KR20090080164A - 파일럿 에미팅 중계기 및 이를 이용한 채널 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파일럿 에미팅 중계기 및 이를 이용한 채널 추정 방법에 관한 것으로서, 단일 부반송파 시스템, OFDM 시스템, 다중 안테나 시스템 등의 다양한 시스템에 추가적인 자원의 소모 없이 적용할 수 있는 파일럿 에미팅 중계기 및 이를 이용하여 송신기 및 수신기가 중계기와의 채널을 독립적으로 추정할 수 있는 파일럿 에미팅 중계기 및 이를 이용한 채널 추정 방법을 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.

이러한 특징적인 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 해당 프레임 주파수 대역에 대한 신호를 전력을 측정하는 전력 측정부; 및 상기 기지국 및 단말기의 TTG 또는 RTG 구간을 검출하여 PET 구간을 설정하는 PET 구간 설정부; 를 포함하되, 상기 중계기는, 상기 기지국 및 단말기로 PET 구간에서 파일럿 신호를 송신하는 것을 특징으로 한다.

파일럿 신호, 중계기

Description

파일럿 에미팅 중계기 및 이를 이용한 채널 추정 방법{PILOT EMITTING RELAY AND CHANNEL ESTIMATION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 파일럿 에미팅 중계기 및 이를 이용한 채널 추정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단일 부반송파 시스템, OFDM 시스템, 다중 안테나 시스템 등의 다양한 시스템에 추가적인 자원의 소모 없이 적용할 수 있는 파일럿 에미팅 중계기 및 이를 이용하여 송신기 및 수신기가 중계기와의 채널을 독립적으로 추정할 수 있는 파일럿 에미팅 중계기 및 이를 이용한 채널 추정 방법에 관한 것이다.

최근 이동통신 시스템에서 통신거리를 늘리거나 수신 성능을 늘리기 위한 시도로 중계기를 이용하는 무선 이동통신 시스템이 널리 연구되고 있다. 이러한 중계기는 송신 및 수신 프로토콜에 따라, 송신 및 수신을 동시에 하는 전이중 통신 방식(full duplexing) 중계기와, 송신 및 수신을 구분된 시간에 따로 하는 반이중 통신 방식(half duplexing) 방식의 중계기로 나뉜다.

또한, 소스(source)로부터 수신한 신호를 그대로 증폭만 하여 재전송하는 AF(amplify-and-forward) 방식과, 소스로부터 수신한 신호를 복호하여 열잡음의 영향을 없애고 재전송하는 DF(decode-and-forward) 방식으로 대분된다.

본 발명에서는 파일럿을 송신하는 중계기를 제안한다. 중계기에서 송신된 파일럿 신호는 여러 가지 목적을 위해서 사용될 수 있다. TDD(time division duplex) 시스템의 경우, 기지국이 채널 상호성(channel reciprocity)을 이용하여 채널을 추정을 하는데 이용할 수 있으며, 단말기가 중계기와 단말기 채널을 독립적으로 추정하는데 사용할 수도 있다. 이런 기지국 및 단말기에서 이루어지는 독립적인 채널 추정은 중계기를 이용하는 기지국과 단말기간 통신 시스템의 성능을 높일 수 있다.

전이중 통신 방식으로 동작하는 중계기의 경우, 중계기의 출력단에서 송신한 신호가 중계기의 입력단으로 다시 들어오기 때문에 이를 상쇄 시켜주는 반향 신호 제거(echo cancellation) 방법 및 장치가 필요하다. 이를 위해서는 중계기의 출력단과 입력단 사이의 반향 신호 채널 추정이 필요한데, 중계기에서 송신하는 파일럿 신호는 이를 추정하기 위한 목적으로 사용될 수 있다.

이때, 중계기에서 파일럿 신호의 송신은 PET(Pilot Emitting Time) 구간에 이루어진다. PET 구간은 프레임 내에 따로 할당될 수 있지만, 이는 추가 자원할당으로 인한 용량 감소를 야기하고 기존 시스템의 프레임 구조를 변경해야하는 단점을 갖는다.

한편, Motorola 사에서 공개한 특허 "Method and apparatus for closed loop transmission" 에서 기지국이 채널을 알게 하기 위한 방법으로 단말기가 채널 사운딩 신호를 전송하는 방법을 제안하였다. 이 특허에서 단말기를 중계기라고 가정하면, 이 특허를 종래 기술과 유사하게 생각할 수 있다. 채널 사운딩 방법은 기지국이 채널 정보를 얻기 위해서 중계기가 적절한 주파수-시간 영역에 채널 사운딩 신 호를 송신하도록 제어 신호를 중계기로 송신한다. 기지국은 중계기로부터 수신한 채널 사운딩 신호를 이용해서, 신호에 해당하는 주파수 대역의 기지국과 중계기 사이의 채널을 추정할 수 있다. 이 기법은 중계기에서 송신하는 채널 사운딩 신호를 위해 특정 주파수-시간 자원을 할당한다. 즉, Motorola 사의 선행기술은 채널 사운딩을 위한 추가적인 자원이 필요함을 의미한다.

위에서 언급한 선행기술에서 채널 사운딩 신호를 위한 주파수-시간 자원 할당을 위해, 기지국이 중계기로 제어 신호를 송신한다. 중계기는 기지국이 송신한 주파수-시간 자원 할당 정보를 얻기 위해서, 기지국과 중계기 사이의 채널 추정 및 수신 신호 복호 과정을 거쳐야 한다. 따라서 중계기에 채널 추정기 및 복호기가 필요해지므로 중계기의 구현이 복잡해지고 가격이 비싸져서, 비용측면에서 중계기를 사용해야 하는 이득이 줄어든다. 또한, 일반적으로 채널 추정 및 수신 신호 복호에는 많은 처리 시간을 필요로 하므로, 음성통화와 같이 시간 지연에 민감한 QoS(quality of service)를 요구하는 무선 통신 시스템에서 복호 과정까지 수행하는 것은 적합하지 않을 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 단일 부반송파 시스템, OFDM 시스템, 다중 안테나 시스템 등의 다양한 시스템에 추가적인 자원의 소모 없이 적용할 수 있는 파일럿 에미팅 중계기 및 이를 이용하여 송신기 및 수신기가 중계기와의 채널을 독립적으로 추정할 수 있는 파일럿 에미팅 중계기 및 이를 이용한 채널 추정 방법을 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.

본 발명은 파일럿 에미팅 중계기에 관한 것으로서, 해당 프레임 주파수 대역에 대한 신호를 전력을 측정하는 전력 측정부; 및 상기 기지국 및 단말기의 TTG 또는 RTG 구간을 검출하여 PET 구간을 설정하는 PET 구간 설정부; 를 포함하되, 상기 중계기는, 상기 기지국 및 단말기로 PET 구간에서 파일럿 신호를 송신하는 것을 특징으로 한다.

한편, 주파수 영역 채널 추정 방법에 관한 것으로서, (a) 채널 탭 수보다 많게 주파수 영역에서 동일 간격으로 파일럿을 할당하는 단계; (b) IFFT 처리 후 반복되는 최소 단위의 샘플을 수신단으로 전송하는 단계; (c) 상기 수신단에서 PET 구간에서 받은 샘플을 반복하여 FFT 처리기를 수행하는 단계; 및 (d) 보간법(interpolation)을 취하여 주파수 영역 채널 추정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 단일 부반송파 시스템, OFDM 시스템, 다중 안테나 시스템 등의 다양한 시스템에 추가적인 자원의 소모 없이 적용할 수 있는 효과가 있다.

그리고 본 발명에 따르면, 프레임 휴지기간인 PET 구간에 중계기가 파일럿 신호를 송신함으로써, 기존 시스템에서 송신기 및 수신기가 전체 채널과는 별개로 중계기와의 채널을 독립적으로 추정 가능함으로써, 송신기와 중계기간의 통신 성능을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 파일럿 에미팅 중계기 및 이를 이용한 채널 추정 방법에 관하여 도 1 내지 도 9 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 중계기가 파일럿 신호를 송신하는 것을 보여주는 일예시도로서, 중계기에서 파일럿 신호 송신은 PET 구간에서 수행된다. 이러한 파일럿 신호는 다음과 같은 여러 가지 목적을 위해서 사용될 수 있다.

1. 중계기에서 송신한 파일럿 신호를 통해서 도 2 에 도시된 바와 같이, 기 지국과 단말기가 부가적인 채널 정보를 얻을 수 있다. 중계기가 송신하는 파일럿 신호는 중계기를 이용하는 통신 시스템의 기지국과 단말기가 각각 수신할 수 있다. 기지국은 이를 이용해서 중계기와 기지국간 채널을 추정할 수 있다. TDD 시스템인 경우, 채널 상호성을 이용해서 기지국과 중계기간 추정된 채널 정보를 활용할 수 있다. 단말기는 역시 중계기와 단말기 채널을 독립적으로 추정할 수 있다. 중계기에서 송신한 파일럿 신호를 통해서 기지국과 단말기가 각각 기지국과 중계기, 중계기와 단말기 사이의 채널 정보를 얻음으로써, 기지국과 단말기간의 송신 및 수신 성능을 향상시킬 수 있다.

2. 중계기에서 송신한 파일럿 신호를 통해서, 도 3 에 도시된 바와 같이 반향신호 제거기술을 위한 반향 신호의 채널 추정을 할 수 있다. 전이중 통신 방식으로 동작하는 중계기의 경우, 중계기의 출력단에서 송신된 신호가 다시 중계기의 입력단으로 들어오기 때문에 이를 상쇄시키는 반향신호 제거 방법 및 장치가 필요하다. 이를 위해서 중계기는 출력단과 입력단 사이의 반향신호 채널 추정이 필요한데, 중계기에서 송신하는 파일럿 신호는 이를 추정하기 위한 목적으로 사용될 수 있다. 반향신호 채널 추정은 도 4 에 도시된 바와 같이, 중계기가 다중 안테나를 가진 경우 및 다중 및 단일 송/수신 안테나의 조합인 경우에도 가능하다.

중계기에서 파일럿 신호의 송신은 PET 구간에 이루어진다. 여기서, PET 구간은 TTG 구간, RTG 구간 또는 그 일부분이 될 수 있다. 예를 들면, 도 5 에 도시된 바와 같이, IEEE 802.16 Mobile WiMax 시스템에서 중계기의 파일럿 송신 시간은 상향 부프레임 및 하향 부프레임 사이 시간인 TTG 및 RTG 구간의 일부분이 될 수 있 다.

일반적으로 단일 부반송파를 이용하는 통신 시스템의 한 심볼 길이가 TTG 및 RTG 구간 길이보다 짧기 때문에, 단일 부반송파를 이용하는 통신 시스템에서는 TTG 및 RTG 구간을 PET 구간으로 이용하는 방법이 바로 적용 가능하다.

OFDM을 사용하는 시스템은 FFT(fast Frourier transform) 크기만큼 송신 신호를 입력 받고, 이를 S/P(serial-to-parallel) 처리 후, IFFT(inverse FFT)하고 이에 CP(cyclic prefix)를 추가하여, 한 OFDM 심볼을 만든다. 이러한 OFDM 방식의 통신시스템은 FFT 크기의 OFDM 심볼 단위로 전송이 이루어지기 때문에, 하나의 OFDM 심볼 구간 길이가 상대적으로 단일 부반송파에 비해 길다. 따라서 한 OFDM 심볼 구간이 TTG 및 RTG 구간 길이보다 클 가능성이 높다.

따라서, OFDM 시스템에서 PET 구간으로 TTG 및 RTG를 직접 활용하는 것은 문제가 될 수 있다. 하지만 아래에서 언급하고 있는 방식으로 송수신 처리하면, OFDM에서도 적용이 가능하게 된다.

본 발명에서는 TTG 및 RTG 구간을 PET 구간으로 사용하는 하나의 응용 기술을 보이도록 한다. OFDM을 사용하는 IEEE 802.16 표준안 Mobile WiMax 시스템에서, 사용하는 하나의 OFDM 심볼 시간은 115.2us이며, TTG 구간 길이는 87.2us 이고, RTG 구간 길이는 74.4us 이다. 한 프레임은 42개 OFDM 심볼로 구성되어 있으므로, 한 프레임 길이는 5ms가 된다.

TTG 및 RTG를 PET 구간으로 쓰기 위해서, PET 구간은 TTG 및 RTG 구간보다 짧아야 한다. 만약, PET구간이 OFDM 심볼의 1/4이라는 가정을 한다면, PET 구간의 길이는 28.8us(=115.2us x 1/4)가 된다. 이는 TTG 및 RTG 시간 87.2us와 74.4us에 비해 훨씬 짧은 구간이다. 본래 TTG 및 RTG 구간은 송신 동작과 수신 동작 간 전환을 위한 여유 구간인데, 기지국과 단말기의 실제 전환시간에 비해 여유 있게 설계되었기 때문에 이 시간을 이용할 수 있으며, 이 구간에 중계기가 파일럿을 송신하는 경우, 기지국 및 단말기는 채널을 추정할 수 있다.

도 5 에 도시된 바와 같이, 상향링크(UL) 부프레임과 하향링크(DL) 부프레임 사이의 RTG 구간을 PET로 이용하는 경우, 단말기는 상향링크(UL) 프레임이 끝난 후 PET 구간이 되기 전에 송신 모드에서 수신 모드로 동작을 전환하고, 기지국은 PET 구간이 끝난 후, 하향링크(DL) 구간이 되기 전에 수신 모드에서 송신 모드로 동작을 전환한다.

본 발명에서는 주로 하향링크를 가정하고 기지국과 단말기 사이의 무선 통신에 대해서 언급한다. 그러나, 발명은 상향링크에 역시 적용 가능하며, 이때, 기지국은 수신기가 될 수 있으며 단말기 역시 수신기가 될 수 있다.

또한, 셀룰러 환경뿐 아니라 일반적인 무선 통신 시스템을 가정한다. 즉, 기지국은 데이터를 송신하는 장치로 생각할 수 있으며, 단말기는 데이터를 수신하는 장치로 생각될 수 있다. 또한 그 반대도 가능하다.

송신기는 서로 협력하거나 서로 협력하지 않는 여러 개의 송신기의 묶음으로 동작 가능하며, 수신기 역시 서로 협력하거나 서로 협력하지 않는 여러 개의 수신기의 묶음으로 동작 가능하다. 파일럿 에미팅 중계기의 동작은 하나의 중계기가 동작하는 경우와 여러 개의 중계기가 동작하는 모든 경우를 포함한다.

이하, 상술한 바와 같은 기능적 설명 및 가정을 바탕으로 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6 은 본 발명에 따른 파일럿 에미팅 중계기(100)에 관한 구성도로서, 도시된 바와 같이 해당 프레임 주파수 대역에 대한 신호를 전력을 측정하는 전력 측정부(110), 기지국(200) 및 단말기(300)의 TTG 또는 RTG 구간을 검출하여 PET 구간을 설정하는 PET 구간 설정부(120) 및 전이중 통신 방식으로 동작하는 중계기의 경우 출력단에서 송신한 신호가 입력단으로 다시 수신될 경우 이를 상쇄시켜주는 반향 신호 제거부(130)를 포함한다.

상술한 바와 같은 구성을 포함하는 파일럿 에미팅 중계기(이하, '중계기')(100)는 하나의 중계기가 적용되는 경우와 다수개의 중계기가 적용되는 시스템에 다양하게 적용 가능한 바, 이하에서는 단일 부반송파 시스템, OFDM 시스템, 다중 안테나 시스템 등에 적용된 내용을 살펴보도록 한다.

먼저, 하나의 중계기가 있는 단일 부반송파 시스템에서, 중계기(100)의 파일럿 신호 전송은 PET 시간에 의해 이루어진다. 무선 통신 시스템의 상향 및 하향 프레임 구조에서 TTG 및 RTG 구간의 전체 또는 일부분이 PET 구간이 될 수 있다.

중계기(100)가 PET 구간을 설정하기 위해서는 먼저, TTG 및 RTG 구간을 중계기가 인지하는 과정이 필요하다. 중계기(100)는 프레임 동기화를 통해서 TTG 및 RTG 구간을 정확히 인지할 수 있다. 그러나, 프레임 동기화는 수신 신호를 기저 대 역(baseband) 신호로 바꾸는 과정과, 수신 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 과정이 추가적으로 필요하다. 중계기가 위 과정을 수행하기 위해서는 RF up/down converter 장치 및 A/D converter 장치 등이 추가적으로 필요하기 때문에, 결국 중계기의 구현 비용이 상승한다.

따라서, 본 발명에서 고려하고 있는 중계기(100)는 아날로그 단에서 동작하는 파일럿 에미팅 AF 중계기이다. 이 중계기는 TTG 및 RTG 구간을 전력 측정 동작으로 인지한다.

즉, 본 발명에서 제안하는 중계기(100)는 해당 프레임 주파수 대역에 대한 신호 전력을 측정하고 있다가, 모든 기지국 및 단말기가 신호를 전송하지 않는 TTG 또는 RTG 구간을 검출하고 PET 구간을 찾는다. 그리고, 이 구간 동안 파일럿 신호를 송신한다. 이때, PET 구간은 TTG 및 RTG 구간보다 짧아야 한다. 기지국과 단말기는 PET 구간에 중계기에서 송신하는 파일럿 신호를 검출하여, 기지국과 중계기 채널 및 중계기와 단말기 채널을 추정한다.

또한 OFDM 시스템에서, 파일럿 에미팅 동작은 단일 부반송파 시스템과 비슷하다. 중계기(100)에서 파일럿 신호 송신은 PET 구간에 이루어지며, 상향 프레임과 하향 프레임 사이 시간인 TTG 및 RTG 구간이 PET 구간이 된다. 파일럿 에미팅 중계기(100)는 미리 정해진 주파수 대역에 대한 신호 전력을 측정하여 PET 구간을 인지한다. 그리고 PET 구간 동안 파일럿 신호를 송신한다. 모든 기지국 및 단말기는 PET 구간에 중계기에서 송신하는 파일럿 신호를 수신하여, 기지국과 중계기 채널 및 중계기와 단말기 채널을 추정한다.

또한, 다수개의 중계기가 있는 시스템에서, 중계기(100)가 다수 존재하는 경우, 중계기에서 송신하는 파일럿 신호 간에 서로 간섭이 존재한다. 이는 기지국과 단말기가 각각 기지국과 중계기간의 채널 추정 성능 및 중계기와 단말기간의 채널 추정 성능을 나쁘게 한다. 따라서 각 중계기(100)에서 송신하는 파일럿 신호간의 간섭을 줄이는 것이 필요하다. 이는, 서로 직교성을 가지는 파일럿 신호를 설계함으로써 해결할 수 있다. 직교성을 가지는 파일럿 신호는 주파수 영역 직교성, 시간 영역 직교성, 코드 영역 직교성을 갖도록 설계할 수 있다. 또는 이들의 조합을 통해서 직교성을 가질 수 있다.

그리고, 다중 안테나 (MIMO, multiple input multiple output) 시스템에서, 중계기(100)는 단일 송신안테나 및 단일 수신안테나를 가질 수도 있고, 다중 송신안테나 및 다중 수신안테나를 가질 수도 있다. 또한 단일 송신안테나와 다중 수신안테나 또는 다중 송신안테나와 단일 수신안테나를 가질 수도 있다. 기지국과 단말기 역시 각각 단일 송신 안테나와 수신 안테나 및 다중 안테나와 수신 안테나를 가질 수 있다.

즉, 중계기(100)가 다중 안테나를 가지는 경우, PET 구간에 각 안테나에서 송신하는 파일럿 신호는 서로 직교성을 가져야 하며, 파일럿 신호는 주파수 영역 직교성, 시간 영역 직교성, 코드 영역 직교성을 가질 수 있다. 또는 이들의 조합을 통해서 직교성을 가질 수 있다.

다음으로, PET 구간을 이용하여 단일 부반송파 시스템 및 OFDM 시스템에서의 채널 추정 방법에 관하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 단일 부반송파 시스템에서, PET 구간에서 중계기(100)가 파일럿 신호를 송신하고, 기지국 및 단말기는 PET구간을 알고 있으며, 추정하고자 하는 기지국과 중계기간의 채널과 중계기와 단말기간의 채널에 해당하는 중계기가 송신하는 파일럿 신호에 대한 정보를 갖고 있다고 가정한다.

이때, 기지국 및 단말기는 일반적으로 널리 알려진 LS(least squares:최소자승) 채널 추정기, MMSE(minimum mean square error:최소평균제곱오차) 채널 추정기 등을 통하여 기지국과 중계기간의 채널 및 중계기와 단말기간의 채널을 추정할 수 있다.

또한, OFDM 시스템에서는 주파수 영역 채널 추정 방법 및 시간 영역에서의 채널 추정 방법으로 대분될 수 있으며, OFDM 시스템에서 PET 구간을 이용한 주파수 영역 채널 추정 흐름을 도 7 내지 도 9 를 참조하여 살피면 다음과 같다.

PET 구간은 OFDM 심볼의 1/4이라 가정하며, 그 개념은 도 7 에 도시된 바와 같다. 도 8 을 참조하여 구체적으로 살피면, 채널 탭 수보다 많게 주파수 영역에서 동일 간격으로 파일럿을 할당하고(S10), IFFT 처리 후 반복되는 최소 단위의 샘플을 수신단으로 전송한다(S20). 이후, 수신단에서 PET 구간에서 받은 샘플을 반복하여 FFT 처리기를 수행하며(S30), 보간법(interpolation)을 취하여 주파수 영역 채널 추정한다(S40).

상기한 바와 같이, PET 구간을 이용한 주파수 영역 채널 추정 방법을 적용하였을 때 다음 결과를 예측할 수 있다.

1. OFDM 한 심볼을 추정하는 것과 비교할 때, 자름(truncation)을 수행하였기 때문에, 동일한 MSE(mean square error:평균제곱에러)를 얻기 위해서 약간의 SNR(signal-to-noise ratio:신호대잡음비)이 더 요구 될 것이다. 이는 자원 사용을 1/4 로 줄였기 때문에 생기는 손실이다

2. 주어진 환경에서의 동작 신호 대 잡음비 범위는 30~35dB의 높은 SNR 영역이 될 수 있다. 이는 짧은 PET 구간 동안 높은 송신 전력으로 파일럿 신호를 전송을 하는 시나리오이므로 타당하다.

3. 셀룰러 환경에 직접적으로 적용 가능

여러 중계기가 동시에 PET 구간에 파일럿 신호를 송신하면 서로 인접한 중계기간 파일럿 신호의 간섭 현상이 발생한다. 이를 해결하기 위해서, 도 9 에 도시된 바와 같이 인접한 중계기에 다른 파일럿 그룹을 할당함으로써 간섭을 피할 수 있다.

이때, PET 구간에 따른 절충관계(trade-off)가 존재하는데, PET 구간을 보다 줄임으로써 파일럿 그룹이 많이 생겨 여러 중계기로부터 오는 간섭을 피할 수 있다. 하지만, 자원 사용 감소로 인한 SNR 손실이 발생한다. 시간 영역에서의 채널 추정시 여러 중계기로부터 오는 간섭 억제를 위해 파일럿 패턴 설계가 필요하다.

다음으로, OFDM 시스템에서 PET 구간을 이용한 시간 영역에서의 채널 추정에 관하여 살피면 다음과 같다.

시간 영역에서 추정 하려는 채널의 탭 수 보다 많은 파일럿 샘플 수를 할당 하면 ML(maximum-likelihood:최대가능도) 추정이 가능하다. 주파수 영역에서의 채널 추정 방법과 비슷하게 시간 영역에의 채널 추정도 셀룰러로 확장될 수 있다. 각 중계기의 파일럿 신호 간에 서로 직교성을 갖도록 파일럿 신호를 설계하면, 각 기지국 및 단말기는 파일럿 신호로부터 각 중계기 별 파일럿 신호 구별이 가능하다. 직교성을 위한 파일럿 신호 설계의 예로, Walsh code(왈시코드)나 PN(Pseudo Noise) sequence(의사잡음시퀀스)등을 이용하여, 중계기의 파일럿 신호가 서로 코드 직교성을 갖도록 설계할 수 있다. 시간 영역 채널 추정 후 채널에 대해 FFT를 취하여 주파수 영역 채널 응답을 취득할 수 있다.

다음으로, 파일럿 신호를 전송하는 본 발명에 따른 중계기(100) 구조를 이용한 통신 방법에 관하여 설명하면 다음과 같다.

1. 폐루프 MIMO 전송 방법

다중 안테나 송수신 시스템은 크게 송신단에서 채널 정보를 모르는 개루프 (open-loop) 전송기법과 송신단에서 채널 정보를 알고 있는 폐루프 (closed-loop) 전송기법으로 분류될 수 있다. MIMO 시스템의 하향링크를 고려할 때, 기지국이 기지국과 단말기간의 채널 정보를 알고 있는 경우 폐루프 MIMO 전송 방법을 사용할 수 있다. 폐루프 MIMO 전송은 기지국이 알고 있는 기지국과 단말기간 채널 정보를 이용하여, 각 송신 안테나에 송신 선처리 값을 곱해서 무선 통신 성능을 높이는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 중계기(100)는 PET 구간에서 파일럿 신호를 송신한다. 따라 서, 중계기가 기존 폐루프 MIMO 구조에서 송신단 역할을 한다. 이때, 기지국은 중계기에서 송신한 파일럿 신호를 이용하여 중계기와 기지국 사이의 채널을 추정할 수 있다. TDD 시스템인 경우, 기지국에서 채널 상호성을 바탕으로 기지국과 중계기 사이의 채널 정보를 활용 가능하다. 따라서, 기지국은 중계기에 대해서 폐루프 MIMO 전송 기법을 사용할 수 있다. 또한 단말기는 중계기에서 송신한 파일럿 신호를 이용하여 중계기와 단말기 사이의 채널을 추정 후 MIMO 신호 검파를 할 때 추정치를 사용할 수 있다. 이를 통해서 기존 중계기보다 기지국과 중계기간 링크 및 중계기와 단말기간 링크에 대해서 높은 유효 채널 값을 얻어 무선 통신 성능을 향상시킬 수 있다.

구체적으로, AF 전송을 하는 중계기를 가정할 때, PET 구간에서 파일럿 신호를 송신하지 않는 중계기 대비 본 발명에 따른 PET 구간에서 파일럿 신호를 전송하는 중계기(100) 구조의 장점은 다음과 같다. 첫째로, 중계기가 단일 안테나를 가지고 기지국 및 단말기가 다중 안테나를 가질 경우를 고려한다. 이때, PET 구간을 사용하여 파일럿 신호를 전송하고 이를 이용해 기지국과 중계기간 채널 정보를 추정하게 되면, PET 구간을 사용하지 않고 기지국-중계기-단말기를 통과한 복합적인 유효 채널 정보를 추정하는 시스템 대비 기지국에서 더 우수한 송신 가중치 벡터를 생성할 수 있다. 이는 중계기가 단일 안테나를 사용하게 되므로, 동일한 파일럿 자원 사용으로 기지국에서 더 개선된 채널 추정 성능을 얻을 수 있기 때문이다. 채널 추정 오차가 적을수록 더 실제 채널에 가까운 정보를 이용하여 송신 안테나 가중치 벡터를 생성할 수 있게 된다. 둘째로, 중계기, 기지국 및 단말기 모두 다중 안테나 를 가질 경우를 고려한다. 이때, PET 구간을 사용하여 파일럿 신호를 전송하면 중계기와 단말기간 MIMO 채널 정보를 추정할 수 있다. AF 전송을 하는 기존 중계기를 고려하면 단말기에서 기지국-중계기-단말기에 대한 유효 채널 정보만을 추정 가능하기 때문에 단말기에서 최종적으로 수신된 잡음은 비백색 잡음이 된다. 비백색 잡음은 결과적으로 전체적인 시스템 성능 열화를 야기할 수 있다. 하지만 PET 구간에서 파일럿 신호를 전송하는 다중 안테나 중계기를 사용하면 중계기와 단말기간 링크에 대한 채널 정보를 추정할 수 있기 때문에 이를 이용하여 비백색 잡음을 백색화(Whitening)할 수 있게 되고, 전체적인 시스템 성능을 개선시킬 수 있다.

또한 AF 중계기라는 제약과 중계기에서의 안테나 수에 대한 제약 없이 일반적으로 PET 구간을 사용하여 파일럿 신호를 전송하는 중계기(100)를 가정할 때, 단말기에서 중계기와 단말기간 채널 링크 정보를 부가적으로 이용하여 더 효율적인 수신 안테나 컴바이닝(Combining) 벡터를 생성할 수 있다. 뿐만 아니라 단말기가 컴바이닝 벡터 생성 후 신호를 검파할 때에도 중계기와 단말기간 부가적인 채널 링크 정보를 사용하여 시스템 검파 성능을 개선시킬 수 있다.

2. 반향 채널 추정 방법

반이중 통신 방식으로 동작하는 중계기는 신호의 수신 과정과 송신 과정이 동시에 수행될 수 없는 통신 방식을 의미한다. 시분할 방식으로 동작하는 반이중 통신 방식의 중계기는 한 시간 구간 동안 수신 과정을 수행하고, 또 다른 시간에 송신을 수행한다. 이는 중계기가 중계하는 신호의 양을 절반으로 줄인다. 이를 해결하기 위해서 전이중 통신 방식이 고려될 수 있다. 그러나, 전이중 통신 방식으로 동작하는 무선 중계기의 경우 무선 특성상 중계기의 출력이 중계기의 입력으로 다시 들어오게 된다. 이러한 반향신호는 중계기의 성능을 저하시키므로, 이를 제거하는 반향신호 제거기술이 필요하다.

전이중 통신 방식 중계기에 반향신호 제거기술을 적용하기 위해서는 반향 신호 채널 추정이 필수적인데, 이를 위해서는 중계기에게 추가적인 주파수 및 시간 자원이 필요하다.

본 발명에서 제안하는 TTG 혹은 RTG 구간을 PET 구간으로 사용하면, 추가적인 주파수 및 시간 자원의 소모 없이 반향 신호 채널을 추정할 수 있다.

앞선 도 3 에 도시된 바와 같이, 반향 채널 추정은 중계기(100)의 송신 안테나 및 수신 안테나가 하나인 경우와 도 4 에 도시된 바와 같이 중계기(100)의 송신 및 수신 안테나가 여러 개인 경우, 또는 단일 송신 안테나와 다중 수신 안테나, 다중 송신 안테나와 단일 수신 안테나 등 모든 송신 및 수신 안테나 개수 조합에 대해서 적용 가능하다.

3. 네트워크 코딩을 이용한 송/수신 방법

네트워크 코딩을 이용하는 송/수신 방법을 이용하는 경우, 중계기는 하나 이상의 송신기로부터 신호를 수신하게 된다. 이를 수신 후 복호하고, 다시 전송하는 신호를 만드는 것은 네트워크 코딩 방법에 따라 다르다. 만약, 중계기에서 하나 이상의 송신기로부터의 신호를 코히런트(coherent)하게 수신하는 방법을 고려한다면, 본 발명에서 제안하는 파일럿을 송신하는 중계기가 필요하다.

TTG 혹은 RTG 구간을 PET 구간으로 사용하면, 추가적인 주파수 및 시간 자원 의 소모 없이, 네트워크 코딩 방법을 사용하는 송신기는 송신기에서 중계기까지의 채널 정보를 얻을 수 있다. 송신기는 채널 정보를 이용해서, 송신 처리를 할 수 있고 이를 통해서 통신 성능을 높일 수 있다.

4. 중첩(superimposed) 파일럿 신호를 이용한 송/수신 방법

파일럿 신호는 시간 및 주파수 영역에서 추가적인 자원을 할당하여 송신하게 된다. 하지만 추가적인 주파수 및 시간 자원의 소모 없이 데이터 구간 전송 전력의 일부를 파일럿 신호 전송을 위해 할당하는 중첩(superimposed) 파일럿 신호를 이용한 송/수신 방법을 고려할 수 있다. PET 구간을 사용하여 파일럿 신호를 송신하는 개념은 아니지만, 추가적인 주파수 및 시간 자원의 소모 없이 기지국 및 단말기에서 각각 기지국과 중계기간의 채널 추정 및 중계기와 단말기간의 채널 추정을 하기 위해서는 본 발명에서 제안하는 중첩 파일럿 신호를 이용한 송/수신 방법을 사용하는 중계기가 필요하다.

특히, 신호대잡음비가 높은 환경에서는 데이터 구간 전송 전력을 다소 감소시켜도 성능 열화가 크게 발생하지 않으므로, 높은 신호대잡음비를 갖는 환경에 중계기에서 중첩 파일럿 신호를 사용한 송신을 함으로써 통신 성능을 높일 수 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 중계기가 파일럿 신호를 송신하는 모습을 보여주는 일예시도.

도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 셀룰러 환경에서 중계기가 파일럿 신호를 송신하는 모습을 보여주는 일예시도.

도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 반향 신호 채널을 추정하기 위한 단일 안테나를 갖는 중계기를 보여주는 일예시도.

도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 반향 신호 채널을 추정하기 위한 다중 안테나를 갖는 중계기를 보여주는 일예시도.

도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 PET로 TTG 및 RTG를 이용하는 프레임 구조를 보여주는 일예시도.

도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 중계기에 관한 구성도.

도 7 은 본 발명의 일실시예에 따른 중계기가 OFDM 시스템에서 PET 구간을 이용한 주파수 영역 채널 추정 개념에 관한 일예시도.

도 8 은 본 발명의 일실시예에 따른 중계기가 OFDM 시스템에서 PET 구간을 이용한 주파수 영역 채널 추정 방법에 관한 흐름도.

도 9 는 본 발명의 일실시예에 따른 한 셀룰러 안에 다수의 중계기가 있는 경우, 파일럿 신호를 할당하는 모습을 보여주는 일예시도.

Claims (20)

1. 하나의 중계기를 포함하는 단일 부반송파 시스템 및 OFDM 시스템에서 기지국(200)과 단말기(300)간의 전송 신호를 중계하는 중계기(100)에 있어서,

   해당 프레임 주파수 대역에 대한 신호를 전력을 측정하는 전력 측정부(110); 및

   상기 기지국(200) 및 단말기(300)의 TTG 또는 RTG 구간을 검출하여 PET 구간을 설정하는 PET 구간 설정부(120); 를 포함하되, 상기 중계기(100)는, 상기 기지국(200) 및 단말기(300)로 PET 구간에서 파일럿 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기지국(200) 및 단말기(300)는,

   LS(Least Square:최소자승) 채널 추정기 및 MMSE(Minimum Mean Square Error:최소평균제곱오차) 채널 추정기를 통해 상기 기지국(200)과 중계기(100)간의 채널, 그리고 상기 단말기(300)와 중계기(100)간의 채널을 추정하는 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 PET 구간은, TTG 또는 RTG 구간의 전체 또는 일부인 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 TTG 및 RTG 구간의 신호는, 상기 기지국(200) 및 단말기(300)가 신호를 전송하지 않는 구간인 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
5. 다수개의 중계기가 있는 시스템에서 기지국(200)과 단말기(300)간의 전송 신호를 중계하는 중계기(100)에 있어서,

   해당 프레임 주파수 대역에 대한 신호를 전력을 측정하는 전력 측정부(110); 및

   상기 기지국(100) 및 단말기(200)의 TTG 또는 RTG 구간을 검출하여 PET 구간을 설정하는 PET 구간 설정부(120); 를 포함하며,

   상기 중계기(100)는, 상기 기지국(200) 및 단말기(300)로 PET 구간에서 파일럿 신호를 송신하되, 상기 각 중계기(100)에서 송신되는 각각의 파일럿 신호는 서로 직교성을 갖는 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 파일럿 신호는, 주파수 영역 직교성, 시간 영역 직교성, 코드 영역 직교성 중 적어도 어느 하나의 직교성을 갖는 신호인 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 파일럿 신호는, 주파수 영역, 시간 영역, 코드 영역의 조합에 의해 직교성을 갖는 신호인 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
8. 다중 안테나 시스템(MIMO)에서 기지국(200)과 단말기(300)간의 전송 신호를 중계하도록 다수의 안테나를 갖는 중계기에 있어서,

   해당 프레임 주파수 대역에 대한 신호를 전력을 측정하는 전력 측정부(110); 및

   상기 기지국(200) 및 단말기(300)의 TTG 또는 RTG 구간을 검출하여 PET 구간을 설정하는 PET 구간 설정부(120); 를 포함하며, 상기 중계기(100)는, 상기 기지국(200) 및 단말기(300)로 PET 구간에서 파일럿 신호를 송신하되, 각 안테나에서 송신되는 각각의 파일럿 신호는 서로 직교성을 갖는 것을 특징으로 하는 파일럿 에 미팅 중계기.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 파일럿 신호는, 주파수 영역 직교성, 시간 영역 직교성, 코드 영역 직교성 중 적어도 어느 하나의 직교성을 갖는 신호인 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 파일럿 신호는, 주파수 영역, 시간 영역, 코드 영역의 조합에 의해 직교성을 갖는 신호인 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 중계기(100)가 TDD 시스템인 경우,

    채널 상호성을 이용하여 상기 기지국(200)과 중계기(100)간의 채널 추정 및 상기 단말기(300)와 중계기(100)간의 채널을 독립적으로 추정하는 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
12. 제 8 항에 있어서,

    상기 중계기(100)는, 상기 기지국(100)과의 네트워크 코딩 방식을 통해 신호를 이용하여 송수신하는 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
13. 제 8 항에 있어서,

    상기 중계기(100)는, 중첩 파일럿 신호를 포함하는 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
14. 다수의 안테나를 갖는 중계기가 다수 존재하는 시스템에서 기지국(200)과 단말기(300)간의 전송 신호를 중계하도록 하는 중계기(100)에 있어서,

    해당 프레임 주파수 대역에 대한 신호를 전력을 측정하는 전력 측정부(110); 및

    상기 기지국(200) 및 단말기(300)의 TTG 또는 RTG 구간을 검출하여 PET 구간을 설정하는 PET 구간 설정부(120); 를 포함하며,

    상기 중계기(100)는, 상기 기지국(200) 및 단말기(300)로 PET 구간에서 파일럿 신호를 송신하되, 상기 각 중계기(100)에서 송신되는 각각의 파일럿 신호는 서로 직교성을 갖으며, 각 안테나에서 송신되는 각각의 파일럿 신호는 서로 직교성을 갖는 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 중계기(100)는, 상기 기지국(300)으로 폐루프 다중 안테나 시스템(MIMO)에서 PET 구간의 파일럿 신호를 전송하며,

    상기 중계기(100)로부터 송신되는 상기 PET 구간의 파일럿 신호를 통해, 상기 기지국(200)이 송신 안테나 가중치 벡터를 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 중계기(100)로부터 송신되는 PET 구간의 파일럿 신호를 통해, 상기 단말기(300)로 수신된 비백색 잡음이 백색화 되는 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
17. 제 14 항에 있어서,

    상기 중계기(100)로부터 송신되는 PET 구간의 파일럿 신호를 통해, 상기 단말기(300)가 컴바이닝 벡터를 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
18. 제 14 항에 있어서,

    상기 중계기(100)로부터 송신되는 PET 구간의 파일럿 신호를 통해, 상기 단말기(300)가 다중 안테나 시스템(MIMO) 신호를 검파하도록 하는 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
19. 반향 신호 채널을 추정하는 전이중 통신 방식 중계기(100)에 있어서,

    해당 프레임 주파수 대역에 대한 신호를 전력을 측정하는 전력 측정부(110);

    기지국(200) 및 단말기(300)의 TTG 또는 RTG 구간을 검출하여 PET 구간을 설정하는 PET 구간 설정부(120); 및

    출력단에서 송신한 신호가 입력단으로 다시 수신될 경우 이를 상쇄시켜주는 반향 신호 제거부(130); 를 포함하되,

    상기 중계기(100)는, PET 구간에서 파일럿 신호를 송신함으로써 반향 신호를 추정하는 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기.
20. OFDM 시스템에서 주파수 영역 채널 추정 방법에 있어서,

    (a) 채널 탭 수보다 많게 주파수 영역에서 동일 간격으로 파일럿을 할당하는 단계;

    (b) IFFT 처리 후 반복되는 최소 단위의 샘플을 수신단으로 전송하는 단계;

    (c) 상기 수신단에서 PET 구간에서 받은 샘플을 반복하여 FFT 처리기를 수행하는 단계; 및

    (d) 보간법(interpolation)을 취하여 주파수 영역 채널 추정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 파일럿 에미팅 중계기를 이용한 채널 추정 방법.

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