KR20090061564A - Apparatus and method for channel estimation in mimo systems - Google Patents

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Abstract

A transmitter, a receiver and a communication method applied to the transmitter for channel estimation in a wireless communications system in the timing offset are provided to estimate a channel without additional performance deterioration by timing offset regardless of the number of antennas. An MIMO(Multiple Input Multiple Output) frequency area signal generator(110) encodes a binary source received from a MAC(Medium Access Control) layer. A MIMO frequency area signal generating unit is the encoded bit in a subcarrier. A pilot inserting unit inserts a pilot into the signal of the branch. A pilot inserting unit inserts the pilot into the signal of each transmit branch. An IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) units convert signal into the waveform of the time domain.

Description

다중 안테나 무선 통신시스템에서의 채널 추정을 위한 송신기와 수신기 및 이에 적용되는 통신 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CHANNEL ESTIMATION IN MIMO SYSTEMS}Transmitter and receiver for channel estimation in multi-antenna wireless communication system and communication method applied thereto {APPARATUS AND METHOD FOR CHANNEL ESTIMATION IN MIMO SYSTEMS}

본 발명은 다중 안테나 무선 통신시스템의 채널 추정에 관한 것으로, 특히 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 함에 있어서 타이밍 오프셋에 강인하도록 설계된 프리앰블 구조 및 채널 추정 알고리즘에 관련된다.The present invention relates to channel estimation in a multi-antenna wireless communication system, and more particularly, to a preamble structure and a channel estimation algorithm designed to be robust to timing offset in channel estimation in a multi-antenna wireless communication system.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호 : 2006-S-002-02, 과제명 : 3Gbps급 4G 무선 LAN 시스템 개발(IMT-Advanced Radio Transmission Technology with Low Mobility)].The present invention is derived from the research conducted as part of the IT growth engine technology development project of the Ministry of Information and Communication and the Ministry of Information and Telecommunications Research and Development. [Task Management Number: 2006-S-002-02, Title: Development of 3Gbps 4G Wireless LAN System] (IMT-Advanced Radio Transmission Technology with Low Mobility).

IMT-2000의 한계를 극복하고 4세대 이동통신망을 구축하기 위해서 전 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 4세대 이동통신망은 단일 통신망이 아닌 복합적 통신망으로서, 위성 통신, 무선 LAN, 디지털 방송 등 다양한 통신망이 통합되는 형태이다. In order to overcome the limitations of IMT-2000 and build 4G mobile communication network, much research is being done all over the world. The 4G mobile communication network is not a single communication network but a complex communication network, in which various communication networks such as satellite communication, wireless LAN, and digital broadcasting are integrated.

국제전기통신연합(ITU)은 4세대 무선 통신이 이동 중에 100Mbps, 정지 중에 1Gbps의 전송속도를 제공할 수 있는 것으로 정하고 있다.The International Telecommunication Union (ITU) has determined that fourth-generation wireless communications can deliver data rates of 100 Mbps on the go and 1 Gbps on the go.

현재 사용되는 무선 LAN 규격으로는 IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n 등이 있다. 최근 IEEE 802.11b 또는 IEEE 802.11g 규격을 만족하는 무선 LAN이 많이 사용되는데, IEEE 802.11g는 2.4GHz 대역에서 최고 54Mbps까지의 전송 속도를 지원한다. 한편, 현재 개발 중인 IEEE 802.11n은 4세대 무선 통신이 요구하는 1Gbps의 전송속도에는 미치지 못하지만 최고 540Mbps의 전송속도를 지원할 예정이다. 이러한 초고속 무선 통신을 실현하기 위한 핵심적인 기술로는 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM)와 다중 입출력 안테나 기술(Multiple-Input Multiple-Output: MIMO)(이하 "다중 안테나"라고 함)이 있다.Wireless LAN standards currently used include IEEE 802.11b, IEEE 802.11a, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, and the like. Recently, many wireless LANs satisfying the IEEE 802.11b or IEEE 802.11g standard are used. IEEE 802.11g supports a transmission speed of up to 54 Mbps in the 2.4 GHz band. IEEE 802.11n, which is currently under development, will support up to 540Mbps, although it does not meet the 1Gbps rate required by 4G wireless. Key technologies for realizing such high-speed wireless communication include orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and multiple input / output antenna technology (MIMO) (hereinafter referred to as "multi-antennas"). have.

엔티티 도코모(NTT DoCoMo)사에서는 4세대 무선 통신을 위한 기술로서 직교 주파수 코드 분할 다중화(Orthogonal Frequency Code Division Multiplexing: OFCDM)와 OFDM이 사용될 것이 유력하다고 예측했다. OFCDM과 OFDM은 광대역 채널을 사용하는 통신 시스템에서 기존에 사용하던 직접 시퀀스 코드 분할 다중접속(Direct Sequence-Code Division Multiple Access: DS-CDMA)을 기반으로 하는 무선 통신 액세스보다 우수한 성능을 나타낸다. 광대역 채널을 사용할 경우, 일반적으로 다중경로(multi-path)에 의한 간섭으로 인해 발생하는 성능 저하 현상을 OFCDM이나 OFDM에서는 현저히 줄일 수 있기 때문이다.Entity DoCoMo predicts that Orthogonal Frequency Code Division Multiplexing (OFCDM) and OFDM will be used as the technology for 4G wireless communication. OFCDM and OFDM show better performance than wireless communication access based on Direct Sequence-Code Division Multiple Access (DS-CDMA). In the case of using a wideband channel, the performance degradation caused by the multi-path interference generally can be significantly reduced in OFCDM or OFDM.

한편, 주파수 자원이 한정되어 있는 상태에서 전송 속도를 높이기 위해서는 주파수 이용효율(Spectral Efficiency)을 높여야 하는데, 이를 위한 한 가지 방법으로서 다중 안테나 기술이 사용된다. 다중 안테나 기술의 사용을 위해서 벨 연구소 계층화 시공간(Bell Laboratories Layered Space Time: BLAST)와 같은 전송 방식이 사용된다. 최대 우도 검출(Maximum Likelihood Detection: MLD)이 비트 오류율(Bit Error Rate: BER)이나 블록 오류율(Block Error Rate: BLER) 면에서 V-BLAST(Vertical-BLAST)이나 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean Squared Error: MMSE)보다 더 좋은 성능을 나타낸다는 것은 이미 알려진 사실이다. 하지만, 계산 복잡도(Computational Complexity)가 변조 방식 및 안테나의 개수에 따라 지수적으로 증가하여 매우 크기 때문에 실제 통신 시스템에서 구현하기에 적합하지 않다. MLD의 문제점인 복잡도를 줄이기 위한 방안으로는 M-알고리듬(M-algorithm)과 QR 분해(QR decomposition)를 사용한 MLD인 QRM-MLD(Maximum Likelihood Detection with QR Decomposition and M-algorithm)가 제안되었지만, 이 역시 여전히 개선될 여지가 있다.On the other hand, in order to increase the transmission speed in the limited frequency resources, the frequency efficiency (Spectral Efficiency) should be increased, one method for this is to use a multi-antenna technology. For the use of multiple antenna technology, a transmission scheme such as Bell Laboratories Layered Space Time (BLAST) is used. Maximum Likelihood Detection (MLD) is V-BLAST (Mertical-BLAST) or Minimum Mean Squared Error in terms of Bit Error Rate (BER) or Block Error Rate (BLER). It is already known that it performs better than MMSE. However, since computational complexity increases exponentially according to the modulation scheme and the number of antennas, it is not suitable for implementation in a real communication system. As a solution to reduce the complexity, which is a problem of MLD, QRM-MLD (Maximum Likelihood Detection with QR Decomposition and M-algorithm), an MLD using M-algorithm and QR decomposition, has been proposed. There is still room for improvement.

전술한 초고속 무선 통신 기술들에서 살펴본 바와 같이, 4세대 무선 통신이 요구하는 전송속도 이상의 초고속 무선 통신을 위해서는 다중 안테나 기술과 다중 주파수 대역이 필수적으로 사용된다. 이에 따라 다중 안테나와 다중 주파수 대역을 사용하는 무선 통신시스템에 적합한 효율적인 채널 추정 방법이 필요하다. 또한, 다중 안테나 무선 통신시스템에서는 타이밍 오프셋의 영향이 작지 않을 수 있고, 이 경우 채널 추정 과정 자체에서 성능 저하를 가져오기 때문에 이를 개선하기 위 한 채널 추정 알고리즘이 필요하다.As described in the above-described ultra-high speed wireless communication technologies, multi-antenna technology and multiple frequency bands are essential for high-speed wireless communication beyond the transmission rate required by the fourth generation wireless communication. Accordingly, there is a need for an efficient channel estimation method suitable for a wireless communication system using multiple antennas and multiple frequency bands. In addition, in the multi-antenna wireless communication system, the influence of the timing offset may not be small. In this case, a channel estimation algorithm is required to improve the channel offset process because it causes a performance degradation in the channel estimation process itself.

따라서 본 발명은 다중 안테나 무선 통신시스템에 적합한 프리앰블 구조를 제공함으로써 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 효율적으로 하는 것을 일 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide efficient channel estimation in a multi-antenna wireless communication system by providing a preamble structure suitable for a multi-antenna wireless communication system.

또한, 본 발명은 다중안테나 무선 통신시스템에서 타이밍 오프셋에 의한 추가적인 성능 저하를 방지하는 것을 다른 목적으로 한다.It is another object of the present invention to prevent further performance degradation due to timing offset in a multi-antenna wireless communication system.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects and advantages of the present invention which are not mentioned above can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. It will also be appreciated that the objects and advantages of the present invention may be realized by the means and combinations thereof indicated in the claims.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 제안된 본 발명은 N개의 수신 안테나를 구비한 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 송신기에 적용되는 통신 방법에 있어서, 소정의 패턴이 시간 축에서 N번 반복 배치되어 구성되며 반송파 주파수 오프셋(Carrier Frequency Offset)을 보상하기 위해 사용되는 짧은 훈련 신호열(Short Training Field)을 포함하는 프리앰블 구간을 생성하는 단계와, 상기 프리앰블 구간을 갖는 패킷을 송신하는 단계를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.The present invention proposed to achieve the above object is a communication method applied to a transmitter for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system having N receive antennas, wherein a predetermined pattern is repeated N times on a time axis. Generating a preamble section including a short training field arranged and configured to compensate for a carrier frequency offset; and transmitting a packet having the preamble section. It is characterized by the thing.

또한, 본 발명은 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 송신기에 적용되는 통신 방법에 있어서, 샘플링 주파수 오프셋(Sampling Frequency Offset)에 의한 위상 오류를 보상하기 위한 프리앰블 구간을 생성하는 단계와, 상기 프리앰블 구간 및 데이터 구간을 갖는 패킷을 송신하는 단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a communication method applied to a transmitter for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system, the method comprising: generating a preamble section for compensating for a phase error due to a sampling frequency offset; And transmitting a packet having a section and a data section.

또한, 본 발명은 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 송신기에 적용되는 통신 방법에 있어서, 반송파 주파수 오프셋을 보상하기 위한, 시간 축에서 연속되는 2개 이상의 동일한 긴 훈련 신호열을 포함하는 프리앰블 구간을 생성하는 단계와, 상기 프리앰블 구간을 갖는 패킷을 송신하는 단계를 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a communication method applied to a transmitter for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system, comprising: a preamble section including two or more identical long training signal sequences contiguous on a time axis for compensating a carrier frequency offset; And generating a packet having the preamble section.

또한, 본 발명은 M개의 송신 안테나를 구비한 다중안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 송신기에 적용되는 통신 방법에 있어서, 긴 훈련 신호열을 포함하는 프리앰블 구간을 생성하는 단계와, 상기 프리앰블 구간을 갖는 패킷을 다수의 직교하는 부반송파에 실어서 송신하는 단계를 포함하고, 상기 다수의 부반송파 중 1/M 이상의 부반송파에 해당하는 상기 긴 훈련 신호열에는 채널 추정을 위한 파일롯이 할당되는 것을 또 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a communication method applied to a transmitter for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system having M transmit antennas, the method comprising: generating a preamble section including a long training signal sequence and having the preamble section And carrying a packet on a plurality of orthogonal subcarriers, wherein the long training signal sequence corresponding to 1 / M or more of the plurality of subcarriers is assigned a pilot for channel estimation. .

또한, 본 발명은 N개의 수신 안테나를 구비한 다중 안테나 무선 통신시스템 에서 채널 추정을 위해 수신기에 적용되는 통신 방법에 있어서, 소정의 패턴이 시간 축에서 N번 반복 배치된 짧은 훈련 신호열을 포함하는 프리앰블 구간을 갖는 패킷을 수신하는 단계와, 상기 소정의 패턴 중 2개 이상을 이용하여 반송파 주파수 오프셋을 보상하는 단계를 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention is a communication method applied to a receiver for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system having N receive antennas, the preamble including a short training signal sequence in which a predetermined pattern is repeatedly arranged N times on a time axis. Receiving a packet having a section, and characterized in that it comprises the step of compensating the carrier frequency offset using at least two of the predetermined pattern.

또한, 본 발명은 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 수신기에 적용되는 통신 방법에 있어서, 샘플링 주파수 오프셋에 의한 위상 오류를 보상하기 위한 프리앰블 구간을 갖는 패킷을 수신하는 단계와, 상기 수신된 패킷의 프리앰블 구간을 이용하여 샘플링 주파수 오프셋에 의한 위상 오류를 보상하는 단계를 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a communication method applied to a receiver for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system, the method comprising: receiving a packet having a preamble section for compensating for a phase error due to a sampling frequency offset; Compensating for the phase error caused by the sampling frequency offset by using the preamble section of another feature.

또한, 본 발명은 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 수신기에 적용되는 통신 방법에 있어서, 시간 축에서 연속되는 2개 이상의 동일한 긴 훈련 신호열을 포함하는 프리앰블 구간을 갖는 패킷을 수신하는 단계와, 상기 긴 훈련 신호열을 이용하여 반송파 주파수 오프셋을 보상하는 단계를 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a communication method applied to a receiver for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system, the method comprising: receiving a packet having a preamble section including two or more identical long training signal sequences contiguous on a time axis; Compensating the carrier frequency offset using the long training signal sequence is another feature.

또한, 본 발명은 M개의 송신 안테나 및 N개의 수신 안테나를 구비한 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 수신기에 적용되는 통신 방법에 있어서, 긴 훈련 신호열이 포함된 프리앰블 구간을 갖고 다수의 직교하는 부반송파에 실려서 송신되는 패킷을 수신하는 단계와, 상기 다수의 부반송파 중 1/M 이상의 부반송파에 해당하는 상기 긴 훈련 신호열에 할당된 파일롯을 이용하여 M×N개의 채널에 대한 정보를 추정하는 단계를 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention is a communication method applied to a receiver for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system having M transmit antennas and N receive antennas, and includes a plurality of orthogonal intervals having a preamble section including a long training signal sequence. Receiving a packet transmitted on a subcarrier, and estimating information on M × N channels using a pilot assigned to the long training signal sequence corresponding to a subcarrier of 1 / M or more of the plurality of subcarriers. It is another feature to do.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 M개의 송신 안테나, N개의 수신 안테나를 갖는 다중 안테나 무선 통신시스템에서 M×N개의 제반 경로에 대하여 일제히 효율적으로 채널 추정을 할 수 있다. 특히 안테나 개수에 무관하게 타이밍 오프셋에 의한 추가적인 성능 저하 없이 채널 추정을 할 수 있다.According to the present invention as described above, in a multi-antenna wireless communication system having M transmit antennas and N receive antennas, channel estimation can be efficiently performed on all M × N paths simultaneously. In particular, channel estimation can be performed regardless of the number of antennas without additional performance degradation due to timing offset.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.The above objects, features, and advantages will be described in detail with reference to the accompanying drawings, whereby those skilled in the art to which the present invention pertains may easily implement the technical idea of the present invention. In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

최근 한국전자통신연구원(ETRI)에서 개발한 놀라(New Nomadic Local Area Wireless Access: NoLA) 시스템은 다중 안테나 기술과 OFDM을 사용해서 4세대 무선 통신이 요구하는 전송 속도를 만족한다. NoLA 시스템은 4개 또는 8개의 송신 안테나와 8개의 수신 안테나를 사용하는 다중 안테나 기술을 적용하고, 5GHz의 반송파 주파수에서 40MHz의 주파수 대역 3개, 총 120MHz의 주파수 대역을 사용해서 3.6Gbps의 전송 속도를 보장한다.The new Nomadic Local Area Wireless Access (NoLA) system, recently developed by the Korea Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI), uses multiple antenna technology and OFDM to meet the transmission rates required for 4G wireless communications. The NoLA system employs multi-antenna technology using four or eight transmit and eight receive antennas, with a transmission rate of 3.6 Gbps using three frequency bands of 40 MHz and a total of 120 MHz frequency bands at a carrier frequency of 5 GHz. To ensure.

NoLA 시스템의 특징은 크게 네 가지를 들 수 있다. There are four main features of the NoLA system.

첫째로, 다중 안테나 기술을 사용하는 점을 들 수 있다. 다중 안테나 기술은 안테나 다이버시티(Diversity)를 통해 높은 주파수 이용효율을 얻는 방법으로 IEEE 802.11g, IEEE 802.11n 등 고속 무선 통신을 위한 시스템에서 쓰이고 있다. IEEE 802.11n의 경우 송수신 안테나를 각각 4개를 사용하고 있지만 NoLA 시스템은 더 높은 전송 속도를 제공하기 위해서 송수신 안테나를 각각 최대 8개까지 사용한다. 안테나를 많이 사용하게 되면 전송 속도를 높일 수 있지만 검출부(Detector) 등 수신단의 복잡도가 너무 높아지는 문제가 발생한다.First, the use of multiple antenna technology is mentioned. Multi-antenna technology is a method of obtaining high frequency utilization efficiency through antenna diversity, and is used in systems for high-speed wireless communication such as IEEE 802.11g and IEEE 802.11n. IEEE 802.11n uses four transmit / receive antennas each, but NoLA systems use up to eight transmit / receive antennas each to provide higher transmission rates. If the antenna is used a lot, the transmission speed can be increased, but the complexity of the receiver such as a detector is too high.

NoLA 시스템의 두 번째 특징은 이런 문제를 해결하기 위한 방법으로서, 한국전자통신연구원의 차세대 무선 LAN 팀에서 고안한 모델 중심 개발(Model Driven Development: MDD)을 사용하여, 적은 수의 안테나에서 신뢰도가 높은 데이터를 얻고, 직렬 간섭 제거(Successive Interference Cancellation: SIC)를 통해 다수의 안테나에서 수신한 데이터의 간섭을 제거하는 방법으로 수신율을 높이는 것이다. The second feature of the NoLA system is a method to solve this problem, using Model Driven Development (MDD) designed by the Korea Electronics and Telecommunications Research Institute's next-generation wireless LAN team. The reception rate is increased by obtaining data and removing interference of data received from multiple antennas through successive interference cancellation (SIC).

NoLA 시스템의 세 번째 특징은 채널 부호화(Channel Coding) 방식으로 저밀도 패리티 체크(Low Density Parity Check: LDPC) 코드를 사용하는 것이다. LDPC 코드는 병렬처리가 가능하기 때문에 3Gbps 이상의 속도로 전송되는 데이터를 고속으로 처리하기에 적합하다.A third feature of the NoLA system is the use of Low Density Parity Check (LDPC) codes as the channel coding scheme. LDPC codes can be processed in parallel, making them suitable for high-speed data transmissions of more than 3Gbps.

네 번째 특징은 유무선 채널에서의 고속 데이터 전송에 적합한 전송 방식으로 최근 활발히 연구되고 있는 OFDM 방식을 사용하는 것이다. OFDM 방식은 상호 직교성을 갖는 복수의 반송파를 사용하므로 주파수 이용효율을 높일 수 있다. 또한, 송수신단에서 복수의 반송파를 변복조하는 과정은 각각 역 이산 푸리에 변 환(Inverse Discrete Fourier Transform: IDFT)과 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform: DFT)을 수행한 것과 같은 결과가 되므로 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform: IFFT)과 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT)을 사용하여 고속으로 동작하도록 구현할 수 있다. 이렇게 OFDM 방식은 고속 데이터 전송에 적합하기 때문에 IEEE 802.11a와 HIPELAN/2 등의 고속 무선 LAN, IEEE 802.16의 광대역 무선 액세스, 디지털 오디오 방송, 디지털 지상파 텔레비전 방송, ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line), VDSL(Very High-speed Digital Subscriber Line)의 표준방식으로 채택되었다.The fourth feature is the use of the OFDM scheme, which is being actively studied recently, as a transmission scheme suitable for high-speed data transmission in wired and wireless channels. The OFDM method uses a plurality of carriers having mutual orthogonality, thereby improving frequency utilization efficiency. In addition, since the process of demodulating a plurality of carriers at the transmitting and receiving end has the same result as performing an Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) and a Discrete Fourier Transform (DFT), the inverse fast Fourier transform is performed. (Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) and Fast Fourier Transform (FFT) can be implemented to operate at high speed. Since the OFDM method is suitable for high-speed data transmission, high-speed wireless LAN such as IEEE 802.11a and HIPELAN / 2, broadband wireless access of IEEE 802.16, digital audio broadcasting, digital terrestrial television broadcasting, Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL), and VDSL ( It is adopted as the standard method of Very High-speed Digital Subscriber Line.

도 1은 본 발명에 의한 다중 안테나 무선 통신시스템에 사용되는 송신기(100)의 블록도이다. 도 1에서 송신기(100)는 두 개의 송신 안테나(170, 175)를 구비하는 것으로 간략히 도시되었으나, 3개 이상의 송신 안테나를 구비할 수 있다.1 is a block diagram of a transmitter 100 used in a multi-antenna wireless communication system according to the present invention. In FIG. 1, the transmitter 100 is briefly illustrated as having two transmit antennas 170 and 175, but may include three or more transmit antennas.

MIMO 주파수 영역 신호 생성부(110)는 매체 액세스 제어(Medium Access Control Layer: MAC) 계층으로부터 수신된 이진 소스를 인코딩하고, 인코딩된 비트들을 부반송파(Sub-Carrier)에 매핑(mapping)하여 MIMO 주파수 영역 신호를 생성한다. 각 전송 브랜치(branch)의 신호는 파일롯 삽입부(120, 125)에서 파일롯이 삽입된 후, 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform: IFFT)부(130, 135)에 의하여 시간 영역의 파형으로 변환된다. 보호구간 삽입부(140, 145)는 시간 영역 신호의 매 OFDM 심볼 앞에 보호구간(Guard Interval: GI)을 삽입하고, MIMO 프리앰블 생성부(180)가 여기에 프리앰블 구간을 포함시켜 신호 패킷을 생성한다. 생성된 신호 패킷은 D/A 변환기(Digital to Analog Converter: DAC)(150, 155)에 의 해 아날로그 신호로 변환되고, 송신부(160, 165)를 거쳐 송신 안테나(170, 175)에 의해 송신된다.The MIMO frequency domain signal generator 110 encodes a binary source received from a medium access control layer (MAC) layer, maps the encoded bits to a sub-carrier, and maps the encoded bits to a subcarrier. Generate a signal. The signal of each transmission branch is transformed into the waveform of the time domain by the inverse fast Fourier transform (IFFT) unit 130, 135 after the pilot is inserted in the pilot insertion unit 120 or 125. do. The guard interval inserting unit 140 or 145 inserts a guard interval (GI) before every OFDM symbol of the time domain signal, and the MIMO preamble generator 180 includes the preamble section to generate a signal packet. . The generated signal packet is converted into an analog signal by a D / A converter (DAC) 150, 155, and transmitted by the transmit antennas 170, 175 via the transmitters 160, 165. .

도 2는 본 발명에 의한 다중 안테나 무선 통신시스템에 사용되는 수신기(200)의 블록도이다. 도 2에서 수신기(200)는 두 개의 수신 안테나(270, 275)를 구비하는 것으로 간략히 도시되었으나, 3개 이상의 수신 안테나를 구비할 수 있다.2 is a block diagram of a receiver 200 used in a multi-antenna wireless communication system according to the present invention. In FIG. 2, the receiver 200 is briefly illustrated as having two receiving antennas 270 and 275, but may include three or more receiving antennas.

수신기(200)는 두 개의 수신 안테나(270, 275)에서 수신된 신호를 각각 해당 수신부(260, 265)에서 처리한다. 이 신호는 A/D 변환기(Analog to Digital Converter: ADC)(250, 255)에 의해 디지털 신호로 변환된 후, 동기화부(220, 225)에서 주파수 및 동기화 정보 추출에 사용된다. 보호구간 제거부(240, 245)가 이 신호로부터 보호구간을 제거하면, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT)부(230, 235)는 보호구간이 제거된 신호를 주파수 영역으로 변환된다. MIMO 채널 추정부(280)는 주파수 영역의 신호를 이용하여 채널 추정을 한다. MIMO 채널 추정부(280)의 채널 추정은 반송파 주파수 오프셋(Carrier Frequency Offset: CFO) 보상, 샘플링 주파수 오프셋(Sampling Frequency Offset: SFO) 보상, 채널 정보 추출 등을 포함한다. 수신기(200)는 MIMO 채널 추정부(280)의 채널 정보를 이용하여 주파수 영역 신호를 디매핑(demapping)하고 디코딩함으로써 MIMO 주파수 영역을 검출(210)한 후, 이진 데이터를 복구한다.The receiver 200 processes the signals received by the two reception antennas 270 and 275 in the corresponding receivers 260 and 265, respectively. This signal is converted into a digital signal by an analog-to-digital converter (ADC) 250, 255, and then used by the synchronization unit 220, 225 to extract frequency and synchronization information. When the guard interval remover 240 or 245 removes the guard interval from the signal, the fast Fourier transform (FFT) unit 230 or 235 converts the signal from which the guard interval is removed to the frequency domain. The MIMO channel estimator 280 performs channel estimation using a signal in the frequency domain. The channel estimation of the MIMO channel estimator 280 includes carrier frequency offset (CFO) compensation, sampling frequency offset (SFO) compensation, channel information extraction, and the like. The receiver 200 detects the MIMO frequency domain 210 by demapping and decoding the frequency domain signal using the channel information of the MIMO channel estimator 280, and then recovers the binary data.

도 3은 본 발명에 따라 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 송신기에 적용되는 통신 방법의 흐름도이다. 도 1을 함께 참조하여 본 발명에 의한 송신기(100)에 적용되는 통신 방법을 이하에서 설명한다.3 is a flowchart of a communication method applied to a transmitter for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system according to the present invention. A communication method applied to the transmitter 100 according to the present invention will be described below with reference to FIG. 1.

송신기(100)는 우선 짧은 훈련 신호열과 긴 훈련 신호열을 포함하는 프리앰블 구간을 생성(310)한다. 이때, 짧은 훈련 신호열과 긴 훈련 신호열에 포함되는 신호와 파일롯은 도 4를 참조하여 설명되는 바와 같이, 다중 안테나 무선 통신시스템에 적합하도록 구성된다. 이후 송신기(100)는 생성된 프리앰블 구간을 갖는 패킷을 다수의 직교하는 부반송파에 실어 송신(320)한다. 패킷의 송신(320)은 다수의 송신 안테나를 통해 이루어지고, 이에 사용되는 부반송파는 256개일 수 있다.The transmitter 100 first generates 310 a preamble section including a short training signal sequence and a long training signal sequence. In this case, the signals and pilots included in the short training signal sequence and the long training signal sequence are configured to be suitable for a multi-antenna wireless communication system as described with reference to FIG. 4. Thereafter, the transmitter 100 transmits 320 a packet having the generated preamble section to a plurality of orthogonal subcarriers. Transmission of the packet 320 is performed through a plurality of transmit antennas, and there may be 256 subcarriers used therein.

도 4는 본 발명에 따라 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 수신기에 적용되는 통신 방법의 흐름도이다. 도 2를 함께 참조하여 본 발명에 의해 수신기(200)에 적용되는 통신 방법을 이하에서 설명한다.4 is a flowchart of a communication method applied to a receiver for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system according to the present invention. A communication method applied to the receiver 200 according to the present invention will be described below with reference to FIG. 2.

송신기(100)가 송신한 패킷은 무선 채널을 통해 수신기(200)에 의해 수신되고, 수신기(200)는 수신한 패킷으로부터 원래의 데이터를 얻는다. 무선 채널은 시간과 주파수 영역 상에서 채널 상태가 시간적으로 불규칙하게 변하기 때문에 수신기(200)는 무선 채널의 정보(신호의 감쇄, 지연, 위상 이동 등)를 알아내는 채널 추정 과정을 거친다. 채널 추정 과정에 앞서 수신기(200)는 수신된 패킷의 주파수 오프셋을 보상한다. 주파수 오프셋에는 반송파 주파수 오프셋과 샘플링 주파수 오프셋이 있을 수 있다.The packet transmitted by the transmitter 100 is received by the receiver 200 via a wireless channel, and the receiver 200 obtains original data from the received packet. Since the wireless channel changes irregularly in time in a time and frequency domain, the receiver 200 undergoes a channel estimation process of finding out information (attenuation, delay, phase shift, etc.) of the wireless channel. Prior to the channel estimation process, the receiver 200 compensates for the frequency offset of the received packet. The frequency offset may include a carrier frequency offset and a sampling frequency offset.

반송파 주파수 오프셋은 수신기가 반송파 주파수를 잘못 예측함으로 인해 수신 신호가 왜곡되는 현상을 의미한다. 반송파 주파수 오프셋에 의해서 위상의 변화와 반송파 간 간섭(Inter-Carrier Interference: ICI) 현상이 발생하는데, 특히 위상의 변화는 심한 성능 저하를 가져올 수 있기 때문에 왜곡된 위상을 보상하는 것 이 중요하다.The carrier frequency offset refers to a phenomenon in which a received signal is distorted due to a receiver incorrectly predicting a carrier frequency. Due to the carrier frequency offset, the phase change and inter-carrier interference (ICI) phenomenon occur. In particular, it is important to compensate for the distorted phase because the phase change can cause severe performance degradation.

반송파 주파수 오프셋은 시간에 비례하여 증가하는 특성이 있다. 따라서 송신기에서 수학식 1과 같은 데이터를 보내면, 반송파 주파수 오프셋에 의한 영향으로 수신기에서 받는 데이터는 수학식 2와 같이 위상 오류를 포함하게 된다.The carrier frequency offset has a characteristic of increasing in time. Therefore, when the transmitter sends data as shown in Equation 1, the data received at the receiver due to the carrier frequency offset includes a phase error as shown in Equation 2.

Figure 112008057946845-PAT00001
Figure 112008057946845-PAT00001

Figure 112008057946845-PAT00002
Figure 112008057946845-PAT00002

수학식 2에서

Figure 112008057946845-PAT00003
은 반송파 주파수 오프셋을 나타내는 값으로 ppm의 단위를 갖는다. 예를 들어, 반송파 주파수가 5GHz일 때 10ppm의 반송파 주파수 오프셋은 40kHz가 된다. 시뮬레이션 상에서는 시간 축의 데이터에
Figure 112008057946845-PAT00004
을 곱해주는 것으로 반송파 주파수 오프셋을 간단히 모델링 할 수 있다.In equation (2)
Figure 112008057946845-PAT00003
Is a value representing a carrier frequency offset and has a unit of ppm. For example, when the carrier frequency is 5 GHz, the carrier frequency offset of 10 ppm is 40 kHz. In the simulation, the data on the time axis
Figure 112008057946845-PAT00004
By multiplying the carrier frequency offset can be easily modeled.

수신기(200)는 프리앰블의 긴 훈련 신호열을 이용하여 채널 추정을 하기 때문에 프리앰블 구간에서는 채널 정보를 이용할 수 없다. 따라서, 프리앰블 구간에서 반송파 주파수 오프셋을 예상하고 보상하기 위해서는 프리앰블 구간이 시간 축에서 반복되는 데이터를 포함해야 한다. 반송파 주파수 오프셋에 의한 왜곡을 보상하기 위해, 수신기는 대략적인(coarse) 반송파 주파수 오프셋 보상과 정밀한(fine) 반송파 주파수 오프셋 보상으로 나누어 두 번의 오프셋 보상을 한다. 짧은 훈련 신호열에 포함된 반복 패턴 및 반복 배치된 긴 훈련 신호열이 두 번의 반송파 주파수 오프셋 보상에 사용된다.Since the receiver 200 estimates a channel using a long training signal sequence of the preamble, channel information cannot be used in the preamble section. Therefore, in order to predict and compensate the carrier frequency offset in the preamble section, the preamble section should include data repeated on the time axis. In order to compensate for the distortion caused by the carrier frequency offset, the receiver divides the coarse carrier frequency offset compensation and the fine carrier frequency offset compensation into two offset compensations. The repetition pattern included in the short training signal sequence and the repetitively arranged long training signal sequence are used for two carrier frequency offset compensations.

도 4에 도시된 바와 같이, 채널 추정을 하기 위해 수신기(200)는 송신기(100)로부터 송신된 패킷을 수신(410)한다. 수신기(200)는 수신된 패킷의 짧은 훈련 신호열을 이용하여 대략적인 반송파 주파수 오프셋에 의한 위상 오류를 보상(420)한다. 그 다음 수신기(200)는 긴 훈련 신호열을 이용하여 수신된 패킷의 긴 훈련 신호열을 이용하여 정밀한 반송파 주파수 오프셋에 의한 위상 오류를 보상(430)한다. 그리고 수신된 패킷의 프리앰블 구간을 이용하여 샘플링 주파수 오프셋에 의한 위상 오류를 보상(440)한다. 이렇게 주파수 오프셋이 보상(420, 430, 440) 되고 나면, 수신기(220)는 채널 추정(450)을 하여 무선 채널의 정보를 알아내고, 채널 정보를 바탕으로 신호의 수신을 계속한다.As shown in FIG. 4, the receiver 200 receives 410 a packet transmitted from the transmitter 100 to perform channel estimation. The receiver 200 compensates 420 the phase error due to the approximate carrier frequency offset using the short training signal sequence of the received packet. The receiver 200 then compensates 430 for the phase error due to the precise carrier frequency offset using the long training signal sequence of the received packet using the long training signal sequence. The phase error due to the sampling frequency offset is compensated for using the preamble section of the received packet (440). After the frequency offsets are compensated (420, 430, 440), the receiver 220 performs channel estimation 450 to find out the information of the wireless channel and continues receiving the signal based on the channel information.

도 5는 본 발명에 의한 다중 안테나 무선 통신시스템에서의 채널 추정을 위한 패킷의 구조도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 패킷은 크게 프리앰블 구간과 데이터 구간으로 나눌 수 있다. 프리앰블 구간은 동기화, 오프셋 보상, 채널 추정을 하는 데에 사용되고, 데이터 구간은 전송될 데이터를 포함한다. 프리앰블 구간은 짧은 훈련 신호열(Short Training Field: STF), 긴 훈련 신호열(Long Training Field: LTF), 시그널 필드(Signal Field)로 나눌 수 있다. 5 is a structural diagram of a packet for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system according to the present invention. As shown, a packet according to the present invention can be largely divided into a preamble section and a data section. The preamble interval is used for synchronization, offset compensation, and channel estimation, and the data interval includes data to be transmitted. The preamble section may be divided into a short training field (STF), a long training field (LTF), and a signal field.

짧은 훈련 신호열(510)은 동기화와 대략적인 반송파 주파수 오프셋 보상을 위해 사용된다. 짧은 훈련 신호열(510)은 반복되는 패턴을 포함하고, 이 패턴의 길 이는 각각 OFDM 심볼 길이의 1/8인 0.8us일 수 있다. The short training signal sequence 510 is used for synchronization and approximate carrier frequency offset compensation. The short training signal sequence 510 includes a repeating pattern, the length of which may be 0.8us each 1/8 of the length of the OFDM symbol.

긴 훈련 신호열(520, 530, 550, 560)은 정밀한 반송파 주파수 오프셋 보상과 채널 추정을 위해 사용된다. 긴 훈련 신호열(520, 530, 550, 560)은 송신 안테나 개수만큼 서로 다른 종류가 있고, 각각 긴 훈련 신호열을 의미하는 LTF 뒤에 숫자를 붙여 LTF-0, LTF-1, ..., LTF-(NLTF-1)로 표시한다. 예를 들어, 송신 안테나 개수가 8개이면 긴 훈련 신호열 종류의 수 NLTF는 8이므로, 긴 훈련 신호열은 LTF-0 내지 LTF-7을 포함한다.The long training signal sequence 520, 530, 550, 560 is used for accurate carrier frequency offset compensation and channel estimation. The long training signal strings 520, 530, 550, and 560 are different types by the number of transmitting antennas, and the numbers of LTF-0, LTF-1, ..., LTF- ( N LTF -1). For example, if the number of transmit antennas is eight, the number N LTF of the long training signal string type is 8, so the long training signal string includes LTF-0 to LTF-7.

본 발명에 의한 프리앰블 구간은 짧은 훈련 신호열(510)과, 두 번 이상 반복되는(도 5에서는 두 번 반복되는 것으로 도시함) 긴 훈련 신호열 한 종류(520, 530)와, 시그널 필드(540)와, 나머지 종류의 긴 훈련 신호열(550 내지 560)을 순서대로 포함한다. 이때, 매 심볼(510, 520, 530, 540, 560, 570, 580)은 일정한 길이를 갖는데, 도시된 바와 같이 7.2us의 길이를 갖도록 구성될 수 있다. 이는 OFDM 심볼 길이인 6.4us에 보호구간 0.8us를 더한 길이이다. 각 심볼은 심볼의 앞 부분에 0.8us의 보호구간을 포함할 수 있고, 이 보호구간에는 순환 전치(Cyclic Prefix)에 의해 심볼의 일부가 반복되어 배치된다. The preamble section according to the present invention includes a short training signal sequence 510, a long training signal sequence repeating two or more times (shown as being repeated twice in FIG. 5), a signal field 540, And the remaining types of long training signal sequences 550 to 560 in order. At this time, every symbol 510, 520, 530, 540, 560, 570, 580 has a predetermined length, it may be configured to have a length of 7.2us as shown. This is the length of the OFDM symbol length 6.4us plus the guard interval 0.8us. Each symbol may include a guard interval of 0.8us at the front of the symbol, and a portion of the symbol is repeatedly arranged by a cyclic prefix.

한편, 본 발명에 의한 무선 통신시스템은 다수의 부반송파를 사용할 수 있다. 이때, 256개의 부반송파가 사용될 수 있고, 데이터 구간에서 데이터가 할당되는 부반송파는 256개 중 228개이다. 나머지 부반송파에는 파일롯이 할당되거나, 간섭을 없애고 직류(DC)에 의한 신호 강도의 변화를 없애기 위해서 0이 할당된다.Meanwhile, the wireless communication system according to the present invention may use a plurality of subcarriers. In this case, 256 subcarriers may be used and 228 out of 256 subcarriers to which data is allocated in the data interval. The remaining subcarriers are assigned pilots or zeros to eliminate interference and change in signal strength due to direct current (DC).

도 6 및 도 7은 도 5에 도시된 짧은 훈련 신호열(510)의 세부 구조도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 짧은 훈련 신호열(510)에는 시간 축에서 소정의 패턴 D0 내지 D7이 배치된다. 이때 패턴의 개수는 수신 안테나 또는 송신 안테나의 개수와 같도록 한다. 도 6은 수신 안테나 또는 송신 안테나의 개수가 8개인 경우를 예시로 하여 패턴을 8개로 도시한 것이다. 6 and 7 are detailed structural diagrams of the short training signal sequence 510 shown in FIG. 5. As shown in FIG. 6, predetermined patterns D0 to D7 are disposed on the time axis in the short training signal sequence 510. In this case, the number of patterns is equal to the number of receiving antennas or transmitting antennas. FIG. 6 illustrates eight patterns in the case where the number of receive antennas or transmit antennas is eight.

D0 내지 D7에는 대략적인 반송파 주파수 오프셋 보상을 위해 동일한 패턴이 반복 배치된다. 즉, 전술한 바와 같이 반송파 주파수 오프셋 보상을 위해 시간 축에서 반복되는 신호가 필요하기 때문에, D0 내지 D7은 모두 동일한 비트열로 구성한다. D0 내지 D7의 길이는 OFDM 심볼 길이의 1/8인 0.8us가 될 수 있다.The same pattern is repeatedly arranged in D0 to D7 for the approximate carrier frequency offset compensation. That is, since a signal that is repeated on the time axis is required for the carrier frequency offset compensation as described above, D0 to D7 are all configured with the same bit string. The lengths of D0 to D7 may be 0.8us, which is 1/8 of the OFDM symbol length.

수신기(200)는 짧은 훈련 신호열(510)의 반복되는 패턴 중 마지막 2번의 패턴(D6, D7)을 이용하여 대략적인 반송파 주파수 오프셋 보상을 한다. 수신기(200)는 수학식 3을 통해 구한

Figure 112008057946845-PAT00005
를 시간에 비례하여 증가시키며 수학식 4와 같이 위상 오류를 보상한다. 짧은 훈련 신호열(510)에서 반복되는 패턴의 길이는 0.8us가 될 수 있고, 이는 32개의 데이터에 해당한다.The receiver 200 compensates for the carrier frequency offset by using the last two patterns D6 and D7 among the repeated patterns of the short training signal sequence 510. The receiver 200 is obtained through Equation 3
Figure 112008057946845-PAT00005
Increases in proportion to time and compensates for the phase error as shown in Equation 4. The length of the repeated pattern in the short training signal sequence 510 may be 0.8us, which corresponds to 32 data.

Figure 112008057946845-PAT00006
Figure 112008057946845-PAT00006

Figure 112008057946845-PAT00007
Figure 112008057946845-PAT00007

한편, OFDM 방식을 사용하는 통신시스템에서는 지연 확산(Delay Spread)에 의해 발생하는 반송파 간 간섭 및 심볼 간 간섭(Inter-Symbol Interference: ISI)을 방지하기 위해 보호구간에 순환 전치가 사용된다. 따라서 도 7에 도시된 바와 같이, 짧은 훈련 신호열(510)은 그 앞 부분에 보호구간을 포함할 수 있고, 보호구간에는 짧은 훈련 신호열(510)의 일부가 반복된다. 일반적으로 짧은 훈련 신호열(510)의 마지막 부분이 보호구간에서 반복되도록 하기 때문에, 대략적인 반송파 주파수 보상을 위한 반복 패턴 중 하나 이상이 보호구간에 포함될 수 있다. 도 7에 도시된 예시의 경우, 짧은 훈련 신호열(510)은 수신 안테나 또는 송신 안테나 개수가 8개인 시스템을 위한 것이고, 보호구간에 하나의 반복 패턴을 포함하므로, 보호구간에 포함된 패턴까지 합쳐서 모두 9개의 반복되는 패턴을 구비한다. 이때, 보호구간의 길이는 OFDM 심볼주기인 6.4us의 1/8이 될 수 있다.Meanwhile, in a communication system using an OFDM scheme, cyclic prefix is used in a guard interval to prevent inter-carrier interference and inter-symbol interference (ISI) caused by delay spread. Thus, as shown in FIG. 7, the short training signal sequence 510 may include a guard interval in front of the guard interval, and a part of the short training signal sequence 510 is repeated in the guard interval. In general, since the last part of the short training signal sequence 510 is repeated in the guard interval, one or more of the repetition patterns for the approximate carrier frequency compensation may be included in the guard interval. In the example shown in FIG. 7, the short training signal sequence 510 is for a system having 8 receiving antennas or transmitting antennas, and includes one repetition pattern in the guard interval, so that all the patterns included in the guard interval are added together. 9 repeating patterns. In this case, the length of the guard interval may be 1/8 of 6.4us, which is an OFDM symbol period.

또한, 도 6 또는 도 7에 도시된 짧은 훈련 신호열(510)의 마지막 반복 패턴은 동기화를 더욱 용이하게 하기 위하여 다른 반복 패턴의 역순으로 배치될 수 있다.In addition, the last repetition pattern of the short training signal sequence 510 shown in FIG. 6 or 7 may be arranged in the reverse order of other repetition patterns to facilitate synchronization.

주파수 축에서는 수학식 5과 같이 256개의 부반송파가 짧은 훈련 신호열(510)에 할당된다.On the frequency axis, 256 subcarriers are allocated to the short training signal sequence 510 as shown in Equation 5.

Figure 112008057946845-PAT00008
Figure 112008057946845-PAT00008

예를 들어 세 개의 주파수 대역을 사용하는 무선 통신시스템의 경우, 수학식 5의 시퀀스(Sequence)는 상위, 중간, 하위로 표시되는 세 개의 주파수 대역 중 중간 주파수 대역에 할당된다. 상위 주파수 대역에는 수학식 5의 시퀀스에 +90도의 위상 차이를 주고, 하위 주파수 대역에는 -90도의 위상 차이를 주어 각각 256개의 부반송파가 할당된다. 이러한 위상 차이는 최대전력 대 평균전력 비(Peak to Average Power Ratio: PAPR)를 줄이는 역할을 한다.For example, in a wireless communication system using three frequency bands, the sequence of Equation 5 is assigned to an intermediate frequency band among three frequency bands represented as upper, middle, and lower. The upper frequency band is given a phase difference of +90 degrees to the sequence of Equation 5, and the lower frequency band is assigned a subcarrier of -90 degrees to 256 subcarriers, respectively. This phase difference serves to reduce the peak to average power ratio (PAPR).

짧은 훈련 신호열(510)에 할당되는 신호는 시간 축에서 수학식 6과 같이 나 타낼 수 있다.The signal allocated to the short training signal sequence 510 may be represented by Equation 6 on the time axis.

Figure 112008057946845-PAT00009
Figure 112008057946845-PAT00009

수학식 6에서

Figure 112008057946845-PAT00010
는 고속 푸리에 변환의 사이즈를 나타내고,
Figure 112008057946845-PAT00011
는 시간 축에서 짧은 훈련 신호열(510)의 윈도우 함수(windowing function)를 의미한다.
Figure 112008057946845-PAT00012
Figure 112008057946845-PAT00013
는 각각 부반송파 간의 간격과 스트림의 개수를 나타낸다. 또,
Figure 112008057946845-PAT00014
스트림의 순환 전치에 의해
Figure 112008057946845-PAT00015
가 정의된다.In equation (6)
Figure 112008057946845-PAT00010
Represents the size of the fast Fourier transform,
Figure 112008057946845-PAT00011
Denotes a windowing function of the short training signal sequence 510 on the time axis.
Figure 112008057946845-PAT00012
Wow
Figure 112008057946845-PAT00013
Denotes the interval between subcarriers and the number of streams, respectively. In addition,
Figure 112008057946845-PAT00014
By the circular transpose of the stream.
Figure 112008057946845-PAT00015
Is defined.

도 8은 본 발명에 의한 짧은 훈련 신호열(510)의 시간 응답에 대한 파형도이다. 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 짧은 훈련 신호열(510)을 구성하면, 동일한 패턴이 매 0.8us마다 반복된다. 따라서 짧은 훈련 신호열(510)의 시간 응답에는 도 8에 도시된 바와 같이 0.8us마다 반복되는 동일한 파형이 나타난다. 8 is a waveform diagram of the time response of the short training signal sequence 510 according to the present invention. When the short training signal sequence 510 is configured as shown in Figs. 5 to 7, the same pattern is repeated every 0.8us. Therefore, the time response of the short training signal sequence 510 shows the same waveform repeated every 0.8us as shown in FIG.

도 9는 도 5에 도시된 프리앰블 구간의 세부 구조도이다.9 is a detailed structural diagram of a preamble section shown in FIG. 5.

정밀한 반송파 주파수 오프셋 추정을 위해서 프리앰블 구간에 시간 축에서 반복되는 신호가 필요하고, 이를 위해 도시된 바와 같이 두 개 이상의 동일한 긴 훈련 신호열(520, 530)을 짧은 훈련 신호열(510) 뒤에 연속적으로 배치한다. 긴 훈 련 신호열(520, 530, 540, 550 내지 560)은 시그널을 복호화(decoding)하기 위한 채널 추정에도 사용된다.For accurate carrier frequency offset estimation, a signal that is repeated on the time axis in the preamble section is required, and two or more identical long training signal sequences 520 and 530 are continuously arranged after the short training signal sequence 510 as shown. . The long training signal sequence 520, 530, 540, 550 to 560 is also used for channel estimation for decoding the signal.

반복되는 긴 훈련 신호열(520, 530) 뒤에는 시그널 필드(540)가 위치하고, 그 이후에 나머지 긴 훈련 신호열(LTF1 내지 LTF7)이 배치된다. 도 9에 도시된 예시는 수신 안테나의 개수가 8개인 무선 통신시스템이므로, 앞서 설명한 바와 같이 긴 훈련 신호열의 종류가 LTF0 내지 LTF7으로 총 8개이다.The signal field 540 is positioned after the repeated long training signal sequences 520 and 530, and the remaining long training signal sequences LTF1 to LTF7 are disposed thereafter. In the example illustrated in FIG. 9, since the number of receive antennas is 8, the total length of the long training signal sequence is LTF0 to LTF7 as described above.

수신기는 짧은 훈련 신호열을 이용하여 대략적인 반송파 주파수 오프셋 보상을 하지만, 짧은 훈련 신호열에 포함된 반복되는 패턴은 그 길이가 짧기 때문에 이를 통한 오프셋 보상은 노이즈에 취약할 수 있다. 따라서, 반복되는 신호의 길이가 긴 긴 훈련 신호열(520, 530)을 이용하여 정밀한 반송파 주파수 오프셋 보상을 한다. 대략적인 반송파 주파수 오프셋 보상 방법과 같이, 수학식 7을 통해 구한

Figure 112008057946845-PAT00016
를 시간에 비례하여 증가시키며 반송파 주파수 오프셋에 의한 위상 오류를 보상한다. 반복되는 긴 훈련 신호열의 길이는 OFDM 심볼 길이인 6.4us가 될 수 있고, 이는 256개의 데이터에 해당한다.The receiver uses the short training signal sequence to approximate the carrier frequency offset compensation. However, since the repeated patterns included in the short training signal sequence have a short length, the offset compensation through the receiver may be vulnerable to noise. Therefore, accurate carrier frequency offset compensation is performed using long training signal sequences 520 and 530 having a long length of repeated signals. As in the approximate carrier frequency offset compensation method,
Figure 112008057946845-PAT00016
Is increased in time and compensates for the phase error caused by the carrier frequency offset. The length of the repeated long training signal sequence may be 6.4us, which is an OFDM symbol length, corresponding to 256 data.

Figure 112008057946845-PAT00017
Figure 112008057946845-PAT00017

주파수 축에서는 수학식 8과 같이 256개의 부반송파가 긴 훈련 신호열에 할당된다.On the frequency axis, 256 subcarriers are allocated to the long training signal sequence as shown in Equation (8).

Figure 112008057946845-PAT00018
Figure 112008057946845-PAT00018

시간 축에서 긴 훈련 신호열에 할당되는 신호는 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다. 수학식 9도 수학식 6과 마찬가지로 세 개의 주파수 대역을 사용하는 무선 통신시스템의 신호에 해당하고, 상위 주파수 대역에는 수학식 9의 시퀀스에 +90도의 위상 차이를 주고, 하위 주파수 대역에는 -90도의 위상 차이를 주어 각각 256개의 부반송파를 할당한다. 이러한 위상 차이는 최대전력 대 평균전력 비를 줄이는 역할을 한다.A signal allocated to a long training signal sequence on the time axis may be represented by Equation 9. Equation 9 corresponds to a signal of a wireless communication system using three frequency bands as in Equation 6, and a phase difference of +90 degrees is given to the sequence of Equation 9 in the upper frequency band, and -90 degrees in the lower frequency band. 256 subcarriers are allocated to each other with a phase difference. This phase difference serves to reduce the maximum power to average power ratio.

Figure 112008057946845-PAT00019
Figure 112008057946845-PAT00019

수학식 9에서,

Figure 112008057946845-PAT00020
는 시간 축에서의 긴 훈련 신호열에 대한 윈도우 함수를 나타내고,
Figure 112008057946845-PAT00021
는 순환 전치의 길이를 나타낸다. 또한,
Figure 112008057946845-PAT00022
는 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.In Equation 9,
Figure 112008057946845-PAT00020
Represents the window function for the long training signal sequence on the time axis,
Figure 112008057946845-PAT00021
Represents the length of the cyclic prefix. Also,
Figure 112008057946845-PAT00022
May be expressed as in Equation 10.

Figure 112008057946845-PAT00023
Figure 112008057946845-PAT00023

도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 다중 안테나 무선 통신시스템에서 시간과 8개의 송신 안테나에 따른 긴 훈련 신호열의 배치도이다. 도 10에서 Mod 하나는 하나의 긴 훈련 신호열 심볼을 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이, 제 1 송신 안테나를 통해 전송되는 첫 번째 전송 스트림(Tx Stream)(1010)은 두 번 반복되는 긴 훈련 신호열(Mod0)과, 시그널 필드(SIG Mod0)와, Mod0 외의 일련의 긴 훈련 신호 열(Mod1 내지 Mod7)을 포함한다. 제 2 송신 안테나를 통해 전송되는 두 번째 전송 스트림(1020) 내지 제 8 송신 안테나를 통해 전송되는 여덟 번째 전송 스트림(1080)은 첫 번째 전송 스트림(1010)과 같은 구조를 갖지만 각각 인덱스를 하나씩 늘려가면서 되풀이(iterate)되는 신호를 포함한다. 10 is a layout view of a long training signal sequence according to time and eight transmit antennas in a multi-antenna wireless communication system according to an embodiment of the present invention. In FIG. 10, one Mod represents one long training signal string symbol. As shown in FIG. 10, the first transmission stream (Tx Stream) 1010 transmitted through the first transmit antenna has a long training signal sequence Mod0 repeated twice, a signal field SIG Mod0, and other than Mod0. It contains a series of long training signal sequences (Mod1 to Mod7). The second transmission stream 1020 transmitted through the second transmission antenna to the eighth transmission stream 1080 transmitted through the eighth transmission antenna have the same structure as the first transmission stream 1010, but each increasing the index by one. Contains a signal that is repeated.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 다중 안테나 무선 통신시스템에서 시간과 4개의 송신 안테나에 따른 긴 훈련 신호열의 배치도이다. 4개의 송신 안테나를 사용하는 경우에는 긴 훈련 신호열이 네 종류가 되고, 따라서 Mod0 내지 Mod3이 앞서 설명한 바와 같은 구조로 배치된다. 즉, 첫 번째 전송 스트림(1110)은 두 번의 반복되는 긴 훈련 신호열(Mod0)과, 시그널 필드(SIG Mod0)와, Mod0 외의 일련의 긴 훈련 신호열(Mod1 내지 Mod3)을 포함한다. 나머지 전송 스트림은 인덱스를 하나씩 늘려가면서 되풀이되는 신호를 포함한다.11 is a layout view of a long training signal sequence according to time and four transmit antennas in a multi-antenna wireless communication system according to an embodiment of the present invention. In the case of using four transmitting antennas, there are four types of long training signal strings, and accordingly, Mod0 to Mod3 are arranged in a structure as described above. That is, the first transport stream 1110 includes two repeated long training signal sequences Mod0, a signal field SIG Mod0, and a series of long training signal sequences Mod1 to Mod3 other than Mod0. The remaining transport stream contains a signal that is repeated by increasing the index by one.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 다중 안테나 무선 통신시스템에서의 채널 추정에 대한 설명도이다.12 is an explanatory diagram for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system according to an embodiment of the present invention.

예를 들어 8개의 송신 안테나 및 8개의 수신 안테나를 사용하는 무선 통신시스템의 경우, 다수의 부반송파 중 1/8만 파일롯이 할당되고 나머지 부반송파에는 0이 할당되어야 부반송파 간의 간섭 없이 정확한 채널 추정이 가능하다. 도시된 바와 같이, 제 1 수신 안테나(1210)가 수신하는 신호를 보면, 제 1 송신 안테나(1211)부터 제 8 송신 안테나(1281)에 의해 송신된 파일롯이 차례로 배치되고, 이어서 다시 제 1 송신 안테나(1211)에 의해 송신된 파일롯이 배치된다. 도 12에 도시된 바와 같이 8개의 송신 안테나(1211, 1221, 1231, 1241, 1251, 1261, 1271, 1281)를 통해 파일롯이 송신되면, 수신기는 파일롯을 수신하고 이를 이용하여 채널의 임펄스 응답을 구하여 채널의 정보만을 추측할 수 있다. 수신기는 송신된 파일롯을 이미 알고 있기 때문이다. 이때, 채널은 송신 안테나 개수와 수신 안테나 개수를 곱하여 총 64개가 존재할 수 있다. 다수의 부반송파를 사용하는 경우, 이와 같은 방법으로 채널 추정을 하면 부반송파 각각에 대하여 64개의 채널 정보를 얻을 수 있다. 다른 예로서, 4개의 송신 안테나를 사용하는 무선 통신시스템의 경우에는, 다수의 부반송파 중 1/4만 파일롯이 할당되고 나머지 부반송파에는 0이 할당된다.For example, in a wireless communication system using eight transmit antennas and eight receive antennas, only one eighth of a plurality of subcarriers should be allocated to a pilot and 0 should be allocated to the remaining subcarriers for accurate channel estimation without interference between subcarriers. . As shown, when the signal received by the first receiving antenna 1210 is received, the pilots transmitted by the first transmitting antenna 1211 to the eighth transmitting antenna 1281 are sequentially arranged, and then again the first transmitting antenna The pilot sent by 1211 is placed. As shown in FIG. 12, when a pilot is transmitted through eight transmit antennas 1211, 1221, 1231, 1241, 1251, 1261, 1271, and 1281, the receiver receives a pilot and uses the same to obtain an impulse response of a channel. Only information on channels can be inferred. This is because the receiver already knows the transmitted pilot. In this case, a total of 64 channels may exist by multiplying the number of transmit antennas and the number of receive antennas. If multiple subcarriers are used, 64 channel information can be obtained for each subcarrier by channel estimation in this manner. As another example, in a wireless communication system using four transmit antennas, only one quarter of a plurality of subcarriers are allocated a pilot and zeros are assigned to the remaining subcarriers.

이하 도 13 및 도 14를 참조하여 샘플링 주파수 오프셋에 대해 설명한다.Hereinafter, the sampling frequency offset will be described with reference to FIGS. 13 and 14.

도 13에서 실선은 송신기에서의 샘플링 주기를 나타내고, 점선은 수신기에서의 샘플링 주기를 나타낸다. 샘플링 주파수 오프셋은 도 13에 도시된 바와 같이 송신기에서의 샘플링 주기와 수신기에서의 샘플링 주기가 다를 때 그 차이를 말한다. 샘플링 주파수 오프셋은 신호의 세기를 감소시키고, 주파수 영역에서 위상을 변화시키며, 반송파 간 간섭 현상을 초래한다.In FIG. 13, the solid line represents the sampling period in the transmitter, and the dotted line represents the sampling period in the receiver. The sampling frequency offset refers to the difference when the sampling period at the transmitter and the sampling period at the receiver are different as shown in FIG. Sampling frequency offset reduces the signal strength, changes the phase in the frequency domain, and causes interference between carriers.

샘플링 주파수 오프셋은 도 14에 도시된 바와 같이 싱크 함수(Sinc Function)을 사용하여 발생시킨다. 샘플링 주파수 오프셋이 없는 경우에는 하나의 싱크 함수의 중심 값에 데이터가 곱해지고, 나머지 샘플링 주파수 오프셋에는 영점을 지나는 곳에 데이터가 위치하기 때문에 신호의 왜곡이 발생하지 않는다. 하지만 샘플링 주파수 오프셋이 발생하여 싱크 함수의 중심에서 조금씩 벗어나면, 다른 데이터의 영향을 받게 되어 왜곡이 발생한다.The sampling frequency offset is generated using a sink function as shown in FIG. If there is no sampling frequency offset, the data is multiplied by the center value of one sync function, and the data is positioned at the zero point at the remaining sampling frequency offset, so that signal distortion does not occur. However, if a sampling frequency offset occurs and slightly deviates from the center of the sink function, it is affected by other data and distortion occurs.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 샘플링 주파수 오프셋에 의한 위상 오류의 성상도(Constellation)이다.FIG. 15 is a constellation diagram of a phase error caused by a sampling frequency offset according to an embodiment of the present invention. FIG.

Figure 112008057946845-PAT00024
Figure 112008057946845-PAT00024

샘플링 주파수 오프셋에 의한 주파수 영역에서의 위상 오류를 수학식 11에 따라 계산해 보면, 샘플링 주파수 오프셋에 의한 주파수 영역에서의 데이터 심볼의 최대 위상 오류는 수학식 12와 같다. 단, 이때 n=128, m=2880, N=256 이다.When the phase error in the frequency domain due to the sampling frequency offset is calculated according to Equation 11, the maximum phase error of the data symbol in the frequency domain due to the sampling frequency offset is expressed by Equation 12. Where n = 128, m = 2880, and N = 256.

Figure 112008057946845-PAT00025
Figure 112008057946845-PAT00025

수학식 12에서와 같이, 샘플링 주파수 오프셋이 30ppm인 경우 위상 오류는 15.5도 정도가 되므로, 위상 오류에 의한 무선 통신시스템의 성능 저하가 심할 수 있다. 따라서 이에 대한 보상이 제대로 이루어져야 하는데 수신기가 프리앰블 구간을 이용하여 채널 추정을 할 때 이미 위상 오류가 있기 때문에, 데이터 구간의 파 일롯을 이용하여 구한 위상 오류가 정확한 값이 될 수 없다. 따라서 프리앰블 구간에서부터 샘플링 주파수 오프셋을 추적(tracking)하여 보상하는 것이 필요하다. 즉, 도 4에 도시된 것과 같이 프리앰블 구간을 이용하여 샘플링 주파수 오프셋에 의한 오류를 보상(440)하는 방법으로는 다음과 같은 세 가지가 있을 수 있다.As shown in Equation 12, when the sampling frequency offset is 30ppm, the phase error is about 15.5 degrees, and thus the performance degradation of the wireless communication system due to the phase error may be severe. Therefore, compensation must be made properly. Since the phase error is already present when the receiver estimates the channel using the preamble section, the phase error obtained using the pilot of the data section cannot be an accurate value. Therefore, it is necessary to track and compensate the sampling frequency offset from the preamble section. That is, as illustrated in FIG. 4, there are three methods for compensating for an error due to a sampling frequency offset using a preamble section, as follows.

첫째로, 반송파 주파수 오프셋 보상을 위해 프리앰블 구간에 배치되는 반복되는 긴 훈련 신호열을, 프리앰블 구간의 마지막에 추가로 하나 더 배치하여 위상 오류를 구하는 데 이용하는 방법이다. 둘째로, 사용하지 않는 부반송파 구간에 파일롯을 할당하고, 이를 통해 위상 오류를 구하는 방법이다. 셋째로, 데이터 구간에서 사용되는 파일롯과 같은 위치에 프리앰블 구간의 위상 오류를 위한 파일롯을 할당하는 방법이다.Firstly, a repeating long training signal sequence disposed in the preamble section for the carrier frequency offset compensation is further used at the end of the preamble section to calculate a phase error. Secondly, a pilot is allocated to an unused subcarrier section and a phase error is obtained through this. Third, a method of allocating a pilot for phase error of a preamble section at the same position as the pilot used in the data section.

전술한 세 가지 방법은 각각 장단점이 있지만, 세 번째 방법은 프리앰블의 구조를 바꾸지 않고 위상 오류를 구할 수 있는 장점이 있다. 첫 번째 방법은 256개의 부반송파를 이용하여 위상 오류를 구하기 때문에 노이즈의 영향이 작지만, 세 번째 방법은 4개의 파일롯만 이용되기 때문에 상대적으로 노이즈에 취약할 수 있다. 수신기는 8개의 수신 안테나를 통해 수신된 신호에서 구하는 정보를 모두 사용하고, 루프 필터의 대역폭을 조절함으로써 노이즈의 영향을 줄일 수 있다. Each of the three methods described above has advantages and disadvantages, but the third method has an advantage of obtaining a phase error without changing the structure of the preamble. The first method uses less than 256 subcarriers to calculate phase error, but the third method is relatively vulnerable to noise because only four pilots are used. The receiver can use all the information obtained from the signals received through the eight receive antennas, and reduce the influence of noise by adjusting the bandwidth of the loop filter.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 파일롯을 사용한 위상 오류 계산에 대한 설명도이다.16 is an explanatory diagram for phase error calculation using a pilot according to an embodiment of the present invention.

앞서 설명한 세 번째 방법에 의하면, 수신기는 프리앰블 구간과 데이터 구간에 공통적으로 배치된 파일롯을 이용하여 샘플링 주파수 오프셋에 의한 위상 오류 를 구한다. 반송파 주파수 오프셋을 보상하는 방법과 마찬가지로, 프리앰블 구간에는 채널에 대한 정보가 없기 때문에 모든 심볼 구간에 동일한 파일롯이 할당된다. 다만, 반송파 주파수 오프셋을 보상하기 위해서는 시간 축에서 반복되는 심볼이 사용되지만, 샘플링 주파수 오프셋을 보상하기 위해서는 주파수 축에서 반복되는 심볼이 필요하다.According to the third method described above, the receiver calculates a phase error due to a sampling frequency offset using a pilot arranged in common in the preamble section and the data section. As with the method of compensating the carrier frequency offset, the same pilot is allocated to all symbol intervals because there is no information on the channel in the preamble interval. However, a symbol repeated on the time axis is used to compensate for the carrier frequency offset, but a symbol repeated on the frequency axis is required to compensate for the sampling frequency offset.

Figure 112008057946845-PAT00026
Figure 112008057946845-PAT00026

수신기는 수학식 13과 같이, 수신된 데이터를 고속 푸리에 변환하여 주파수 영역으로 변환하고, 주파수 축에서 반복되는 파일롯을 이용하여 위상 오류를 구할 수 있다.As shown in Equation 13, the receiver converts the received data into a fast Fourier transform into a frequency domain and calculates a phase error using a pilot repeated on the frequency axis.

데이터 구간에는 4개의 파일롯이 할당되는데, 프리앰블 구간에서 이와 같은 위치에 배치된 4개의 파일롯을 이용하면 반송파 주파수 오프셋에 의한 위상 오류와 샘플링 주파수 오프셋에 의한 위상 오류를 모두 구할 수 있다. 반송파 주파수 오프셋에 의한 위상 오류는 모든 주파수 영역에서 동일하게 나타나고, 샘플링 주파수 오프셋에 의한 위상 오류는 주파수에 비례하여 나타난다. 반송파 주파수 오프셋에 의한 위상 오류는 수학식 14와 같고, 샘플링 주파수 오프셋에 의한 위상 기울기는 수학식 15와 같다.Four pilots are allocated to the data section, and using the four pilots arranged at such a position in the preamble section, both the phase error due to the carrier frequency offset and the phase error due to the sampling frequency offset can be obtained. The phase error due to the carrier frequency offset appears the same in all frequency domains, and the phase error due to the sampling frequency offset appears in proportion to the frequency. The phase error due to the carrier frequency offset is shown in Equation 14, and the phase slope due to the sampling frequency offset is shown in Equation 15.

Figure 112008057946845-PAT00027
Figure 112008057946845-PAT00027

Figure 112008057946845-PAT00028
Figure 112008057946845-PAT00028

따라서, 4개의 파일롯에서 구한 위상 차

Figure 112008057946845-PAT00029
를 이용하면 두 가지 위상 오류를 모두 구할 수 있다.Therefore, the phase difference obtained from four pilots
Figure 112008057946845-PAT00029
Can be used to find both phase errors.

앞서 설명한 바와 같이 데이터 구간에서 사용되는 파일롯과 같은 위치에 위상 오류를 구하기 위한 파일롯을 프리앰블 구간에 배치하면, 4개의 파일롯을 사용하기 때문에 노이즈와 반송파 간 간섭 현상 때문에 위상 오류를 구한 것이 정확하지 않을 수 있다. 따라서 도 17에 도시된 바와 같은 루프 필터를 사용하여 더욱 정확하게 위상을 보상한다. 도 17은 본 발명의 일 실시예로서 설계된 2차 루프 필터(1700)를 도시한다. As described above, if the pilot for the phase error is placed in the preamble section at the same position as the pilot used in the data section, since four pilots are used, the phase error may not be accurate due to noise and interference between carriers. have. Therefore, a loop filter as shown in FIG. 17 is used to compensate the phase more accurately. 17 illustrates a second order loop filter 1700 designed as one embodiment of the present invention.

루프 필터(1700)는 지연부(메모리)(1710, 1720)를 사용한 저역 통과 필터(Low Pass Filter: LPF)의 기능을 한다. 이때, 루프 필터(1700)의 비례 이득(Proportional Gain)과 적분 이득(Integral Gain)을 조절함으로써 루프 계수 1, 2를 바꾸어 대역폭을 조절할 수 있다.The loop filter 1700 functions as a low pass filter (LPF) using delay units (memory) 1710 and 1720. In this case, the bandwidth may be adjusted by changing the loop coefficients 1 and 2 by adjusting the proportional gain and the integral gain of the loop filter 1700.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 의한 지연 전력 스펙트럼(Delay Power Spectrum)의 그래프이다.18 is a graph of delay power spectrum according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 의한 무선 통신시스템의 채널은 다중경로 레일레이 분포 채널(Multi-path Rayleigh distributed channel)일 수 있다. 다중경로 채널의 특성은 제곱 평균 제곱근 지연 확산(RMS Delay Spread)에 의해서 정해진다. 다중경로 채널의 특성은 지수 감쇠(Exponential decaying)를 가정한다.The channel of the wireless communication system according to the present invention may be a multi-path Rayleigh distributed channel. The characteristics of multipath channels are determined by the root mean square delay spread (RMS Delay Spread). The characteristics of multipath channels assume exponential decaying.

수학식 16은 지연 전력 스펙트럼을 표현하기 위한 수식이다.Equation 16 is an expression for expressing the delay power spectrum.

Figure 112008057946845-PAT00030
Figure 112008057946845-PAT00030

수학식 16에서

Figure 112008057946845-PAT00031
은 경로에 따른 평균 전력을 나타낸다.
Figure 112008057946845-PAT00032
는 지수 감쇠의 상수값으로 제곱 평균 제곱근 지연 확산과 샘플링 주파수에 의한 함수로 나타낼 수 있다.
Figure 112008057946845-PAT00033
은 정규화(normalization)를 위한 상수 값이다.
Figure 112008057946845-PAT00034
은 경로의 개수로서, 코히런스 대역폭(Coherence Band Width)를 제곱 평균 제곱근 지연 확산의 5배에 대한 역수로 정의하여 표현한 것이다. 도 18은 50ns의 제곱 평균 제곱근 지연 확산에 샘플링 주파수가 40MHz, 경로가 11개 일 때의 지연 전력 스펙트럼을 도시한 것이다. In equation (16)
Figure 112008057946845-PAT00031
Represents the average power along the path.
Figure 112008057946845-PAT00032
Is a constant value of exponential decay and can be expressed as a function of the root mean square delay spread and the sampling frequency.
Figure 112008057946845-PAT00033
Is a constant value for normalization.
Figure 112008057946845-PAT00034
Is the number of paths, which is defined as the coherence bandwidth (Coherence Band Width) is defined as the inverse of 5 times the root mean square delay spread. FIG. 18 shows a delay power spectrum when a 50 nm square root mean square delay spread has a sampling frequency of 40 MHz and 11 paths.

도 19 내지 도 21은 본 발명의 일 실시예에 의한 채널 추정 성능을 측정한 그래프로서, 도 19는 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio: SNR)에 대한 비트 오류율을 측정한 그래프이고, 도 20은 신호 대 잡음비에 대한 블록 오류율을 측정한 그래프이며, 도 21은 신호 대 잡음비에 대한 패킷 오류율(Packet Error Rate: PER)을 측정한 그래프이다.19 to 21 are graphs for measuring channel estimation performance according to an embodiment of the present invention, and FIG. 19 is a graph measuring bit error rates with respect to signal to noise ratio (SNR), and FIG. FIG. 21 is a graph measuring a block error rate with respect to a signal-to-noise ratio. FIG. 21 is a graph measuring a packet error rate (PER) with respect to a signal-to-noise ratio.

본 시뮬레이션에서 사용한 채널 추정 방법은 Modular-8이다. 스크램블러(Scrambler)는 송신단에서 보안을 위해 발생기 함수(Generator Function)

Figure 112008057946845-PAT00035
에 의해 원래의 데이터를 변조한다. The channel estimation method used in this simulation is Modular-8. Scrambler is a generator function for security at the transmitting end.
Figure 112008057946845-PAT00035
Modulate the original data.

Figure 112008057946845-PAT00036
Figure 112008057946845-PAT00036

수학식 17과 같은 스크램블러가 사용될 수 있고, 송신기와 수신기에 서로 같은 스크램블러가 사용될 수 있다. 스크램블러의 초기화를 위해 0이 아닌(non-zero) 수도 랜덤 코드(Pseudo Random Code)가 사용되고, 초기 상태로서 1011101의 비트열이 사용될 수 있다.A scrambler such as Equation 17 may be used, and the same scrambler may be used for the transmitter and the receiver. A non-zero pseudo random code may be used for the initialization of the scrambler, and a bit string of 1011101 may be used as an initial state.

Figure 112008057946845-PAT00037
Figure 112008057946845-PAT00037

Figure 112008057946845-PAT00038
Figure 112008057946845-PAT00038

표 1 및 수학식 18과 같은 조건에서 송신 안테나 4개 또는 8개와 수신 안테나 8개를 사용하는 다중 안테나 무선 통신시스템을 구현하여 시뮬레이션한다. 시뮬레이션한 결과, 도 19 내지 도 21에 도시된 바와 같이 30ppm의 샘플링 주파수 오프셋이 있는 경우에도 샘플링 주파수 오프셋이 없는 경우에 비해 0.3dB 이내의 차이를 보여 현저한 성능 향상이 있다. The simulation is implemented by implementing a multi-antenna wireless communication system using four or eight transmit antennas and eight receive antennas under the conditions shown in Table 1 and Equation 18. As a result of the simulation, even when there is a sampling frequency offset of 30 ppm, as shown in FIGS. 19 to 21, the difference is less than 0.3 dB compared to the case where there is no sampling frequency offset, resulting in a remarkable performance improvement.

전술한 장치 및 시스템은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어서, 채널 추정을 위하여 사용된 모듈은 하나 이상의 주문형 집적회로(ASIC), 디지털 신호 프로세서(DSP), 디지털 신호 처리 장 치(DSPD), 프로그램 가능 논리 장치(PLD), 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA), 프로세서, 제어기, 마이크로-제어기, 마이크로프로세서, 여기에 기술한 기능들을 수행하도록 설계된 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 여기에 기술된 기능들을 수행하는 모듈을 통해 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛들에 저장되고 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 메모리 유닛은 프로세서 내부 또는 외부에서 구현될 수 있으며, 이 경우에 메모리는 공지된 다양한 수단을 통해 프로세서와 연결될 수 있다.The apparatus and system described above may be implemented in hardware, software, or a combination thereof. In a hardware implementation, the modules used for channel estimation include one or more application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors (DSPs), digital signal processing units (DSPDs), programmable logic devices (PLDs), field programmable gates. Array (FPGA), processor, controller, micro-controller, microprocessor, other electronic unit designed to perform the functions described herein, or a combination thereof. The software may be implemented through a module that performs the functions described herein. Software code may be stored in memory units and executed by a processor. The memory unit may be implemented inside or outside the processor, in which case the memory may be coupled to the processor via various known means.

한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체(CD, DVD와 같은 유형적 매체뿐만 아니라 반송파와 같은 무형적 매체)를 포함한다.On the other hand, the method of the present invention as described above can be written in a computer program. And the code and code segments constituting the program can be easily inferred by a computer programmer in the art. In addition, the written program is stored in a computer-readable recording medium (information storage medium), and read and executed by a computer to implement the method of the present invention. The recording medium includes all types of computer-readable recording media (tangible media such as CD and DVD as well as intangible media such as carrier waves).

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It is not limited by the drawings.

도 1은 본 발명에 의한 다중 안테나 무선 통신시스템에 사용되는 송신기의 블록도이다.1 is a block diagram of a transmitter used in a multi-antenna wireless communication system according to the present invention.

도 2는 본 발명에 의한 다중 안테나 무선 통신시스템에 사용되는 수신기의 블록도이다.2 is a block diagram of a receiver used in a multi-antenna wireless communication system according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따라 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 송신기에 적용되는 통신 방법의 흐름도이다.3 is a flowchart of a communication method applied to a transmitter for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따라 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 수신기에 적용되는 통신 방법의 흐름도이다.4 is a flowchart of a communication method applied to a receiver for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system according to the present invention.

도 5는 본 발명에 의한 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위한 패킷의 구조도이다.5 is a structural diagram of a packet for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system according to the present invention.

도 6은 도 5에 도시된 짧은 훈련 신호열의 세부 구조도이다.FIG. 6 is a detailed structural diagram of the short training signal sequence shown in FIG. 5.

도 7은 도 5에 도시된 짧은 훈련 신호열이 포함할 수 있는 보호구간의 세부 구조도이다.FIG. 7 is a detailed structural diagram of a protection section that may be included in the short training signal sequence shown in FIG. 5.

도 8은 본 발명에 의한 짧은 훈련 신호열의 시간 응답에 대한 파형도이다.8 is a waveform diagram of a time response of a short training signal sequence according to the present invention.

도 9는 도 5에 도시된 프리앰블 구간의 세부 구조도이다.9 is a detailed structural diagram of a preamble section shown in FIG. 5.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 다중 안테나 무선 통신시스템에서 8개의 송신 안테나와 시간에 따른 긴 훈련 신호열의 배치도이다.10 is a layout view of eight transmit antennas and a long training signal sequence over time in a multi-antenna wireless communication system according to an embodiment of the present invention.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 다중 안테나 무선 통신시스템에서 4개의 송신 안테나와 시간에 따른 긴 훈련 신호열의 배치도이다.11 is a layout view of four transmission antennas and a long training signal sequence over time in a multi-antenna wireless communication system according to an embodiment of the present invention.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 다중 안테나 무선 통신시스템에서의 채널 추정에 대한 설명도이다.12 is an explanatory diagram for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system according to an embodiment of the present invention.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 샘플링 주파수 오프셋에 대한 설명도이다.13 is an explanatory diagram of a sampling frequency offset according to an embodiment of the present invention.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 샘플링 주파수 오프셋에 대한 설명도이다.14 is an explanatory diagram of a sampling frequency offset according to an embodiment of the present invention.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 샘플링 주파수 오프셋에 의한 위상 오류의 성상도이다.15 is a constellation diagram of a phase error caused by a sampling frequency offset according to an embodiment of the present invention.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 파일롯을 사용한 위상 오류 계산에 대한 설명도이다.16 is an explanatory diagram for phase error calculation using a pilot according to an embodiment of the present invention.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 의한 루프 필터의 블록도이다.17 is a block diagram of a loop filter according to an embodiment of the present invention.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 의한 지연 전력 스펙트럼(Delay Power Spectrum)의 그래프이다.18 is a graph of delay power spectrum according to an embodiment of the present invention.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 의한 채널 추정 성능을 측정한 그래프이다.19 is a graph measuring channel estimation performance according to an embodiment of the present invention.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 의한 채널 추정 성능을 측정한 그래프이다.20 is a graph measuring channel estimation performance according to an embodiment of the present invention.

도 21은 본 발명의 일 실시예에 의한 채널 추정 성능을 측정한 그래프이다.21 is a graph measuring channel estimation performance according to an embodiment of the present invention.

Claims (12)

N개의 수신 안테나를 구비한 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 송신기에 적용되는 통신 방법에 있어서,A communication method applied to a transmitter for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system having N receive antennas, 소정의 패턴이 시간 축에서 N번 반복 배치되어 구성되며 반송파 주파수 오프셋(Carrier Frequency Offset)을 보상하기 위해 사용되는 짧은 훈련 신호열(Short Training Field)을 포함하는 프리앰블 구간을 생성하는 단계와,Generating a preamble section including a short training field configured by repeating a predetermined pattern N times on a time axis and used to compensate for a carrier frequency offset; 상기 프리앰블 구간을 갖는 패킷을 송신하는 단계를 Transmitting a packet having the preamble interval 포함하는 것을 특징으로 하는 송신기의 통신 방법.Communication method of the transmitter comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 짧은 훈련 신호열은 그 앞 또는 뒤에 보호구간(Guard Interval)을 구비하고,The short training signal sequence has a guard interval before or after it, 상기 소정의 패턴이 상기 보호구간에서 한 번 이상 추가로 반복되는 것을 특징으로 하는 송신기의 통신 방법.And the predetermined pattern is further repeated one or more times in the guard period. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 소정의 패턴은 시간 축으로 배치된 비트열로 이루어지고,The predetermined pattern is composed of a bit string arranged on the time axis, 상기 짧은 훈련 신호열과 상기 보호구간의 패턴 중 마지막 패턴은 상기 소정의 패턴의 역순(reverse)으로 배치된 것을 특징으로 하는 송신기의 통신 방법.The last pattern of the pattern of the short training signal sequence and the guard interval is arranged in the reverse order of the predetermined pattern (reverse). 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 프리앰블 구간은 시간 축에서 연속되는 2개 이상의 동일한(identical) 긴 훈련 신호열(Long Training Field)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 송신기의 통신 방법.And the preamble section further comprises at least two identical Long Training Fields continuous in the time axis. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,The method according to claim 1 or 4, 상기 패킷 송신 단계는 The packet transmission step 상기 프리앰블 구간을 갖는 패킷을 다수의 직교하는 부반송파에 실어서 송신하고, A packet having the preamble section is transmitted on a plurality of orthogonal subcarriers, 상기 다수의 부반송파 중 1/M 이상의 부반송파에 해당하는 상기 긴 훈련 신호열에는 채널 추정을 위한 파일롯이 할당되는 것을 특징으로 하는 송신기의 통신 방법.And a pilot for channel estimation is allocated to the long training signal sequence corresponding to 1 / M or more of the plurality of subcarriers. 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 송신기에 적용되는 통신 방법에 있어서,A communication method applied to a transmitter for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system, 샘플링 주파수 오프셋(Sampling Frequency Offset)에 의한 위상 오류를 보상하기 위한 프리앰블 구간을 생성하는 단계와,Generating a preamble section for compensating for a phase error due to a sampling frequency offset; 상기 프리앰블 구간 및 데이터 구간을 갖는 패킷을 송신하는 단계를 Transmitting a packet having the preamble section and a data section 포함하는 것을 특징으로 하는 송신기의 통신 방법.Communication method of the transmitter comprising a. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 프리앰블 구간은 샘플링 주파수 오프셋에 의한 위상 오류를 보상하기 위한 제 1 긴 훈련 신호열과 반송파 주파수 오프셋을 보상하기 위한 제 2 긴 훈련 신호열을 포함하고,The preamble section includes a first long training signal sequence for compensating for a phase error due to a sampling frequency offset and a second long training signal sequence for compensating a carrier frequency offset, 상기 제 1 및 제 2 긴 훈련 신호열은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 송신기의 통신 방법.And the first and second long training signal sequences are identical to each other. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 프리앰블 구간은 긴 훈련 신호열을 포함하고,The preamble section includes a long training signal sequence, 상기 송신 단계는 상기 패킷을 다수의 직교하는 부반송파에 실어서 송신하며, The transmitting step is carried by transmitting the packet on a plurality of orthogonal subcarriers, 상기 다수의 부반송파 중 1/M 이상의 부반송파에 해당하는 상기 긴 훈련 신 호열에는 채널 추정을 위한 파일롯이 할당되고,A pilot for channel estimation is allocated to the long training signal sequence corresponding to 1 / M or more of the plurality of subcarriers. 나머지 부반송파에 해당하는 상기 긴 훈련 신호열에는 샘플링 주파수 오프셋에 의한 위상 오류를 보상하기 위한 파일롯이 할당되는 것을 특징으로 하는 송신기의 통신 방법.And a pilot for compensating for a phase error due to a sampling frequency offset is allocated to the long training signal sequence corresponding to the remaining subcarriers. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 프리앰블 구간은 샘플링 주파수 오프셋에 의한 위상 오류를 보상하기 위한 제 1 파일롯을 포함하고,The preamble section includes a first pilot for compensating for a phase error due to a sampling frequency offset, 상기 데이터 구간은 채널 추정을 위한 제 2 파일롯을 포함하며,The data interval includes a second pilot for channel estimation, 상기 제 1 파일롯은 상기 제 2 파일롯과 동일한 위치에 할당되는 것을 특징으로 하는 송신기의 통신 방법.And the first pilot is assigned to the same location as the second pilot. 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 송신기에 적용되는 통신 방법에 있어서,A communication method applied to a transmitter for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system, 반송파 주파수 오프셋을 보상하기 위한, 시간 축에서 연속되는 2개 이상의 동일한 긴 훈련 신호열을 포함하는 프리앰블 구간을 생성하는 단계와,Generating a preamble interval comprising two or more identical long training signal sequences contiguous on the time axis for compensating the carrier frequency offset; 상기 프리앰블 구간을 갖는 패킷을 송신하는 단계를 Transmitting a packet having the preamble interval 포함하는 것을 특징으로 하는 송신기의 통신 방법.Communication method of the transmitter comprising a. M개의 송신 안테나를 구비한 다중안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 송신기에 적용되는 통신 방법에 있어서,A communication method applied to a transmitter for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system having M transmit antennas, 긴 훈련 신호열을 포함하는 프리앰블 구간을 생성하는 단계와,Generating a preamble section including a long training signal sequence; 상기 프리앰블 구간을 갖는 패킷을 다수의 직교하는 부반송파에 실어서 송신하는 단계를 포함하고,And transmitting the packet having the preamble section on a plurality of orthogonal subcarriers, 상기 다수의 부반송파 중 1/M 이상의 부반송파에 해당하는 상기 긴 훈련 신호열에는 채널 추정을 위한 파일롯이 할당되는 것을 특징으로 하는 송신기의 통신 방법.And a pilot for channel estimation is allocated to the long training signal sequence corresponding to 1 / M or more of the plurality of subcarriers. N개의 수신 안테나를 구비한 다중 안테나 무선 통신시스템에서 채널 추정을 위해 수신기에 적용되는 통신 방법에 있어서,A communication method applied to a receiver for channel estimation in a multi-antenna wireless communication system having N reception antennas, 소정의 패턴이 시간 축에서 N번 반복 배치된 짧은 훈련 신호열을 포함하는 프리앰블 구간을 갖는 패킷을 수신하는 단계와,Receiving a packet having a preamble section including a short training signal sequence in which a predetermined pattern is repeatedly arranged N times on a time axis; 상기 소정의 패턴 중 2개 이상을 이용하여 반송파 주파수 오프셋을 보상하는 단계를Compensating a carrier frequency offset using at least two of the predetermined patterns; 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기의 통신 방법.Communication method of a receiver comprising a.
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