KR20090077136A - 무선통신 시스템에서 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법 및장치 - Google Patents

무선통신 시스템에서 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법 및장치 Download PDF

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Abstract

심볼 타이밍 옵셋이 존재하는 경우에도 성능 열화 없이 효율적인 채널 추정이 가능한 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법 및 장치를 개시한다.
본 발명의 실시예는 실시예는 파일럿 신호가 위치하는 제1 부반송파 및 제2 부반송파에 대한 채널을 추정하는 단계와, 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파의 채널 추정 값의 크기 및 위상 성분을 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 사이에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기 또는 위상성분을 구하는 단계 및 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파의 채널 추정 값의 크기 및 위상 성분을 이용한 외삽에 의하여 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 외부에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기 또는 위상성분을 구하는 단계를 포함하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법을 제공한다.
파일럿 톤, 보간, 내삽, 외삽

Description

무선통신 시스템에서 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법 및 장치{Method and Apparatus for estimating channel based on pilot tones in wireless communication system}
본 발명은 무선통신 시스템에서 채널 추정에 관한 것으로서, 특히 심볼 타이밍 옵셋이 존재하는 경우에도 성능 열화 없이 효율적인 채널 추정이 가능한 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-001-02, 과제명: 4세대 이동통신용 적응 무선접속 및 전송 기술개발].
무선통신 시스템의 전송기술, 예를 들어 OFDM 전송 기술은 다중 경로 페이딩에 강한 특성을 갖기 때문에, 고속 전송 속도를 요구하는 무선통신 시스템에 주로 사용되고 있다.
OFMD 시스템에서 채널 추정은 수신 신호에 포함된 프리엠블 또는 보호구간 을 이용하여 채널 추정 전에 시간 동기화를 수행하게 된다.
채널 추정 방법은 파일럿 심볼(pilot symbol) 기반의 채널 추정 방법과 일정한 간격의 주파수와 심볼의 주기로 삽입된 파일럿 톤(pilot tone)을 이용하는 방법으로 나눌 수 있다.
파일럿 심볼 기반의 채널 추정 방법은 반복되는 파일럿 심볼 사이에서 채널의 변화가 없는 slow fading을 가정한다.
이러한 파일럿 심볼 기반의 채널 추정 방법은 최소자승(Least Square; 이하 LS 라고 함) 방법과 최소평균자승오차(Minimum Mean Square Error; 이하 MMSE 라고 함) 방법이 있으며, MMSE 채널 추정 방법은 LS 채널 추정 방법보다 우수한 성능을 보이나 계산량이 많은 단점이 있다.
파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법은 파일럿 심볼 사이에서 채널 변화가 발생할 수 있는 fast fading에 강건하지만, 파일럿 톤이 위치한 부반송파에 대한 채널 추정과 인접 데이터 부반송파 구간에 대한 보간 과정을 필요로 한다.
파일럿 톤에서 추정된 채널 값을 이용하여 인접 데이터 부반송파 구간에서의 채널 추정을 위해 보간하는 방법에는 선형 보간법, 2차 보간법, low-pass filter 보간법, spline cubic 보간법 등이 있다. 2차 보간법은 선형 보간법 보다 우수한 채널 추정 성능을 보이고, low-pass filter를 사용한 시간영역 보간법은 선형 보간법보다 일반적으로 우수한 비트에러율(Bit Error Rate; 이하 BER 이라고 함) 성능을 보인다.
파일럿 톤 기반의 채널 추정기법은 인접 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference; 이하 ISI 라고 함)과 인접 주파수간 간섭(Inter-Carrier Interference; 이하 ICI 라고 함)을 제거하기 위하여 삽입된 보호구간이 잘 제거되었다는 가정 하에 FFT 출력 신호를 사용하여 채널을 추정한다. 이때 불완전한 시간 동기로 인하여 보호구간 내에 FFT 시작점이 존재하는 경우 주파수영역에서 위상회전이 발생한다. 이러한 주파수영역에서의 위상회전은 파일럿 톤 위치에서 추정된 채널 값에 위상회전을 발생시키고, 파일럿 톤 위치에서 추정된 채널 값을 사용하여 인접 데이터 부반송파 구간에서 채널 보간을 할 경우 위상과 크기 왜곡이 발생한다. 일반적으로 작은 크기의 심볼 타이밍 옵셋이 보호구간 내에서 발생한 경우 종래의 파일롯 톤을 사용한 채널 추정 기법과 데이터 부반송파 구간 내에서의 보간법을 사용하여 보상이 가능하나, 심볼 타이밍 옵셋이 증가함에 따라 채널 추정 성능 열화가 크게 증가하게 된다.
따라서, 본 발명은 심볼 타이밍 옵셋에 관계없이 데이터 부반송파 구간의 채널을 왜곡 없이 추정할 수 있는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 파일럿 신호가 전송된 부반송파의 채널 추정 값을 이용하여 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기 및 위상을 추정함으로써, 위상 회전을 추정하기 위한 과정과 추정된 위상 회전을 보상하기 위한 과정을 제거 할 수 있는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 파일럿 신호가 전송된 부반송파의 채널 추정 값을 이용하여 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기 및 위상을 추정함에 있어서, 채널 추정의 계산량을 줄일 수 있는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예는 파일럿 신호가 위치하는 제1 부반송파 및 제2 부반송파에 대한 채널을 추정하는 단계와, 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파의 채널 추정 값의 크기 및 위상 성분을 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 사이에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기 또는 위상성분을 구하는 단계 및 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송 파의 채널 추정 값의 크기 및 위상 성분을 이용한 외삽에 의하여 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 외부에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기 또는 위상성분을 구하는 단계를 포함하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 수신신호에서 파일럿 신호가 위치하는 제1 부반송파 및 제2 부반송파에 대한 채널을 추정하는 파일럿 톤 채널 추정기와, 상기 파일럿 톤 채널 추정기에 의하여 추정된 제1 부반송파의 위상 성분 및 제2 부반송파의 위상 성분에 의하여 데이터 부반송파의 위상 성분을 추정하는 추정기 및 상기 파일럿 톤 채널 추정기에 의하여 추정된 제1 부반송파의 채널 추정 값의 크기 및 제2 부반송파의 채널 추정 값의 크기에 의하여 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기를 추정하는 크기 추정기를 포함하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 데이터 부반송파의 위상 추정은 상기 제1 부반송파 채널 추정 값의 위상 성분 및 상기 제2 부반송파 채널 추정 값의 위상 성분을 이용하여 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파의 중심에 위치하는 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 구하고, 상기 제1 부반송파의 위상 성분 및 상기 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 이용하여 상기 제1 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제2 데이터 부반송파의 위상 성분을 추정하고, 상기 제2 부반송파의 위상 성분 및 상기 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 이용하여 상기 제2 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제3 데이터 부반송파 의 위상 성분을 추정하는 것을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 데이터 부반송파에 대한 채널 추정값의 크기 추정은 상기 제1 부반송파의 채널 추정값의 크기 및 상기 제2 부반송파의 채널 추정값의 크기를 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파의 중심에 위치하는 제1 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 추정하고, 상기 제1 부반송파의 채널 추정값의 크기 및 상기 제1 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제2 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 추정하고, 상기 제2 부반송파의 채널 추정값의 크기 및 상기 제1 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 이용한 내삽에 의하여 상기 제2 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제3 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 추정하는 것을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 심볼 타이밍 옵셋에 관계없이 데이터 부반송파 구간의 채널을 왜곡 없이 추정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 파일럿 신호가 전송된 부반송파의 채널 추정 값을 이용하여 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기 및 위상을 추정함으로써, 위상 회전을 추정하기 위한 과정과 추정된 위상 회전을 보상하기 위한 과정을 제거 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 채널 추정에 필요한 계산량을 감소시킴 으로써, 하드웨어의 성능 열화 없이 데이터 부반송파에 대한 채널 추정이 가능하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
하기의 설명에 있어서, 용어의 정의 및 개념은 다음과 같다.
파일럿 부반송파: OFDM 심볼에서 파일럿 신호가 전송된 부반송파
(이하, OFDM 심볼에 포함된 파일럿 부반송파 중 임의의 두 개의 파일럿 부반송파는 제1 부반송파 및 제2 부반송파라 칭하기로 한다.)
데이터 부반송파: OFDM 심볼에서 데이터 신호가 전송된 부반송파
파일럿 부반송파의 채널 추정값: 파일럿 톤 위치에서 추정된 채널 값
데이터 부반송파의 채널 추정값: 데이터 부반송파 위치에서 추정된 채널 값
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 시스템의 수신단 구조를 나타내는 블 록도이다.
도 1을 참조하면, OFDM 시스템의 수신단은 수신신호를 병렬신호로 변환하는 직/병렬 변환기(121), 상기 병렬화된 신호의 보호구간을 제거하는 보호구간 제거기(222)와, 상기 보호구간이 제거된 신호를 고속 푸리에 변환하는 고속 푸리에 변환기(223)와, 상기 푸리에 변환된 신호의 채널을 추정하고 보상하는 채널 추정기(224)와, 상기 보상된 신호를 직렬화하는 병/직렬 변환기(225), 및 상기 직렬화된 신호에서 이진신호를 검출하는 신호 검출기(226)를 포함하여 구성된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 톤 기반의 채널 추정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 채널 추정 장치는 수신신호에서 파일럿 신호가 위치하는 제1 부반송파 및 제2 부반송파에 대한 채널을 추정하는 파일럿 톤 채널 추정기(210)와, 상기 파일럿 톤 채널 추정기(210)에 의하여 추정된 제1 부반송파의 위상 성분 및 제2 부반송파의 위상 성분에 의하여 데이터 부반송파의 위상을 추정하는 추정기(221,231) 및 상기 파일럿 톤 채널 추정기(210)에 의하여 추정된 제1 부반송파의 채널 추정값의 크기 및 제2 부반송파의 채널 추정값의 크기에 의하여 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 추정하는 채널 추정값의 크기 추정기(222, 232)를 포함하여 구성된다.
상기 위상 추정기(221,231)는 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파 사이에 위치하는 데이터 부반송파의 위상을 추정하는 내삽 위상 추정기(221)와, 상기 제1 부 반송파와 제2 부반송파 외부에 위치하는 데이터 부반송파의 위상을 추정하는 외삽 위상 추정기(231) 및 상기 내삽 위상 추정기 및 외삽 위상 추정기에 의하여 추정된 위상의 부호를 추정하는 부호 추정기(223)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 채널 추정 장치는 수신단에서 입력된 파일럿 톤의 채널을 추정하는 파일럿 톤 추정기(310), 상기 파일럿 톤의 채널 추정값에 따라 데이터 부반송파의 채널을 추정하는 내삽 추정기(220)와 외삽추정기(230), 및 상기 추정기들(220, 230)에서 추정된 값에 따라 채널을 보상하는 채널 보상기(240)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 내삽 추정기(220)는 내삽에 의하여 데이터 부반송파의 위상을 추정하는 내삽 위상 추정기(221)와 내삽에 의하여 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 추정하는 내삽 채널 크기 추정기(222), 및 추정된 채널의 부호를 추정하는 부호 추정기(233)로 구성될 수 있다.
한편, 상기 외삽 추정기(230)는 외삽에 의하여 데이터 부반송파의 위상을 추정하는 외삽 위상 추정기(231) 및 외삽에 의하여 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 추정하는 외삽 채널 크기 추정기(232)로 구성될 수 있다.
상기 파일럿 톤 채널 추정기(210)는 수신된 파일럿 신호를 포함하는 OFDM 심볼에서 파일럿 신호가 위치하는 두 개의 부반송파(파일럿 부반송파)에 대한 채널을 추정한다.
이때, 상기 수신된 OFDM 심볼의 시작 위치는 파일럿 심볼을 이용하여 도 3의 b 와 c 구간 사이로 프레임 동기가 수행된 것으로 가정한다. 또한, 파일럿 신호 가 위치하는 파일럿 부반송파의 채널 추정은 최소자승(Least Square: LS) 기법에 의하여 추정될 수 있다.
상기 내삽 위상 추정기(221)는 상기 제1 부반송파 채널 추정 값의 위상 성분 및 상기 제2 부반송파 채널 추정 값의 위상 성분을 이용하여 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파의 중심에 위치하는 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 구한다.
상기 내삽 위상 추정기(221)는 상기 제1 부반송파의 위상 성분 및 상기 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 이용하여 상기 제1 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제2 데이터 부반송파의 위상 성분을 추정한다.
상기 내삽 위상 추정기(221)는 상기 제2 부반송파의 위상 성분 및 상기 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 이용하여 상기 제2 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제3 데이터 부반송파의 위상 성분을 추정한다.
상기 외삽 위상 추정기(231)는 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 사이에 위치하며 상기 제1 부반송파에 인접한 제4 데이터 부반송파의 위상 및 상기 제1 부반송파의 위상에 의하여 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파의 외부에 위치하며 상기 제1 부반송파에 인접한 제5 데이터 부반송파의 위상을 추정한다.
상기 내삽 채널 크기 추정기(222)는 상기 제1 부반송파의 추정된 채널 추정값의 크기 및 상기 제2 부반송파의 추정된 채널 추정값의 크기를 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파의 중심에 위치하는 제1 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 추정한다.
상기 내삽 채널 크기 추정기(222)는 상기 제1 부반송파의 채널 추정값의 크 기 및 상기 제1 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제2 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 추정하고,
상기 내삽 채널 크기 추정기(222)는 상기 제2 부반송파의 채널 추정값의 크기 및 상기 제1 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 이용한 내삽에 의하여 상기 제2 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제3 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 추정한다.
상기 외삽 채널 크기 추정기(232)는 내삽에 의한 채널 추정값의 크기 추정과 동일한 방법으로 외삽에 의하여 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 외부에 위치하는 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 추정한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 데이터 부반송파에 대한 위상 추정 및 크기 추정 방법을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 수신된 하나의 OFDM 심볼은 N개의 부반송파로 구성되는 것으로 가정한다. 그리고, 상기 N개의 부반송파는 송신단에서 데이터와 파일럿 신호를 간격 Sf 이고 심벌 주기 St로 멀티플렉싱한 것으로 가정한다.
이때, 나이퀴스트 샘플링 이론을 만족하는 최소의 파일럿 간격은 시간 축과 주파수 축에서 채널 변화의 대역폭과 최대 전파지연 값에 의하여 결정되며, 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112008002077648-PAT00001
상기 수학식 1에서 Bd및
Figure 112008002077648-PAT00002
는 각각 주파수 축에서의 도플러 확산과 시간 축에서의 최대 지연 확산을 나타낸다.
하나의 OFDM 심볼에 Np개의 파일럿 톤
Figure 112008002077648-PAT00003
(
Figure 112008002077648-PAT00004
)이 일정한 간격으로 존재하면, 각 부반송파 채널은 Lg=N/Np개의 그룹으로 나눠지고, k번째 부반송파는 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112008002077648-PAT00005
상기 수학식 2를 참조하면, 역고속 푸리에 변환된 수신신호는 다중경로 페이딩에 의해 발생하는 ISI를 제거하고 부반송파간 직교성을 유지하기 위해 채널의 임펄스 응답 길이 L보다 큰 Ng개의 보호구간이 삽입되어 Ns = N + Ng 샘플의 OFDM 심벌이 된다.
여기서, 수신된 i번째 OFDM 심벌 시간 영역에서 n번째 샘플은 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112008002077648-PAT00006
상기 수학식 3을 참조하면,
Figure 112008002077648-PAT00007
은 각각 i 번째 OFDM 심벌의 n 번째 샘플, 채널의 임펄스 응답, 위상 잡음, 컨볼루션(convolution)을 나타낸다.
또한, zi(n)과 e(epsilon)은 각각 가산 백색 가우시안 잡음(Additive White Gaussian Noise; AWGN), 정규화된 주파수 오프셋을 나타낸다.
여기서, 심벌 타이밍 오프셋은 매 심벌 간 동일하고 송수신단의 주파수가 정확한 동기를 이루어 위상 잡음이 없다고 가정하면 수신신호의 고속 푸리에변환 출력은 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112008002077648-PAT00008
상기 수학식 4에서,
Figure 112008002077648-PAT00009
는 수신 OFDM 심벌의 심벌 타이밍 오프셋
Figure 112008002077648-PAT00010
에 의해 발생하는 ISI와 ICI를 나타낸다.
이와 같이 시간영역에서 발생한 시간 동기 오차는 FFT 이후의 주파수영역 출력 신호에 선형 위상회전과 ISI, ICI를 발생시킨다.
상기
Figure 112008002077648-PAT00011
에 대해, 다음의 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 OFDM 심볼의 시간 동기 범위를 나타내는 도면이다.
상기 도 3을 참조하면, 상기 수학식 4의 시간영역 수신신호에 대한 FFT 윈도우의 시작 위치가 정확히 c에 위치하면,
Figure 112008002077648-PAT00012
와
Figure 112008002077648-PAT00013
는 제거된다.
그러나 a와 b 구간 또는 c와 d 구간 사이에 위치하면 ISI와 ICI가 발생하여 부반송파 채널간 직교성이 파괴되고, b와 c 구간 사이에 위치하는 경우는
Figure 112008002077648-PAT00014
로 인한 주파수영역에서 선형 위상회전은 발생하지만
Figure 112008002077648-PAT00015
는 제거된다.
따라서 본 발명에서는 프레임 검출 및 대략적 심벌 타이밍 오프셋 추정이 수행되어 OFDM 심벌 시작 위치가 b와 c 구간 사이로 정해졌다고 가정할 수 있다.
부반송파간 직교성을 유지하면서 시간 동기 오차로 인한 주파수영역에서 위상회전만 고려된 OFDM 신호는 다음의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112008002077648-PAT00016
이하, 하기의 설명에 있어서, OFDM 신호는 상기 수학식 5의 신호로 가정한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 채널 추정 방법은 파일럿 신호가 위치하는 제1 부반송파 및 제2 부반송파에 대한 채널을 추정하고, 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파의 채널 추정 값(
Figure 112008002077648-PAT00017
,
Figure 112008002077648-PAT00018
)을 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송 파 및 제2 부반송파 사이에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널을 추정하는 단계(1단계~3단계) 및 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파의 채널 추정 값을 이용한 외삽에 의하여 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 외부에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널을 추정하는 단계(4단계~5단계)를 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 데이터 부반송파의 채널 추정 값을 구하는데 있어서, 위상 및 크기를 별도로 추정할 수 있다.
도 4에서, 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파의 채널 추정 값은 하기 수학식 6 및 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112008002077648-PAT00019
[수학식 7]
Figure 112008002077648-PAT00020
상기 내삽 크기 추정기(222)는 상기 제1 부반송파의 추정된 채널 추정값의 크기 및 상기 제2 부반송파의 추정된 채널 추정값의 크기를 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파의 중심에 위치하는 제1 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기(
Figure 112008002077648-PAT00021
)를 추정할 수 있다(1단계).
상기 내삽 크기 추정기(222)는 상기
Figure 112008002077648-PAT00022
,
Figure 112008002077648-PAT00023
및
Figure 112008002077648-PAT00024
을 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제2 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기(
Figure 112008002077648-PAT00025
) 및 상기 제2 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제3 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기(
Figure 112008002077648-PAT00026
)를 추정할 수 있다(2단계).
동일한 방법으로, 상기
Figure 112008002077648-PAT00027
,
Figure 112008002077648-PAT00028
및
Figure 112008002077648-PAT00029
를 이용한 내삽에 의하여
Figure 112008002077648-PAT00030
,
Figure 112008002077648-PAT00031
,
Figure 112008002077648-PAT00032
및
Figure 112008002077648-PAT00033
을 추정할 수 있다.
이때, 추정되는 채널 추정값의 크기는
Figure 112008002077648-PAT00034
= (
Figure 112008002077648-PAT00035
+
Figure 112008002077648-PAT00036
)/2와 같이 정의 할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파의 외부에 위치하는 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기(
Figure 112008002077648-PAT00037
, )는
Figure 112008002077648-PAT00038
,
Figure 112008002077648-PAT00039
,
Figure 112008002077648-PAT00040
및
Figure 112008002077648-PAT00041
을 이용한 외삽에 의하여 추할 수 있다.
여기서, 도 4는 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파 사이에 위치하는 데이터 부반송파의 수가 홀수인 경우를 가정하였다.
만일, 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파 사이에 위치하는 데이터 부반송파의 수가 짝수인 경우에는 홀수인 경우와 동일한 방법으로 채널 추정값의 크기를 추정하고, 추정된 값을 근사값으로 사용할 수 있다.
즉, 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파 사이에 위치하는 데이터 부반송파의 채널크기
Figure 112008002077648-PAT00042
,
Figure 112008002077648-PAT00043
,
Figure 112008002077648-PAT00044
,
Figure 112008002077648-PAT00045
를 추정하는 경우에,
Figure 112008002077648-PAT00046
및
Figure 112008002077648-PAT00047
는 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파의 중심에 위치하는 가상의 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기로 가정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기 추정 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 파일럿 부반송파에 대한 추정된 채널
Figure 112008002077648-PAT00048
과
Figure 112008002077648-PAT00049
는 서로 크기가 같으므로,
Figure 112008002077648-PAT00050
,
Figure 112008002077648-PAT00051
, 및
Figure 112008002077648-PAT00052
도 모두 동일한 크기로 보간할 수 있다.
즉, 위상이 다른 파일럿 부반송파의 추정된 채널의 크기를 가상으로 연결하여, 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기를 가상으로 연결한 크기까지 보상한다.
한편, 내삽 크기 추정기(222)는 추정된 파일럿 부반송파의 채널 추정값의 크기가 다를 경우 도 6에 도시한 바와 같이 부반송파 채널의 위상과 크기를 추정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기 추정 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 파일럿 부반송파의 추정된 채널 추정값의 크기
Figure 112008002077648-PAT00053
및
Figure 112008002077648-PAT00054
는 서로 크기가 다르기 때문에, 상기
Figure 112008002077648-PAT00055
및
Figure 112008002077648-PAT00056
의 크기를 연결하여 생성되는 연장선(610)을 기준으로
Figure 112008002077648-PAT00057
,
Figure 112008002077648-PAT00058
및
Figure 112008002077648-PAT00059
의 채널 추정값의 크기를 보간할 수 있다.
상기 위상 추정기(221, 231)는 상기 수학식 6 및 수학식 7을 이용하여 제1 부반송파 및 제2 부반송파 중심에 위치하는 제1 데이터 부반송파의 위상을 추정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 내삽 위상 추정기(221)는 계산량을 줄이기 위하여, 상기 제1 부반송파의 위상 성분(cosine 값 및 sin 값) 및 상기 제1 데이터 부반송파의 위상 성분으로부터 제1 데이터 부반송파의 위상성분을 추정한다.
보다 구체적으로, 먼저 제1 데이터 부반송파의 추정된 채널 값을 하기 수학식 8이라 가정한다.
[수학식 8]
Figure 112008002077648-PAT00060
상기 수학식 8을 참조하면, 제1 데이터 부반송파의 채널 추정으로 알고자 하는 것은 위상
Figure 112008002077648-PAT00061
가 아닌,
Figure 112008002077648-PAT00062
및
Figure 112008002077648-PAT00063
임을 알 수 있다.
그리고,
Figure 112008002077648-PAT00064
이기 때문에,
Figure 112008002077648-PAT00065
는 하기 표 1에 나타낸 유도식에 의하여 구할 수 있고, 유사한 방법으로
Figure 112008002077648-PAT00066
를 구할 수 있다.
[표 1]
Figure 112008002077648-PAT00067
상기한 방법에 따르면, 수학식 6으로부터
Figure 112008002077648-PAT00068
을 통하여
Figure 112008002077648-PAT00069
를 구하고, 유사한 방법으로
Figure 112008002077648-PAT00070
를 구한 후에
Figure 112008002077648-PAT00071
를 구하는 방법에 비하여 계산량을 크게 줄일 수 있다.
또한, 별도의
Figure 112008002077648-PAT00072
에 대한 룩-업 테이블에 값을 저장하여 이용하는 방법은 메모리가 많이 소모되는 단점이 있다.
유사한 방법을 사용하면, 상기 내삽 위상 추정기(221)는 상기 제1 부반송파의 위상 성분 및 상기 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 이용하여 상기 제1 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제2 데이터 부반송파의 위상 성분을 추정하고,상기 제2 부반송파의 위상 성분 및 상기 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 이용하여 상기 제2 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제3 데이터 부반송파의 위상 성분을 추정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 내삽 부호 결정 방법을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면,
Figure 112008002077648-PAT00073
과
Figure 112008002077648-PAT00074
로 정규화된 크기를 가지는 채널의 중심 값 위상은 inphase와 quadrature를 각각 선형 보간한 위상과 일치하기 때문에 용이하게
Figure 112008002077648-PAT00075
삼각함수 부호를 결정할 수 있게 되어
Figure 112008002077648-PAT00076
범위의 위상을 추정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상 추정 방법을 설명하기 위한 도 면이다.
도 8을 참조하면,
Figure 112008002077648-PAT00077
(k)는 제1 부반송파의 채널 추정값이고,
Figure 112008002077648-PAT00078
(k+Np)는 제2 부반송파의 채널 추정 값이다.
또한,
Figure 112008002077648-PAT00079
(k+Np +1)는 제1 부반송파에 가장 근접하며, 제1 부반송파 및 제2 부반송파의 외부에 존재하는 부반송파의 채널 값이며,
Figure 112008002077648-PAT00080
(k+Np -1)은 제2 부반송파에 가장 근접하며, 제1 부반송파 및 제2 부반송파의 외부에 존재하는 부반송파의 채널 값이다.
상기
Figure 112008002077648-PAT00081
(k+Np +1)의 위상은
Figure 112008002077648-PAT00082
(k+Np -1) 및
Figure 112008002077648-PAT00083
(k+Np)을 이용하여 추정할 수 있다. 즉,
Figure 112008002077648-PAT00084
(k+Np -1) 의 위상을 a,
Figure 112008002077648-PAT00085
(k+Np)의 위상을 b,
Figure 112008002077648-PAT00086
(k+Np +1)의 위상을 c라고 하면, 2b -a = c의 관계가 성립한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정 장치에 대한 성능 실험 결과에 대하여 살펴 보기로 한다.
하기 표 2는 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 톤 기반의 채널 추정 기법의 성능을 모의실험을 통하여 확인하기 위해 사용한 파라메터를 나타내고, 도 9는 모의실험에서 사용한 파일럿 부반송파의 배치 구조를 도시한다.
[표 2]
Figure 112008002077648-PAT00087
하기의 모의 실험 결과는 반송파 주파수 오프셋은 고려하지 않고 노매딕(nomadic) 환경을 가정하여 3km/h의 이동속도를 고려한 것이다.
도 10 내지 도 13은 16QAM인 경우 채널 추정 기법들의 성능을 MSE와 BER의 관점에서 도시하고 있다.
도 10 내지 도 13으로부터 심벌 타이밍 오프셋이 존재할 경우 기존의 선형 보간 채널 추정 기법에서는 error floor가 발생하지만 본 발명의 실시예에 따른 방법의 경우 이상적인 경우에 근접한 성능을 보임을 알 수 있다.
Meng-Han Hsieh's MMSE 기법의 경우도 이상적인 경우와 근접한 성능을 보이나 이 방식을 수행하기 위해서는 심벌 타이밍 오프셋 등의 사전 추정이 완벽히 이루어져야 한다.
도 14 내지 17은 파일럿 부반송파 사이의 데이터 부반송파에 대하여 추정된 채널 값을 복소평면에서 비교하여 보여준다.
도 14는 이상적인 채널(Ideal Ch), 도 15는 실제 채널(Conventional CH), 도 16은 MMSE 채널, 및 도 17은 본 발명에서 제안하는 채널(Proposed)의 실제 측정치를 보여준다.
도 15를 참조하면, 기존의 선형 보간법을 이용한 경우에 채널이 왜곡되어 추정되나, 도 17을 참조하면, 본 발명의 실시예의 경우 심벌 타이밍 오프셋을 사전에 추정하지 않고서도 이상적인 경우 또는 Meng-Han Hsieh's MMSE와 유사한 결과를 보인다.
본 발명에 따른 파일럿 톤 기반 채널 추정 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등 의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM 시스템의 수신단 구조를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 톤 기반의 채널 추정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 OFDM 심볼의 시간 동기 범위를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기 추정 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 데이터 부반송파의 채널 추정값의 크기 추정 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 내삽 부호 결정 방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 모의실험에서 사용한 파일럿 부반송파의 배치 구조를 도시한다.
도 10 내지 도 13은 16QAM인 경우 채널 추정 기법들의 성능을 MSE와 BER의 관점에서 나타내는 도면이다.
도 14 내지 17은 파일럿 부반송파 사이의 데이터 부반송파에 대하여 추정된 채널 값을 복소평면에서 비교한 도면이다.

Claims (14)

  1. 파일럿 신호가 위치하는 제1 부반송파 및 제2 부반송파에 대한 채널을 추정하는 단계;
    상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파의 채널 추정 값의 크기 및 위상 성분을 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 사이에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기 또는 위상성분을 구하는 단계; 및
    상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파의 채널 추정 값의 크기 및 위상 성분을 이용한 외삽에 의하여 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 외부에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기 또는 위상성분을 구하는 단계를 포함하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 사이에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기 또는 위상성분을 구하는 단계는,
    상기 제1 부반송파의 채널 추정 값의 크기 및 상기 제2 부반송파의 채널 추정 값의 크기를 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파의 중심에 위치하는 제1 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기를 추정하는 것을 특징으로 하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 부반송파의 채널 추정 값의 크기 및 상기 제1 데이터 부반송파의 채널 추정 값의 크기를 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제2 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기를 추정하고,
    상기 제2 부반송파의 채널 추정 값의 크기 및 상기 제1 데이터 부반송파의 채널 추정 값의 크기를 이용한 내삽에 의하여 상기 제2 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제3 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기를 추정하는 것을 더 포함하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 사이에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기 또는 위상성분을 구하는 단계는,
    상기 제1 부반송파 채널 추정 값의 위상 성분 및 상기 제2 부반송파 채널 추정 값의 위상 성분을 이용하여 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파의 중심에 위치하는 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 구하는 것을 특징으로 하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 부반송파의 위상 성분 및 상기 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 이용하여 상기 제1 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제2 데이터 부반송파의 위상 성분을 추정하고,
    상기 제2 부반송파의 위상 성분 및 상기 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 이용하여 상기 제2 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제3 데이터 부반송파의 위상 성분을 추정하는 것을 더 포함하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    각 위상 성분은 추정된 채널 값의 위상에 대한 코사인 값 또는 사인 값 중 적어도 어느 하나임을 특징으로 하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 사이에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기 또는 위상성분을 구하는 단계는,
    상기 제1 부반송파의 및 제2 부반송파의 위상에 대한 반각공식에 의하여 상기 데이터 부반송파의 위상을 추정하는 것을 특징으로 하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 외부에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기 또는 위상성분을 구하는 단계는,
    상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 사이에 위치하며 상기 제1 부반송파에 인접한 제4 데이터 부반송파의 위상 및 상기 제1 부반송파의 위상에 의하여 상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파의 외부에 위치하며 상기 제1 부반송파에 인접한 제5 데이터 부반송파의 위상을 추정하는 것을 특징으로 하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 부반송파 및 제2 부반송파 내부에 위치하는 데이터 부반송파의 수는 홀수개임을 특징으로 하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 방법.
  10. 수신신호에서 파일럿 신호가 위치하는 제1 부반송파 및 제2 부반송파에 대한 채널을 추정하는 파일럿 톤 채널 추정기;
    상기 파일럿 톤 채널 추정기에 의하여 추정된 제1 부반송파의 위상 성분 및 제2 부반송파의 위상 성분에 의하여 데이터 부반송파의 위상 성분을 추정하는 추정기; 및
    상기 파일럿 톤 채널 추정기에 의하여 추정된 제1 부반송파의 채널 추정 값의 크기 및 제2 부반송파의 채널 추정 값의 크기에 의하여 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기를 추정하는 크기 추정기를 포함하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 위상 추정기는,
    상기 제1 부반송파와 제2 부반송파 사이에 위치하는 데이터 부반송파의 위상을 추정하는 내삽 위상 추정기;
    상기 제1 부반송파와 제2 부반송파 외부에 위치하는 데이터 부반송파의 위상을 추정하는 외삽 위상 추정기; 및
    상기 내삽 위상 추정기 및 외삽 위상 추정기에 의하여 추정된 위상의 부호를 추정하는 부호 추정기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 내삽 위상 추정기는,
    상기 제1 부반송파 채널 추정 값의 위상 성분 및 상기 제2 부반송파 채널 추정 값의 위상 성분을 이용하여 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파의 중심에 위치하는 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 구하고,
    상기 제1 부반송파의 위상 성분 및 상기 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 이용하여 상기 제1 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제2 데이터 부반송파의 위상 성분을 추정하고,
    상기 제2 부반송파의 위상 성분 및 상기 제1 데이터 부반송파의 위상 성분을 이용하여 상기 제2 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제3 데이터 부반송파의 위상 성분을 추정하는 것을 특징으로 하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 장치.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 크기 추정기는,
    상기 제1 부반송파와 제2 부반송파 사이에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기를 추정하는 내삽 크기 추정기; 및
    상기 제1 부반송파와 제2 부반송파 외부에 위치하는 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기를 추정하는 외삽 크기 추정기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 내삽 크기 추정기는,
    상기 제1 부반송파의 채널 추정 값의 크기 및 상기 제2 부반송파의 채널 추정 값의 크기를 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송파와 제2 부반송파의 중심에 위치하는 제1 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기를 추정하고,
    상기 제1 부반송파의 채널 추정 값의 크기 및 상기 제1 데이터 부반송파 채널 추정 값의 크기를 이용한 내삽에 의하여 상기 제1 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제2 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기를 추정하고,
    상기 제2 부반송파의 채널 추정 값의 크기 및 상기 제1 데이터 부반송파의 채널 추정 값의 크기를 이용한 내삽에 의하여 상기 제2 부반송파와 상기 제1 데이터 부반송파의 중심에 위치하는 제3 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값의 크기를 추정하는 것을 특징으로 하는 파일럿 톤 기반의 채널 추정 장치.
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