfn)는 단말m이 단말n에게 미치는 간섭 계수 행렬, 상기 Xm은 단말m의 송신신호, 상기 N은 부가 잡음을 나타냄.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 각 단말의 송신신호를 검출하는 과정은,
    상기 유효 채널 행렬의 역행렬을 산출하는 과정과,
    산출된 역행렬을 상기 수신신호에 곱함으로써, 상기 각 단말의 송신신호를 검출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 각 단말의 송신신호를 검출하는 과정은,
    SIC(Successive Interference Cancellation) 기법을 통해 상기 각 단말의 송 신신호를 검출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 각 단말의 송신신호를 검출하는 과정은,
    일부 단말의 송신신호를 검출하고, 검출된 송신신호를 이용하여 나머지 적어도 하나의 단말의 송신신호에 끼친 간섭을 제거하고, 상기 적어도 하나의 단말의 송신신호를 검출하는 과정을 반복 수행함으로써 상기 각 단말의 송신신호를 검출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020080026333A 2007-03-21 2008-03-21 광대역 무선통신 시스템에서 주파수 오프셋 간섭 제거 장치및 방법 KR20080086398A (ko)

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