KR20100070478A - A method for channel and interference estimation in a wireless communication system and an apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 무선 통신 시스템의 채널 및 간섭 추정 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 수신신호에서 검출된 데이터 심벌을 이용하여 채널 및 간섭을 추정하는 무선 통신 시스템의 채널 및 간섭 추정 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for estimating channel and interference in a wireless communication system, and more particularly, to a method and apparatus for estimating channel and interference using a data symbol detected in a received signal. .
최근 이동통신 시스템에서는 무선 채널에서 고속데이터 전송에 유용한 방식으로 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 "OFDM"이라 함) 방식, 혹은 이와 비슷한 방식으로 단일 반송파 주파수 분할 다중 접속(Single Carrier - Frequency division Multiple Access: 이하 SC-FDMA 이라 함)이 활발하게 연구되고 있다. In recent mobile communication systems, orthogonal frequency division multiple access (OFDM), or a similar method, is useful for high-speed data transmission in a wireless channel. Frequency division multiple access (hereinafter referred to as SC-FDMA) has been actively studied.
또한, 다수의 안테나를 이용하여 다이버시티 이득(diversity gain) 및 전송률(throughput)을 최대화하기 위한 방식으로, 다수개의 송신 안테나들과 다수개의 수신 안테나들을 사용하는 다중 입력 다중 출력(Multiple Input Multiple Output, 이하, "MIMO"라고 함)이 활발하게 연구되고 있다. In addition, a multiple input multiple output using multiple transmit antennas and multiple receive antennas in a manner to maximize diversity gain and throughput using multiple antennas. In the following, "MIMO") is being actively studied.
현재 비동기 셀룰러 이동통신 표준단체인 3GPP (3rd Gerneration Partnership Project) 에서는 차세대 이동통신 시스템인 LTE (Long Term Evolution) 시스템을 OFDM 및 MIMO 기반으로 연구 중이다. Currently, the 3rd Gerneration Partnership Project (3GPP), an asynchronous cellular mobile communication standard organization, is studying the next generation mobile communication system, Long Term Evolution (LTE), based on OFDM and MIMO.
상술한 바와 같은 이동통신시스템에서 송신 신호를 복원하기 위해서는 채널 추정 기법을 통해 송신중 왜곡된 채널을 보상하고, 간섭 추정을 통해 간섭을 제거하여야 한다. In order to recover a transmission signal in the mobile communication system as described above, a channel estimation technique should be used to compensate for a distorted channel during transmission, and interference should be removed by interference estimation.
기존의 채널 추정 알고리즘은 파일럿 신호를 이용하여 추정된 초기 채널 추정치로부터 잡음의 영향을 감쇄시키기 위해 추정된 CIR에서 유효한 CIR 성분을 선택하는 방안에 대하여 중점을 두고 채널 추정 성능을 개선하려고 하였다. 하지만 사용하는 채널의 환경에 따라서 선택되어 지는 CIR의 성분이 모두 유효한 CIR이 아닐 수가 있다. 이 경우에는 잡음의 영향을 충분히 없애지 못하는 단점이 있다. Existing channel estimation algorithms focus on selecting effective CIR components from the estimated CIR to reduce the effects of noise from the estimated initial channel estimates using pilot signals. However, depending on the environment of the channel used, all of the selected CIR components may not be valid CIRs. In this case, there is a disadvantage that does not sufficiently eliminate the influence of noise.
또한, 파일럿 부반송파 위치의 채널 추정 값만을 이용하기 때문에 잡음의 감쇄 효과가 파일럿 신호의 잡음 감쇄 정도에 의존적인 단점이 있다. 또한 보간법을 통한 데이터 부반송파의 채널 추정값을 포함하게 되는 경우 데이터 부반송파의 잡음 감쇄 효과 보다는 보간법의 부정확성으로 인한 오류의 영향으로 높은 SNR에서 오히려 성능의 열화가 발생한다. 따라서 이러한 기존 DFT 기반의 채널 추정 알고리즘의 잡음 감쇄 효과를 최대화하여 채널 응답 추정의 정확성을 높이기 위한 방안이 필요하다. In addition, since only the channel estimation value of the pilot subcarrier position is used, the noise attenuation effect is dependent on the degree of noise attenuation of the pilot signal. In addition, when the channel estimate value of the data subcarrier through interpolation is included, the performance degradation occurs at high SNR due to the error due to the inaccuracy of the interpolation method rather than the noise attenuation effect of the data subcarrier. Therefore, there is a need for a method for increasing the accuracy of channel response estimation by maximizing the noise attenuation effect of the existing DFT-based channel estimation algorithm.
또한, 기존의 간섭 추정 기법은 수신기에서 송신 신호에 대한 다중 경로 채널의 정보를 완벽하게 알고 있다는 것과 수신 신호로부터 간섭과 잡음의 성분을 완 벽한 분리가 가능하다는 가정 하에서 분석되었다. 그러나 현실적인 채널 추정을 고려할 경우, 채널 추정의 오류로 인한 영향으로 기준 심벌에서의 간섭 추정의 오류를 야기하며 성능의 열화를 가져온다. 또한 복조 과정 시 추정된 채널 추정 값의 정보를 이용하여 복조를 수행하기 때문에 채널 추정의 오류가 발생할 경우 성능 열화의 요인이 되기 때문에 안정적인 시스템 성능을 유지할 수 없다. 이러한 기존의 기준 심벌을 이용한 채널 추정 및 간섭 추정 방법은 기준 심벌 위치에서 추정된 채널 및 간섭의 잡음 감쇠 정도에 제한되는 단점이 있다. In addition, the existing interference estimation technique was analyzed under the assumption that the receiver fully knows the information of the multipath channel for the transmitted signal and that the interference and noise components can be completely separated from the received signal. However, when considering the realistic channel estimation, the error due to the error of the channel estimation causes the error of the interference estimation in the reference symbol, and the performance is degraded. In addition, since demodulation is performed using information of the estimated channel estimate value during the demodulation process, stable system performance cannot be maintained because an error in channel estimation causes performance degradation. The conventional channel estimation and interference estimation method using the reference symbol has a disadvantage in that the noise attenuation of the channel and interference estimated at the reference symbol position is limited.
따라서 상술한 바와 같은 종래의 문제를 감안한 본 발명의 목적은 채널 추정 및 간섭 추정시 기준 심벌에 의존적이지 않은 무선 통신 시스템의 채널 및 간섭 추정 방법 및 장치를 제공함에 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a channel and interference estimation method and apparatus for a wireless communication system that does not depend on reference symbols in channel estimation and interference estimation.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 채널 추정 방법은, 기준 심벌 및 데이터 심벌을 포함하는 수신 신호의 기준 심벌을 이용하여 초기 채널을 추정하는 과정과, 상기 추정된 초기 채널을 이용하여 상기 수신 신호의 채널을 보상하는 과정과, 상기 보상된 채널에 따라 데이터 심벌을 복조 및 변조하여 임시의 데이터 심벌을 생성하는 과정과, 상기 생성된 임시 데이터 심벌을 이용하여 최종 채널을 추정하는 과정을 포함한다. In accordance with an aspect of the present invention, there is provided a method for estimating a channel of a wireless communication system, including: estimating an initial channel using a reference symbol of a received signal including a reference symbol and a data symbol; Compensating for the channel of the received signal using the estimated initial channel, demodulating and modulating a data symbol according to the compensated channel, and generating a temporary data symbol; and using the generated temporary data symbol Estimating the final channel.
상기 초기 및 최종 채널을 추정하는 과정은 LS(Least Square) 추정 기법에 따라 주파수 영역에서 채널을 추정하는 과정과, DFT(Discrete Fourier Transform) 기반의 채널 추정 기법에 따라 시간 영역에서 채널을 추정하는 과정을 포함한다. The process of estimating the initial and final channels may include estimating a channel in a frequency domain according to a Least Square (LS) estimation technique, and estimating a channel in a time domain according to a Discrete Fourier Transform (DFT) based channel estimation technique. It includes.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 채널 추정 장치는, 추정된 채널에 따라 수신 신호의 채널을 보상하는 등화기; 상기 보상된 채널에 따라 데이터 심벌을 복조 및 변조하여 임시의 데이터 심벌을 생성하는 복조 및 변조기; 및 기준 심벌 및 데이터 심벌을 포함하는 수신 신호의 기준 심벌을 이용하여 초기 채널을 추정하고, 상기 임시의 데이터 심 벌을 이용하여 최종 채널을 추정하는 채널추정기를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a channel estimation apparatus for a wireless communication system, including: an equalizer configured to compensate a channel of a received signal according to an estimated channel; A demodulator and modulator for demodulating and modulating data symbols according to the compensated channel to generate temporary data symbols; And a channel estimator for estimating an initial channel using a reference symbol of a received signal including a reference symbol and a data symbol, and estimating a final channel using the temporary data symbol.
상기 채널추정기는 LS(Least Square) 추정 기법에 따라 주파수 영역에서 채널을 추정하는 LS채널추정기; 및 DFT(Discrete Fourier Transform) 기반의 채널 추정 기법에 따라 시간 영역에서 채널을 추정하는 DFT기반채널추정기;를 포함한다. The channel estimator includes an LS channel estimator for estimating a channel in a frequency domain according to a least square (LS) estimation technique; And a DFT-based channel estimator for estimating a channel in the time domain according to a Discrete Fourier Transform (DFT) -based channel estimation technique.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 채널 및 간섭 추정 방법은, 미모 시스템에서 기준 심벌 및 데이터 심벌을 포함하는 수신 신호의 기준 심벌을 이용하여 초기 채널을 추정하는 과정과, 상기 추정된 초기 채널과 상기 기준 심벌을 이용하여 초기 간섭을 추정하는 과정과, 상기 추정한 초기 채널에 따라 상기 수신 신호의 채널을 보상하고, 상기 추정한 초기 간섭에 따라 상기 수신 신호의 간섭을 제거하여 임시의 데이터 심벌을 검출하는 과정과, 상기 검출된 임시 데이터 심벌을 이용하여 최종 채널을 추정하는 과정과, 상기 검출된 임시 데이터 심벌 및 상기 추정한 최종 채널을 이용하여 최종 간섭을 추정하는 과정을 포함한다. In the wireless communication system and the interference estimation method according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the initial channel using the reference symbol of the received signal including the reference symbol and the data symbol in the beauty system Estimating, estimating initial interference using the estimated initial channel and the reference symbol, compensating a channel of the received signal according to the estimated initial channel, and receiving the received signal according to the estimated initial interference Detecting a temporary data symbol by removing interference of a signal, estimating a final channel using the detected temporary data symbol, and finally using the detected temporary data symbol and the estimated final channel Estimating the process.
상기 초기 및 최종 채널을 추정하는 과정은 LS(Least Square) 추정 기법에 따라 주파수 영역에서 채널을 추정하는 과정과, DFT(Discrete Fourier Transform) 기반의 채널 추정 기법에 따라 시간 영역에서 채널을 추정하는 과정을 포함한다. The process of estimating the initial and final channels may include estimating a channel in a frequency domain according to a Least Square (LS) estimation technique, and estimating a channel in a time domain according to a Discrete Fourier Transform (DFT) based channel estimation technique. It includes.
상기 초기 및 최종 간섭을 추정하는 과정은 임시 간섭(instantaneous SCM)을 추정하는 과정과, LPS(Low-pass Smoothing) 기법에 따라 간섭을 추정하는 과정을 포함한다. Estimating the initial and final interference includes estimating the instantaneous interference (SCM) and estimating the interference according to a low-pass smoothing (LPS) technique.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 채널 및 간섭 추정 장치는, 초기 추정된 채널에 따라 수신 신호의 채널을 보상하고 초기 추정된 간섭에 따라 수신 신호의 간섭을 제거하는 등화기; 상기 채널 보상 및 상기 간섭 제거가 이루어진 수신 신호에서 임시 데이터 심벌을 검출하는 검출기; 기준 심벌 및 데이터 심벌을 포함하는 수신 신호의 기준 심벌을 이용하여 초기 채널을 추정하고, 상기 임시의 데이터 심벌을 더 이용하여 최종 채널을 추정하는 채널추정기; 및 기준 심벌 및 데이터 심벌을 포함하는 수신 신호의 기준 심벌을 이용하여 초기 간섭을 추정하고, 상기 추정한 최종 채널 및 상기 임시의 데이터 심벌을 더 이용하여 최종 간섭을 추정하는 간섭추정기를 포함한다. In order to achieve the above object, a channel and interference estimation apparatus of a wireless communication system according to an embodiment of the present invention compensates for a channel of a received signal according to an initial estimated channel and performs reception of a received signal according to an initial estimated interference. An equalizer for removing interference; A detector for detecting temporary data symbols in the received signal from which the channel compensation and the interference cancellation are performed; A channel estimator estimating an initial channel using a reference symbol of a received signal including a reference symbol and a data symbol, and estimating a final channel using the temporary data symbol; And an interference estimator for estimating initial interference using a reference symbol of a received signal including a reference symbol and a data symbol, and further estimating the final interference using the estimated final channel and the temporary data symbol.
상기 채널추정기는 LS(Least Square) 추정 기법에 따라 주파수 영역에서 채널을 추정하는 LS채널추정기; 및 DFT(Discrete Fourier Transform) 기반의 채널 추정 기법에 따라 시간 영역에서 채널을 추정하는 DFT기반채널추정기;를 포함한다. The channel estimator includes an LS channel estimator for estimating a channel in a frequency domain according to a least square (LS) estimation technique; And a DFT-based channel estimator for estimating a channel in the time domain according to a Discrete Fourier Transform (DFT) -based channel estimation technique.
상기 간섭 추정기는 임시 간섭을 추정하는 임시간섭추정기; 및 LPS 기법에 따라 간섭을 추정하는 LPS간섭추정기;를 포함한다. The interference estimator includes a temporal interference estimator for estimating temporary interference; And an LPS interference estimator for estimating interference according to the LPS technique.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 채널 및 간섭 추정 방법은 수신 신호의 기준 심벌뿐만 아니라, 임시로 검출된 데이터 심벌을 이용하여 채널 추정 및 간섭 추정을 함으로써, 기존의 기법 보다 잡음 감쇄 효과가 뛰어나며, 더 정확한 채널 추정 및 간섭 추정이 가능하다. In the channel and interference estimation method according to the embodiment of the present invention as described above, by performing the channel estimation and interference estimation using not only the reference symbols of the received signal but also temporarily detected data symbols, the noise reduction effect is more effective than the conventional techniques. Excellent, more accurate channel estimation and interference estimation are possible.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, only parts necessary for understanding the operation according to the embodiment of the present invention will be described, and the description of other parts will be omitted so as not to disturb the gist of the present invention.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. The terms or words used in the specification and claims described below should not be construed as being limited to the ordinary or dictionary meanings, and the inventors are appropriate to the concept of terms in order to explain their invention in the best way. It should be interpreted as meanings and concepts in accordance with the technical spirit of the present invention based on the principle that it can be defined. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
본 발명은 OFDM 시스템에서 송신기가 전송하는 수신 신호에 포함된 데이터 심벌을 이용하여 채널을 추정하거나, 간섭을 추정한다. 먼저, 제1 실시 예에서는 OFDM 시스템을 고려하여 채널 추정에 대해서 설명하며, 이어서, 제2 실시 예에서는 MIMO 시스템을 고려하여 채널 추정 및 간섭 추정에 대해서 설명할 것이다. The present invention estimates a channel or estimates interference using data symbols included in a received signal transmitted by a transmitter in an OFDM system. First, channel estimation will be described in the first embodiment in consideration of an OFDM system, and channel estimation and interference estimation will be described in the second embodiment in consideration of a MIMO system.
제1 실시예First embodiment
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 통신 시스템의 기저 대역 송신기 구조를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a baseband transmitter structure of an OFDM communication system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 기저 대역 송신기는 이진 데이터 생성기(Information Generator)(110), 데이터 심볼 맵퍼(Data Symbol Mapper)(120), 파일럿 심벌 생성기(Pilot generator)(130), 심벌 삽입기(Symbol Insertion)(140), IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)기(150), 및 GI(Guard Interval)삽입기(160)를 포함하여 구성된다. Referring to FIG. 1, a baseband transmitter includes a
전송하고자 하는 이진 데이터는 이진 데이터 생성기(110)로부터 생성되어, Data symbol Mapper(120)에서 변조(mapping/modulation)되며, 파일럿 심벌 생성기(130)에서는 송, 수신단간에 동일하게 알고 있는 파일럿 심벌이 생성된다. 매핑(Mapping)된 데이터 심벌과 파일럿 심벌은 심벌 삽입기(130)에서 부반송파에 할당된다. 이러한 신호는 IFFT(150)를 통해 시간 영역의 신호로 변환되고, 이 신호는 GI삽입기(160)을 거쳐서 최종적으로 전송되는 기저 대역 신호를 생성한다. Binary data to be transmitted is generated from the
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 통신 시스템의 프레임 구조를 설명하기 위한 도면이다. 2 is a diagram illustrating a frame structure of an OFDM communication system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, OFDM 프레임 구조는 프리엠블 심볼(210)과 데이터 심볼(220)로 구성되며, 각각의 OFDM 심볼은 개의 부반송파를 갖는다. 주파수 동기 및 타이밍 동기 그리고 채널 추정을 위해 이용되는 프리앰블(210)은 송신기 및 수신기가 미리 알고 있는 신호를 할당한다. 도면부호 230을 참조하면, 데이터 전송을 위한 데이터 심벌(220)은 먼저 파일럿 심벌을 동일 간격 의 파일럿 용 부반송파(240)에 할당한 후 나머지 모든 가용 부반송파들을 데이터 용 부반송파(250)로 이용한다. 도면부호 260을 참조하면, 데이터 심벌(220)에 할당되는 파일럿 심벌은 분산 파일럿이 적용된다. 2, the OFDM frame structure is composed of a
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수신기의 채널 추정 장치를 설명하기 위한 도면이다. 3 is a diagram illustrating a channel estimation apparatus of a receiver according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 수신기는 GI제거(Guard Interval Removal)기(310), FFT(Fast Fourier Transform)기(320), 파일럿추출(Pilot Symbol Extraction)기(330), 데이터추출기(340), 등화(Equalizer)기(350), 복조기(Data Symbol Demapper)(360), 변조기(Data Symbol Mapper)(370), 및 채널 추정기(Channel Estimator)(380)를 포함한다. Referring to FIG. 3, a receiver according to an embodiment of the present invention may include a guard interval removal (310) device, a fast fourier transform (FFT)
채널 추정기(380)는 LS채널추정(LS(Least Square) Estimation)기(410), 보간(Interpolation)기(420), 및 DFT기반채널추정기(DFT-based CFR Estimation)(430)를 포함한다. The
GI제거기(310)는 수신되는 OFDM 심볼의 가드 인터벌(Guard Interval)을 제거하여 출력한다. FFT(Fast Fourier Transform)기는 입력되는 시간 영역의 신호를 고속 푸리에 변환을 수행하여 주파수 영역의 신호로 출력한다. The
파일럿추출기(330)는 주파수 영역으로 변환된 신호에서 파일럿 심벌을 추출하여 채널 추정기(380)에 입력한다. The pilot extractor 330 extracts a pilot symbol from the signal converted into the frequency domain and inputs it to the
데이터추출기(340)는 주파수 영역으로 변환된 신호에서 데이터 심벌을 추출하여 등화기(350)에 입력한다. The
등화기(350)는 채널추정기의 채널 추정에 따라 입력되는 데이터 심벌을 등화하여 다중 경로 채널의 영향을 보상한다. The
복조기(360)는 입력되는 데이터 심벌을 변조방식에 따라 역사상(demapping) 및 복조(demodulation)하여 이진 데이터로 출력한다. 변조기(370)는 복조기에서 출력되는 이진 데이터를 변조방식에 따라 사상(mapping) 및 변조(modulation)하여 데이터 심벌을 생성하고, 이를 채널추정기(380)에 입력한다. 이러한 복조 및 변조 방식은 QPSK, QAM, 16-QAM 등이 될 수 있다. The
채널추정기(380)는 본 발명의 실시 예에 따라 채널을 추정하되, 이러한 채널 추정기의 채널 추정 방법은 2 단계로 이루어진다. 1단계는 기존의 방식과 동일하게 파일럿 부반송파 위치의 CFR 정보만을 이용하며, 2단계는 임시의 복조된 수신 신호를 이용하는 decision-directed 방식이 추가적으로 포함하게 된다. The
즉, 2 단계에서는 심볼디맵퍼 및 심볼맵퍼를 통해 데이터 심볼을 다시 채널 추정에 이용한다. That is, in
채널 추정기는 주파수 영역에서 LS 채널 추정 기법에 따라 채널을 추정하는 LS채널추정기(410), 채널 추정을 위한 샘플 신호의 값들을 보간하는 보간기(420), 및 시간 영역에서 채널을 추정하는 DFT기반채널추정기(430)를 포함한다. 이때, 보간기(420)는 선택적으로 구성될 수 있다. The channel estimator includes an
그러면, 보다 자세히 본 발명의 실시 예에 따른 채널 추정 방법에 대해서 설명하기로 한다. Next, a channel estimation method according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1에서 설명한 바와 같은 기저 대역 신호는 다중 경로 페이딩 채널을 통과하여 안테나(Antenna)를 통해 수신된다. 이와 같이, 수신기는 기저 대역 신호를 수신하면, 기저대역 신호의 GI를 제거하고, FFT를 통해 주파수 영역 신호를 얻는다. 이러한 주파수 영역의 신호는 다음의 <수학식 1>과 같이 나타낸다. The baseband signal as described in FIG. 1 is received through an antenna through a multipath fading channel. As such, when the receiver receives the baseband signal, the receiver removes the GI of the baseband signal and obtains a frequency domain signal through the FFT. The signal in this frequency domain is represented by
<수학식 1>에서 m, k는 각각 OFDM 심볼 번호와 부반송파 번호를 나타낸다. 여기서, Y(m,k)는 다중 경로 페이딩 채널을 통과하여 수신된 신호를 나타낸다. 이때, X(m,k)은 송신단에서 m번째로 생성된 주파수 영역의 OFDM 심볼이고, H(m,k)는 다중 경로 페이딩 채널의 주파수 응답 특성이며, W(m,k)은 평균이 zero이고 분산이 인 AWGN(Additive White Gaussian Noise)을 의미한다. In
여기서, 채널의 주파수 응답 H(m,k)과 시간 영역의 응답 h(m,k)은 다음의 <수학식 2>와 같이 나타낸다. Here, the frequency response H (m, k) of the channel and the response h (m, k) of the time domain are expressed by
<수학식 2>에서, 는 채널의 지연 경로 수, 는 번째 채널 경로의 지연 시간, 는 복소 채널 이득이다. In
상술한 바와 같은 수신 신호는 채널의 다중 경로 지연에 의한 주파수 선택적 페이딩 영향과 이동체 속도 증가에 따른 도플러 주파수에 영향을 받게 되며, 이러한 채널의 영향을 보상하기 위해 채널을 추정한다. The received signal as described above is affected by the frequency selective fading effect due to the multipath delay of the channel and the Doppler frequency due to the increase of the moving body speed, and the channel is estimated to compensate for the influence of the channel.
본 발명의 실시 예에 따른 채널 추정은 2 번에 걸쳐 수행되며, 제1 단계는 기준 심벌(파일럿 심벌)을 이용하여 채널을 추정하며, 제2 단계는 기준 심벌을 이 용하여 추정한 채널에 의해 임시 복원된 신호를 다시 채널 추정에 이용한다. According to an embodiment of the present invention, channel estimation is performed twice. The first step estimates a channel using a reference symbol (pilot symbol), and the second step temporarily modulates the channel by using a reference symbol. The reconstructed signal is used again for channel estimation.
먼저, 기준 심벌(파일럿 심벌)을 이용하여 채널을 추정한다. 기준 심벌(파일럿 심벌)을 이용한 채널 추정은 다음과 같이 수행된다. LS채널추정기를 통해 파일럿추출기(330)에서 분리된 파일럿 심벌을 이용하여 부반송파 위치에서 LS 추정 기법을 적용하여 초기 채널(CFR)을 추정한다. LS 추정 기법은 잡음의 통계적 특성을 고려하지 않고 수신된 심볼을 이미 아는 심볼, 즉 파일럿 심볼로 일대일로 나누어 추정한다. 이러한 LS 추정 기법은 다음의 <수학식 3>과 같이 나타낸다. First, a channel is estimated using a reference symbol (pilot symbol). Channel estimation using a reference symbol (pilot symbol) is performed as follows. The LS channel estimator estimates an initial channel (CFR) by applying an LS estimation technique at a subcarrier location using pilot symbols separated from the pilot extractor 330. The LS estimation technique estimates the received symbol by one-to-one dividing the received symbol into a known symbol, that is, a pilot symbol, without considering the statistical characteristics of the noise. This LS estimation technique is represented by
<수학식 3>에서 는 주파수 영역에서 분산 파일럿 심벌이 할당된 부반송파 위치를 나타내는 집합이다. In <
상술한 바와 같이, LS 추정 기법을 통해 채널을 추정한 후, DFT 기반의 채널 추정에 따른 채널을 수행한다. DFT 기반의 채널 추정 블록의 입력으로 초기 CFR은 파일럿 심벌 위치의 부반송파에 대한 채널 값뿐만 아니라, 보간기(420)를 통한 데이터 부반송파의 채널 추정 값을 선택적으로 포함할 수 있다. As described above, after estimating the channel through the LS estimation method, the channel is performed according to the channel estimation based on the DFT. As an input of the DFT-based channel estimation block, the initial CFR may optionally include not only the channel value of the subcarrier at the pilot symbol position but also the channel estimation value of the data subcarrier through the
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 DFT 기반의 채널 추정 기법을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a diagram illustrating a DFT-based channel estimation technique according to an embodiment of the present invention.
도 4에 DFT 기반의 채널 추정을 위한 기능 블록을 도시하였다. 도시한 바와 같이, DFT기반채널추정기는 IDFT기(411), CRI 추정기(Effective CIR Estimation)(413) 및 DFT기(411)를 포함한다. 4 shows a functional block for channel estimation based on DFT. As shown, the DFT-based channel estimator includes an
<수학식 3>에 따른 DFT기반의 채널 추정은 IDFT(411)를 통해 시간 영역의 신호로 변환하는 연산과정을 거쳐 CIR을 추정하며, CIR 추정기(420)는 추정된 CIR에서 유효한 성분만을 선택하고, 유효 CIR 값 이외의 성분에 대하여 잡음으로 간주하여 이를 강제로 영으로 대체한다. 이는 잡음의 영향을 제거하기 위한 것이다. 이를 주파수 영역에서 보면 추정한 채널 값을 스무딩(smoothing)하는 효과를 나타낸다. 유용한 CIR을 선택한 후, DFT기(413)를 통해 DFT 연산과정을 거쳐 채널의 영향을 보상하기 위한 최종적인 CFR을 구한다. DFT-based channel estimation according to Equation (3) estimates the CIR through an operation of transforming the signal into a time domain signal through the
m번째 OFDM 심볼이 송신 및 수신단에서 미리 알고 있는 신호인 프림앰블 신호일 때, LS 추정 기법으로 추정된 을 IDFT 시켜서 구한 CIR은 <수학식 4>와 같다. When the m-th OFDM symbol is a primamble signal, which is a signal previously known at the transmitting and receiving end, the LS estimation technique is estimated. The CIR obtained by IDFT is shown in
여기서 은 을 나타내고, 채널의 최대 지연 시간을 L이라 할 때, <수학식 2>와 같이 h(m,n)은 <수학식 5>와 같이 나타낼 수 있다. here silver When the maximum delay time of the channel is L, h (m, n) can be expressed as
따라서 <수학식 4> 및 <수학식 5>를 통하여 추정된 CIR은 유효 채널 추정 구간인 과 순수 잡음 구간인 으로 나눌 수 있고 <수학식 6>과 같이 표현된다. Therefore, the CIR estimated by
채널의 통계적인 지연 시간을 알고 있다는 이상적인 상황을 가정할 경우, 유효 CIR의 선택은 다음과 같이 <수학식 7> 및 <수학식 8>로 나타낼 수 있다.Assuming the ideal situation of knowing the statistical delay time of the channel, the selection of the effective CIR can be represented by Equations 7 and 8 as follows.
또한, 일정구간의 잡음의 분산값을 계산하여 PNR(Path-to Noise Ratio)를 고려한 임계값 설정에 따른 유효 CIR 선택 기법은 다음과 같이 <수학식 9>로 나타낼 수 있다. 임계값 의 설정에 따라서 채널 추정 성능이 상이하게 나타나는데 유효 채널 구간에서 MSE(Mean-Square Error)를 최소화하기 위한 것으로 잡음 전력의 두 배인 을 설정할 수 있다.In addition, the effective CIR selection method according to the threshold setting considering the path-to noise ratio (PNR) by calculating the variance of the noise of a certain period may be represented by Equation 9 as follows. Threshold The channel estimation performance is different depending on the setting of. It is to minimize Mean-Square Error (MSE) in the effective channel section. Can be set.
도 5는 추정된 CIR에서 유효 CIR을 선택하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 이는 <수학식 7> 내지 <수학식 9>를 도시한 예이다. 5 is a diagram for describing a method of selecting an effective CIR from an estimated CIR. This is an example of <Equation 7> to <Equation 9>.
위와 같이 유효 CIR 성분 즉, 채널의 다중 경로 성분만을 취하고 나머지 값에 대해서는 잡음으로 간주하여 강제로 영으로 대체함으로써 잡음에 대한 감쇄효과를 얻을 수 있다. As described above, the attenuation effect on the noise can be obtained by taking only the effective CIR component, that is, the multipath component of the channel, and forcing the remaining values to be zero for the remaining values.
하지만 이러한 방법은 채널의 지연 경로의 위치를 정확하게 알고 있거나, 혹은 채널의 최대 지연 위치를 알고 있다는 이상적인 상황을 가정함으로 현실적인 적용을 위하여 채널의 지연 특성을 추정하기 위한 별도의 추정기가 필요하다. However, this method assumes an ideal situation in which the position of the delay path of the channel is accurately known or the maximum delay position of the channel. Therefore, a separate estimator is needed to estimate the delay characteristics of the channel for practical application.
따라서 일반적인 경우, GI의 길이 가 채널의 최대 지연 시간 L보다 길게 설정되는 OFDM 시스템의 특성을 고려하여 <수학식 10>과 같이 GI길이만큼의 CIR을 유효 성분으로 선택하게 되며, DFT 연산후의 최종적인 CFR은 <수학식 11>과 같이 나타낸다.So in general case, the length of the GI In consideration of the characteristics of the OFDM system in which L is set to be longer than the maximum delay time L of the channel, the CIR as long as the GI length is selected as an active component as shown in
한편, 등화기(350)는 데이터추출기(340)에서 분리된 주파수 영역의 수신 데이터 신호를 다중 경로 채널의 영향을 보상한다. 이때, 등화기(350)는 앞서 설명한 바와 같은 채널 추정 과정을 거쳐 추정된 CFR을 이용하여 등화(equalize)함으로써 다중 경로 채널의 영향을 보상하게 된다. 채널의 영향이 보상된 신호는 복조기(360)에서 역사상 및 복조(demapping/demodulation)되어 이진 데이터로 복원된다. The
상술한 바와 같이, 복원된 이진 데이터는 변조기(370)에서 다시 사상 및 변조(mapping/modulation)되어 임시의 수신 신호()를 재생성하고, 데이터 부반송파의 주파수 채널 응답을 추정하기 위한 채널 추정기의 입력으로 사용된다. As described above, the recovered binary data is mapped and modulated again in the
그러면, 채널 추정기(380)는 임시의 수신 신호() 및 파일럿 심벌을 이용하여 다시 채널을 추정한다. 즉, 채널 추정기의 입력()은 다음의 <수학식 12>와 같이 파일럿 위치의 부반송파뿐만 아니라 데이터 위치의 부반송파 위치에서의 CFR을 포함한다. The
이때, <수학식 12>는 <수학식 3>과는 다르게 데이터 부반송파에 대한 CFR을 포함하고 있으며, 신뢰성 있는 임시의 수신 데이터를 이용함으로 이것은 보간법에 의하여 데이터 부반송파에 대한 CFR을 추정하는 것보다 채널 추정 오류를 현저하게 감소시킬 수 있으며, 이를 이용하여 DFT 기반의 채널 추정 알고리즘을 다시 적용할 경우 파일럿 부반송파 위치에서뿐 아니라 데이터 부반송파 위치에서도 잡음 감쇠 효과를 얻을 수 있다. 상술한 바와 같은, 입력을 통해 채널 추정기는 다시 채널을 추정하며, 추정된 채널 값을 통해, 데이터 심벌을 등화한 뒤, 하고, 복조하여 이진 데이터를 검출한다. Unlike
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 시스템에서 채널 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 6 is a diagram illustrating a channel estimation method in an OFDM system according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 수신기는 S601 단계에서 신호를 수신하면, S603 단계에서 파일럿 심벌을 통해 수신 신호의 채널을 추정한다. 즉, <수학식 3>과 같이 주파수 영역 파일럿 부반송파 위치의 채널 추정값만을 이용하여 <수학식 11>의 를 추정한다. 이때, 채널 추정은 시간 영역에서의 추정 및 주파수 영역에서의 추정이 이루어진다. 주파수 영역에서의 채널 추정은 LS 추정(Estimation) 기법에 따라 이루어지며, 시간 영역에서의 추정은 DFT 기반의 채널 추정 기법에 따라 이루어진다. 이때, 선택적으로 주파수 영역에서의 채널 추정 후, 보간을 수행할 수 있다. Referring to FIG. 6, when the receiver receives a signal in step S601, the receiver estimates a channel of the received signal through a pilot symbol in step S603. That is, as shown in
그런 다음, 수신기는 S605 단계에서 앞서(S603) 추정된 채널 값에 의해 채널에 의해 왜곡된 데이터 심벌을 보상한다. Then, the receiver compensates for the data symbols distorted by the channel by the previously estimated channel value in step S605.
이어서, 수신기는 S607 단계에서 데이터 심벌을 복조하고, S609 단계에서 복조한 데이터 심벌을 다시 변조하여 임시의 수신 신호(를 재생성한다. Subsequently, the receiver demodulates the data symbols in step S607, and modulates the data symbols demodulated in step S609 again to generate a temporary received signal ( Regenerate
수신기는 S611 단계에서 임시의 수신 신호( 및 파일럿 심벌을 이용 하여 최종적으로 채널을 추정한다. 이때, 채널 추정의 입력()은 <수학식 12>와 같이 파일럿 위치의 부반송파뿐만 아니라 데이터 위치의 부반송파 위치에서의 채널 추정 값(CFR)을 포함한다. The receiver receives a temporary reception signal ( Finally, the channel is estimated using the pilot symbols. At this time, input of channel estimation ( ) Includes the channel estimation value (CFR) at the subcarrier location of the data location as well as the subcarrier at the pilot location as shown in
그런 다음, 수신기는 S613 단계에서 최종 채널 추정에 의해 채널을 보상하고, S615 단계에서 보상된 채널에 따라 데이터 심벌을 복조한다. The receiver then compensates for the channel by the final channel estimate in step S613 and demodulates the data symbols according to the channel compensated in step S615.
이와 같이, <수학식 12>는 <수학식 3>과는 다르게 데이터 부반송파에 대한 채널 추정 값(CFR)을 포함하고 있으며, 신뢰성 있는 임시의 수신 데이터를 이용함으로 이것은 보간법에 의하여 데이터 부반송파에 대한 채널을 추정하는 것보다 채널 추정 오류를 현저하게 감소시킬 수 있으며, 이를 이용하여 DFT 기반의 채널 추정 알고리즘을 다시 적용할 경우 파일럿 부반송파 위치에서뿐 아니라 데이터 부반송파 위치에서도 잡음 감쇠 효과를 얻을 수 있다. As shown in
다음으로 본 발명의 실시 예에 따른 채널 추정 방법에 성능을 설명하기로 한다. 도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 채널 추정 방법의 성능을 설명하기 위한 도면이다. Next, the performance of the channel estimation method according to an embodiment of the present invention will be described. 7 to 9 are diagrams for explaining the performance of the channel estimation method according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서 제시하는 채널 추정 방법의 성능 검증을 위한 모의실험은 랜덤하게 변하는 다중 경로 페이딩 채널 환경에서 충분히 많은 반복 과정을 거쳐 통계적인 성능 수치를 기록함으로써 수행되었으며, 결과는 도 7 내지 도 9에 나타내었다. The simulation for verifying the performance of the channel estimation method presented in the present invention was performed by recording statistical performance values through a sufficient number of iterations in a randomly varying multipath fading channel environment, and the results are shown in FIGS. 7 to 9. It was.
주파수 동기 및 타이밍 동기를 위해 이용되는 프리앰블은 사용하지 않았으 며, 파일럿 사이의 간격이 =8로 할당된 데이터 심벌만을 사용하여 모의실험을 하였다. 실험에 적용된 채널 환경과 각각의 파라미터는 도에 포함하여 나타냈으며, 성능 평가를 위해 비교 대상으로 설정한 채널 추정 기법은 다음과 같다.The preamble used for frequency synchronization and timing synchronization is not used and the interval between pilots is We simulated using only data symbols assigned as = 8. The channel environment and each parameter applied to the experiment are shown in the figure, and the channel estimation method set as the comparison target for the performance evaluation is as follows.
① 2D (Dimensional) Linear Interpolation(종래의 Lagrange interpolation 기법 중 1차 선형 보간법으로 시간 축으로의 보간법이 주파수 축으로의 보간법보다 선행됨)① 2D (Dimensional) Linear Interpolation (1st linear interpolation among the conventional Lagrange interpolation techniques, interpolation to time axis precedes interpolation to frequency axis)
② Conventional Method (1) (보호 구간 GI 길이만큼의 CIR을 유효 성분으로 선택하는 종래의 DFT기반의 채널 추정 기법)② Conventional Method (1) (Conventional DFT-based Channel Estimation Method for Selecting CIR as Long as Guard Period GI as Active Component)
③ Conventional Method (2) (2D interpolation 기법을 적용하고, 보호 구간 GI 길이만큼의 CIR을 유효 성분으로 선택하는 종래의 DFT기반의 채널 추정 기법)③ Conventional Method (2) (a conventional DFT-based channel estimation technique that applies a 2D interpolation technique and selects a CIR equal to the guard interval GI length as an active component)
④ Conventional Method (3) (각각의 채널의 지연 성분을 알고 있다는 이상적인 경우를 가정하고, 그 성분만을 유효 CIR로 선택하는 종래의 DFT기반의 채널 추정 기법)Conventional Method (3) A conventional DFT-based channel estimation technique that assumes an ideal case of knowing the delay component of each channel and selects only that component as the effective CIR.
⑤ Proposed Method (1) (본 발명의 DFT기반의 decision directed 채널 추정 기법)⑤ Proposed Method (1) (DFT-based decision directed channel estimation technique of the present invention)
⑥ Proposed Method (2) (본 발명의 DFT기반의 decision directed 채널 추정 기법에서 1단계 DFT 기반의 채널 추정 시 시간(time) 축으로의 보간법만을 적용함)⑥ Proposed Method (2) (In the DFT-based decision directed channel estimation scheme, only the interpolation method is applied to the time axis when estimating the channel in the 1st step DFT)
도 7은 주파수 영역에서 본 발명에서 제안하는 방식의 데이터 부반송파별 MSE 성능을 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing MSE performance for each data subcarrier of the scheme proposed by the present invention in the frequency domain.
도 7에 나타난 바와 같이, "2D linear interpolation"의 경우 상대적으로 가 장 열악한 성능을 나타낸다. As shown in FIG. 7, "2D linear interpolation" shows relatively poor performance.
보호 구간 GI 길이만큼의 CIR을 유효 성분으로 선택하는 종래의 DFT 기반의 채널 추정 알고리즘인 "conventional method (1)"의 경우 "2D linear interpolation" 보다 우수한 성능을 보인다. The conventional DFT-based channel estimation algorithm, which selects the CIR by the guard interval GI length as an effective component, shows better performance than the "2D linear interpolation".
또한, 종래의 DFT 기반의 채널 추정 블록의 입력으로 파일럿 심벌 위치의 부반송파에 대한 채널 값뿐만 아니라 "2D linear interpolation"을 통한 데이터 부반송파의 채널 추정 값을 선택적으로 포함하는 "conventional method (2)"의 경우, 보간(interpolation)의 오류로 인한 영향으로 성능이 열화 되는 경향을 확인 할 수 있다. In addition, the input of the conventional DFT-based channel estimation block of the "conventional method (2)" that selectively includes the channel value of the sub-carrier of the pilot symbol position, as well as the channel estimation value of the data sub-carrier through "2D linear interpolation". In this case, we can see the tendency of performance deterioration due to the error of interpolation.
본 발명에서 제안하는 방식이 파일럿 부반송파의 CFR만을 사용하는 종래의 DFT기반의 채널 추정 알고리즘의 채널 추정 성능의 한계를 효과적으로 개선하여 전체 데이터 부반송파에 대한 CFR 추정의 정확성을 향상시킴을 확인할 수 있다. It can be seen that the proposed method improves the accuracy of the CFR estimation for the entire data subcarriers by effectively improving the limitation of the channel estimation performance of the conventional DFT-based channel estimation algorithm using only the CFR of the pilot subcarriers.
현실적인 유효 CIR 선택 기법을 적용함에도 불구하고, 각각의 채널의 지연 성분을 알고 있다는 이상적인 경우를 가정하고, 그 성분만을 유효 CIR로 선택하는 종래의 DFT기반의 채널 추정 기법인 "conventional method (3)"과도 가장 유사한 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. In spite of applying realistic effective CIR selection technique, it is assumed that the ideal case of knowing the delay component of each channel, and the conventional DFT-based channel estimation technique that selects only the component as the effective CIR "conventional method (3)" It can be seen that the transient performance is the most similar.
도 8은 본 발명에서 제안하는 방식의 MSE 성능을 Eb/No의 변화에 따라 비교한 그래프이다. 8 is a graph comparing the MSE performance of the scheme proposed by the present invention according to the change of Eb / No.
기존의 DFT기반의 채널 추정 알고리즘의 경우 "2D linear interpolation" 보다 우수한 성능을 나타낸다. The conventional DFT-based channel estimation algorithm shows better performance than "2D linear interpolation".
한편, 잡음 감쇄의 정도가 파일럿 부반송파의 잡음 감쇄 정도에 의존적임으로 이상적인 경우를 가정하는 "conventional method (3)"과 성능의 차이가 크게 나타남을 확인할 수 있다. On the other hand, since the degree of noise attenuation is dependent on the degree of noise attenuation of the pilot subcarriers, it can be seen that the difference between the performance and the "conventional method (3)" assuming an ideal case is large.
또한 "conventional method (2)"의 경우 낮은 SNR에서는 보간(interpolation)에 의한 잡음감쇄 효과의 영향으로 더 우수한 성능을 나타내지만 SNR이 증가할수록 잡음 감쇄 효과보다는 보간(interpolation)의 오류로 인한 영향으로 성능이 열화 되는 경향을 보인다. In addition, the "conventional method (2)" shows better performance at the low SNR due to the effect of interpolation noise reduction, but as the SNR increases, the performance is due to the error due to interpolation rather than the noise attenuation effect. This tends to deteriorate.
본 발명의 실시 예에 따른 채널 추정 방법은 Eb/No가 증함에 따라서 기존의 DFT 기반의 채널 추정 알고리즘보다 월등히 우수하며 Eb/No=30dB에서 약 의 MSE 성능으로 이상적인 경우를 가정하는 "conventional method(3)"과 근접한 성능을 나타낸다.As the Eb / No increases, the channel estimation method according to an embodiment of the present invention is much better than the conventional DFT-based channel estimation algorithm, and is weak at Eb / No = 30dB. The performance is close to the "conventional method (3)", which assumes the ideal case of MSE performance.
도 9는 본 발명에서 제안하는 방식의 Uncoded BER 성능을 Eb/No의 변화에 따라 비교한 그래프이다.9 is a graph comparing Uncoded BER performance of the method proposed by the present invention according to change of Eb / No.
도 9에서 제시한 IDEAL BER 성능은 채널의 영향을 이상적으로(ideal) 보상하였을 경우의 Uncoded BER 성능을 보여준다. 이 성능은 사용된 다중 경로 페이딩 채널에서의 가장 우수한 성능을 나타낸다. 또, Uncoded BER 성능으로 에서 사이의 성능의 향상을 목표한다. 각각의 Uncoded BER 성능은 Eb/No의 변화에 따른 MSE 성능과 유사한 경향을 나타내며, 특히 "2D linear interpolation"과 "conventional method (2)"의 경우 60km/h의 이동체 속도와 Eb/No=30dB 이하의 실험 환경에서 Uncoded BER 성능이 이하로 내려가지 않고 에러 풀로어(error floor) 현상이 나타남을 확인할 수 있다. The IDEAL BER performance shown in FIG. 9 shows the Uncoded BER performance when the effect of the channel is ideally compensated. This performance represents the best performance in the multipath fading channel used. In addition, with Uncoded BER performance in Aims to improve performance between. Each Uncoded BER performance tends to be similar to the MSE performance according to the change of Eb / No. In particular, in the case of "2D linear interpolation" and "conventional method (2)", the moving speed of 60km / h and the Eb / No = 30dB or less Performance of Uncoded BER in It can be seen that an error floor phenomenon appears without going below.
본 발명의 실시 예에 따른 채널 추정 알고리즘을 적용하였을 경우 다른 채널 추정 기법보다 우수한 성능을 보이며, IDEAL BER 성능과 매우 근접한 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. When the channel estimation algorithm according to the embodiment of the present invention is applied, it can be seen that the performance is superior to other channel estimation techniques, and the performance is very close to the IDEAL BER performance.
도 7 내지 도 9의 결과를 종합해 볼 때, 본 발명의 실시 예에 따른 채널 추정 알고리즘은 다중 경로 페이딩 채널의 주파수 선택적 페이딩 영향과 이동체 속도의 증가에 따른 도플러 편이가 심한 환경에서도 기존의 기법보다 우수한 성능을 발휘할 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히, 유효한 임펄스 응답의 길이를 결정하는 방법의 변화 없이 기존 DFT 기반의 채널 추정 알고리즘의 잡음 감쇄 효과를 최대화하여 채널 응답 추정의 정확성을 효과적으로 높일 수 있다. 7 to 9, the channel estimation algorithm according to an embodiment of the present invention is more effective than the conventional technique even in an environment where severe Doppler shift is caused by the frequency selective fading effect of the multipath fading channel and the increase of the moving body speed. It can be seen that excellent performance can be exhibited. In particular, it is possible to effectively increase the accuracy of the channel response estimation by maximizing the noise attenuation effect of the existing DFT-based channel estimation algorithm without changing the method of determining the effective impulse response length.
제2 실시예Second embodiment
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 MIMO-OFDMA 통신 시스템의 기저 대역 송신기 구조를 설명하기 위한 도면이다. 10 is a diagram for describing a structure of a baseband transmitter of a MIMO-OFDMA communication system according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명에서는 MIMO 시스템에서 다중 안테나를 통하여 여러 데이터 스트림을 동시에 전송하는 방법으로 캐패시티 이득(capacity gain)을 얻을 수 있는 SM(Spatial Multiplexing) 방식을 고려한다. The present invention considers a spatial multiplexing (SM) scheme that can obtain a capacity gain as a method of simultaneously transmitting multiple data streams through multiple antennas in a MIMO system.
도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 송신기는 이진 데이터 생성기(1110), 데이터 심볼 맵퍼(Data Symbol Mapper)(1120), 및 안테나 수에 대응하 는 M개의 송신부(1130)를 포함한다. 여기서, 각 송신부(1130)는 기준 심벌 생성기(1131), 심벌 삽입기(Data Symbol and Reference Symbol Insertion)(1132), IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)기(1133), 및 GI(Guard Interval)삽입기(1134)를 포함하여 구성된다. Referring to FIG. 10, a transmitter according to another embodiment of the present invention includes a binary data generator 1110, a data symbol mapper 1120, and M transmitters 1130 corresponding to the number of antennas. do. Here, each transmitter 1130 may include a reference symbol generator 1131, a data symbol and reference symbol insertion 1132, an inverse fast fourier transform (IFFT) 1333, and a guard interval (GI) inserter. 1134.
이진 데이터 생성기(1110)에서 생성된 이진 데이터는 데이터 심벌 맵퍼(1120)에서 사상 및 변조(mapping/modulation)되며, M개의 송신부(130)에서는 각각의 송신 안테나에 대하여 서로 다른 기준 심벌(reference symbol)이 기준 심벌 생성기(1131)에서 생성된다. Binary data generated by the binary data generator 1110 is mapped and modulated by the data symbol mapper 1120, and
각 데이터 심벌(data symbol)과 기준 심벌(reference symbol)은 심벌 삽입기(Data Symbol & Reference Symbol Insertion)(1132)에서 안테나별로 약속된 부반송파에 할당된다. 이러한 신호는 IFFT(1133)를 통과하여 시간 영역의 신호로 변환되고, 이 신호는 GI삽입기(1134)를 통해 GI가 삽입되어 최종적으로 전송되는 기저 대역 신호가 생성된다. Each data symbol and reference symbol are assigned to a subcarrier promised for each antenna in a symbol inserter 1132. This signal passes through the IFFT 1133 and is converted into a signal in the time domain, which generates a baseband signal through which the GI is inserted and finally transmitted through the GI inserter 1134.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 OFDMA 통신 시스템의 프레임 구조의 예를 설명하기 위한 도면이다. 11A and 11B illustrate an example of a frame structure of an OFDMA communication system according to another embodiment of the present invention.
도 11에, 프리엠블(preamble) 또는 훈련 시퀀스(traning sequence 또는 traning symbol)가 할당되지 않는 하향 링크 프레임의 예를 도시하였다. 여기서, 도면 부호 210은 1Tx-2Rx의 SIMO(Single-Input Multiple-Output) 시스템의 경우이며, 도면 부호 220은 2Tx-2Rx의 MIMO 시스템에 따른 하향 링크 프레임의 경우를 도시하였다. 이러한 하향링크 프레임 구조에서 K개의 부반송파를 갖는 OFDM 심 벌(symbol)내에 기준 심벌(reference symbol)(212, 222)은 주파수 영역에서 흩어진(staggered) 형태로 6개의 부반송파 단위로 각각의 송신 안테나에 따라서 서로 다른 부반송파에 할당되며, 각 슬롯(slot)의 첫 번째 OFDM 심벌(symbol)과 각 슬롯(slot)의 마지막에서 세 번째 OFDM 심벌에 위치한다. 11 shows an example of a downlink frame in which no preamble or a training sequence or a traning symbol is assigned. Here,
특히, 도면 부호 220과 같이, 다수의 송신 안테나를 고려할 경우에는 시간 축에서는 동일한 OFDM 심벌에 위치하나 주파수 축에서는 겹치지 않게 교차해서 배치되도록 널 심벌(null symbol)(221)이 할당되는 것이 특징이다. 기준 심벌 및 널 심벌이 할당된 후, 나머지 모든 가용 부반송파들을 데이터 용 부반송파(211)로 이용한다. In particular, as shown by
다음으로 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기저 대역 수신기의 구조를 설명하기로 한다. 도 12 내지 도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 수신기의 채널 및 간섭 추정 장치를 설명하기 위한 도면이다. Next, a structure of a baseband receiver according to another embodiment of the present invention will be described. 12 to 14 are diagrams for describing a channel and interference estimation apparatus of a receiver according to an embodiment of the present invention.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 수신기는 GI제거(Guard Interval Removal)기(미도시), FFT(Fast Fourier Transform)기(미도시), 기준심벌추출기(RS Extraction)기(810), 데이터심벌추출기(820), 간섭제거기(Asynchronous ICI Mitigation)(830), 검출기(840), LLR 계산기(LLR calculation)(850), 복호기(Turbo Decoder)(860), 채널추정기(CFR Estimator)(870) 및 간섭추정기(SCM Estimator)(880)를 포함한다. Referring to FIG. 12, a receiver according to an exemplary embodiment of the present invention may include a guard interval removal (GI) device (not shown), a fast fourier transform (FFT) device (not shown), and an RS symbol extraction device (810). ),
여기서, 채널추정기(870)는 LS채널추정(LS Estimation)기(910) 및 DFT기반채널추정기(DFT-based CFR Estimation)(885)를 포함한다. Here, the
GI제거기(미도시)는 수신되는 OFDM 심볼의 가드 인터벌(Guard Interval)을 제거하여 출력한다. FFT(Fast Fourier Transform)기(미도시)는 입력되는 시간 영역의 신호를 고속 푸리에 변환을 수행하여 주파수 영역의 신호로 출력한다. The GI eliminator (not shown) removes and outputs a guard interval of the received OFDM symbol. A Fast Fourier Transform (FFT) machine performs fast Fourier transform on the input time domain signal and outputs the signal in the frequency domain.
기준심벌추출기(RS Extraction)기(810)는 주파수 영역으로 변환된 신호에서 기준 심벌(reference symbol)을 추출하여 채널 추정기(870) 및 간섭 추정기(880)에 각각 입력한다. 데이터심벌추출기(820)는 주파수 영역으로 변환된 신호에서 데이터 심벌(data symbol)을 추출하여 간섭제거기(830)에 입력한다. The
간섭제거기(830)는 채널추정기(870)의 채널 추정에 따라 데이터 심벌의 채널을 보상하고, 간섭추정기(860)의 추정된 간섭(SCM)에 따라 데이터 심벌의 간섭(Asynchronous ICI Mitigation)을 제거하여 출력한다. The
검출기(840)는 채널 보상 및 간섭이 제거된 데이터 심벌을 검출한다. 이때, 데이터 심벌의 검출은 ML(Maximum Likelihood(ML) decision) 검출 기법에 따라 이루어진다. ML 검출 기법은 모든 송신 안테나에서 송신 가능한 심벌들을 모두 대입해서 최소 유클리디안 거리(Squared Euclidean Distance)를 가지는 입력을 선택하는 기법이다. 한편, 본 발명의 실시 예에서는 기법에 따라 데이터 심벌을 검출하는 것으로 설명하나, 이에 한정하는 것은 아니며, MMSE 등의 다른 검출 기법에 따라 데이터 심벌을 검출할 수 있다.
채널추정기(CFR Estimator)(870)는 먼저, 기준 심벌을 이용하여 채널을 추정한다. 또한, 검출기가 검출한 데이터 심벌 및 기준 심벌을 이용하여 재차 채널을 추정한다. 이러한 채널 추정기(870)는 주파수 영역에서 LS 채널 추정 기법에 따라 채널을 추정하는 LS채널추정기(911), 채널 추정을 위한 샘플 신호의 값들을 보간하는 보간기(913), 및 시간 영역에서 채널을 추정하는 DFT기반채널추정기(920)를 포함한다. 이때, 보간기(913)는 선택적으로 구성될 수 있다. The
간섭추정기(SCM Estimator)(880)는 먼저, 기준 심벌을 이용하여 간섭을 추정한다. 그런 다음, 검출기가 검출한 데이터 심벌 및 기준 심벌을 이용하여 재차 간섭을 추정한다. The
간섭추정기(880)는 임시 간섭(instantaneous SCM)을 추정하는 임시간섭추정기(930) 및 LPS 기법에 따라 간섭을 추정하는 LPS간섭추정기(940)를 포함한다. The
LLR 계산기(LLR calculation)(850)는 데이터 심벌의 LLR을 계산한다. An
복호기(Turbo Decoder)(860)는 계산된 LLR에 따라 데이터 심벌을 복호하여 이진 데이터를 출력한다. The
다음으로, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기저 대역 수신기 구조에서 채널추정기 및 간섭추정기에 대해서 보다 자세히 설명하기로 한다. Next, a channel estimator and an interference estimator in a baseband receiver structure according to another embodiment of the present invention will be described in detail.
M개의 송신 안테나와 N개의 수신 안테나를 고려할 때, asynchronous ICI 환경에서는 MICI개의 인접 셀 간섭들이 중첩되어 수신되며, 주파수 영역의 j번째 OFDM 심볼의 k번째 부반송파에 대하여 수신 신호는 <수학식 13>과 같이 표현된다. Considering M transmit antennas and N receive antennas, M ICI neighbor cell interferences are received overlapping in an asynchronous ICI environment, and the received signal is represented by Equation 13 for the k th subcarrier of the j th OFDM symbol in the frequency domain. It is expressed as
<수학식 13>에서, Yk,j는 수신 신호 벡터, Xk,j는 송신 신호 벡터, Hk,j는 송신 신호에 대한 채널 계수 행렬, Uk,j는 asynchronous ICI 신호 벡터, Gk,j는 asynchronous ICI 신호 벡터에 대한 채널 계수 행렬 및 Wk,j는 평균이 "0"이고 분산이 인 잡음 벡터를 각각 나타낸다. 여기서, Ik,j는 asynchronous ICI와 잡음의 합이다. In Equation 13, Y k, j is a reception signal vector, X k, j is a transmission signal vector, H k, j is a channel coefficient matrix for the transmission signal, and U k, j is an asynchronous ICI signal vector, G k , j is the channel coefficient matrix for the asynchronous ICI signal vector, and W k, j is the mean "0" and the variance Each represents a noise noise vector. Where I k, j is the sum of asynchronous ICI and noise.
이러한 <수학식 13>은 송수신 안테나를 고려하여 <수학식 14>와 같이 행렬식으로 표현할 수 있다. Equation 13 may be expressed in a matrix form as shown in Equation 14 in consideration of a transmission / reception antenna.
상술한 바와 같은 수신 신호 벡터(Yk,j )에서, 채널 추정기()는 Hk,j는 송신 신호에 대한 채널 계수 행렬에 대해 외곡된 채널을 보상하기 위해 채널을 추정하며, 간섭 추정기는 상술한 수신 신호 벡터에서 송신 신호 벡터(Xk,j), 송신 신호에 대한 채널 계수 행렬(Hk,j )을 제외한 나머지 간섭 성분을 추정하기 위한 것이다. From the received signal vector (Y k, j) as described above, the channel estimator () is H k, j are, and estimates the channel to compensate for the channel distort for the channel coefficient matrix for the transmission signal, the interference estimator described above In order to estimate the remaining interference components except for the transmission signal vector (X k, j ) and the channel coefficient matrix (H k, j ) for the transmission signal in one received signal vector.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 채널 추정기의 구조를 설명하기 위한 것이다. 13 is a view for explaining the structure of a channel estimator according to an embodiment of the present invention.
송신 안테나 별로 기준 심벌(reference symbol)의 중첩을 피하기 위하여 슬롯(slot)내에 널 심벌(null symbol)이 할당됨을 고려할 경우, MIMO 시스템에서도 SISO(Single Input Single Output) 시스템과 동일한 채널 추정 알고리즘의 적용이 가능하므로, 도 13에서 설명되는 채널 추정 방법은 SISO 시스템을 기본으로 한다.Considering that a null symbol is allocated in a slot to avoid overlapping of reference symbols for each transmit antenna, the same channel estimation algorithm as that of a single input single output (SISO) system is applied in a MIMO system. Therefore, the channel estimation method described in FIG. 13 is based on the SISO system.
인접 셀(Asynchronous IC)을 고려하지 않을 경우, 즉, <수학식 13>에서 인접 셀 간섭(asynchronous ICI) 신호 벡터(Uk,j) 및 인접 셀 간섭 신호 벡터에 대한 채널 계수 행렬(Gk,j)을 고려하지 않는 경우, SISO 시스템에서는 주파수 영역의 j번째 OFDM 심볼의 k번째 부반송파에 대한 수신 신호는 다음의 <수학식 15>와 같이 표현할 수 있다. If the adjacent cell (Asynchronous IC) is not taken into account, i.e., the channel coefficient matrix G k, for the asynchronous ICI signal vector U k, j and the neighbor cell interference signal vector in Equation 13 , When not considering j ), in the SISO system, the received signal for the k-th subcarrier of the j-th OFDM symbol in the frequency domain may be expressed as
<수학식 15>와 같은 수신 데이터 신호는 채널의 다중 경로 지연에 의한 주파수 선택적 페이딩 영향과 이동체 속도 증가에 따른 도플러 주파수에 영향을 받게 되며, 이러한 채널의 영향을 보상하기 위해 채널을 추정한다. The received data signal as shown in
본 발명의 실시 예에 따른 채널 추정기(870)는, 2 단계에 걸쳐 채널을 추정한다. 제1 단계에서 채널 추정기(870)는 기준 신호에 의해 채널을 추정한다. 이에 따라, 수신기는 추정된 채널에 따라 채널 보상을 수행하고, 간섭추정기(880)에 의해 추정된 간섭에 따라 간섭 성분을 제거한 후, 데이터 심벌을 검출한다. The
그러면, 제2 단계에서 채널 추정기(870)는 추정된 채널에 따라 채널 보상을 수행하고, 간섭추정기(880)에 의해 추정된 간섭에 따라 간섭 성분을 제거한 후, 검출된 데이터 심벌을 이용하여 다시 채널을 추정한다. Then, in the second step, the
이러한 채널추정기(870)는 LS 기법에 따라 채널을 추정하는 LS채널추정기(911), 채널 추정을 위한 샘플 신호의 값들을 보간하는 보간기(913), 및 시간 영역에서 채널을 추정하는 DFT기반채널추정기(920)를 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이, 보간기(913)는 선택적으로 구성될 수 있다. The
LS채널추정기(911)를 통해 주파수 영역에서의 채널 추정을 수행하는 LS 기법에 따라 채널을 추정한다. 이때, 상술한 제1 단계에서의 채널 추정은 기준 심벌만 이용하며, 제2 단계에서 채널 추정은 데이터 심벌을 더 이용한다. 그런 다음, 기준 심범들 사이의 데이터 심벌 구간에 대해 보간기(913)를 통해 보간을 수행한다. The
다음으로, 채널 추정기(870)는 DFT기반채널추정기(920)를 통해 시간 영역에서 채널을 추정한다. DFT기반채널추정기(920)는 IDFT기(921), CIR 추정기(923), 및 DFT기(925)를 포함한다. DFT기반채널추정기(920)의 동작은, 먼저, 기준 심벌(reference symbol)에 대한 LS 채널 추정값()을 이용하여 다음의 <수학식 16>과 같이 IDFT기(921)를 통해 시간 영역의 신호로 변환하여 CIR을 추정한다. Next, the
CIR 추정기(923)는 추정된 CIR에서 유효한 성분만을 선택하고, 유효 CIR 값 이외의 성분에 대하여 잡음으로 간주하여 이를 강제로 영으로 대체한다. 이는 잡음의 영향을 제거하기 위한 것이다. 이를 주파수 영역에서 보면 추정한 채널 값을 스무딩(smoothing)하는 효과를 나타낸다. The
이때, 유효 성분을 선택하는 것은, 다음의 <수학식 17>과 같이 보호 구간(GI) 길이만큼의 CIR을 유효 성분으로 선택하는 것이 바람직하다. At this time, to select the active ingredient, it is preferable to select the CIR as long as the guard interval (GI) length as the active ingredient, as shown in Equation 17 below.
유용한 CIR을 선택한 후, DFT기(925)를 통해 DFT 연산과정을 거쳐 채널의 영향을 보상하기 위한 최종적인 채널 추정 값(CFR)을 구한다. 이와 같이, 추정된 채널 추정 값은 간섭추정기(880) 및 등화기(830)로 입력된다. After selecting the useful CIR, the
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 간섭추정기를 설명하기 위한 도면이다. 14 is a diagram for describing an interference estimator according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명의 실시 예에 따른 간섭추정기(880)는 2 단계에 걸쳐 간섭을 추정한다. 제1 단계로, 채널추정기의 기준 심벌을 통해 추정한 채널 추정값 및 기준 심벌을 이용하여 상술한 수신 신호 벡터(Yk,j )에서 송신 신호 벡터(Xk,j), 송신 신호에 대한 채널 계수 행렬(Hk,j )을 제외시키고, 나머지 간섭 성분을 추정한다. 이러한 추정 간섭 값은 등화기(830)로 입력되어 간섭 성분을 제거하게 된다. 제2 단계로, 채널 보상 및 간섭 제거가 이루어진 수신 신호에서 검출기(840)를 통해 데이터 심벌이 검출되면, 채널추정기(870)는 기준 심벌에 데이터 심벌을 더 포함하여 채널을 추정하게 된다. 그러면, 간섭추정기(880)는 데이터 심벌을 더 포함하여 추정된 채널 추정 값 및 검출된 데이터 심벌을 이용하여 간섭을 추정하게 된다. 이러한 추정 간섭 값은 등화기(830)에 다시 입력되며, 등화기(830)는 이를 통해 최종적으로 간 섭 성분을 제거한다. An
이를 위한 간섭추정기(880)는 임시간섭추정기(930) 및 LPS간섭추정기(940)를 포함한다. 또한, LPS간섭추정기(940)는 분해기(941), LPS처리기(941), 복원기(945), 선형보간기(947)를 포함한다. The
<수학식 13>과 같은 수신 신호에 대해 이상적인 채널 추정이 가능하다고 가정하면, 인접 셀 간섭(asynchronous ICI)을 제거 및 완화하기 위한 간섭 추정(Spatial Covariance Matrix Estimation)은 인접 셀 간섭(asynchronous ICI)과 잡음의 합인 Ik,j에 대하여 다음의 <수학식 18>과 같이 j번째 OFDM 심볼 k번째 부반송파에 대한 SCM(Spatial Covariance Matrix)을 P개의 수신 OFDM 심벌에 대하여 평균하여 구한다.Assuming that ideal channel estimation is possible for a received signal such as Equation (13), the spatial covariance matrix estimation to remove and mitigate asynchronous ICI is performed with the asynchronous ICI. With respect to I k, j , which is the sum of noise, the spatial covariance matrix (SCM) for the k-th subcarrier of the j-th OFDM symbol is obtained by averaging P received OFDM symbols as shown in
이동성을 고려한 다중 경로 채널의 경우, <수학식 18>와 같이 평균을 적용하는 과정에서 매 OFDM symbol에 대하여 변화하는 SCM의 특성을 상실하게 됨으로, 인접 설 간섭에 대한 제거 및 완화 성능이 열화되게 된다. In the case of the multipath channel considering mobility, the characteristics of the SCM varying with respect to each OFDM symbol in the process of applying the average as shown in
특히, 프리엠블(preamble), 훈련 심벌(training sequence) 등이 할당되지 않는 기준 심벌(reference symbol)의 할당 구조를 고려할 경우, 모든 유효 부반송파 범위 내에서 <수학식 18>과 같은 SCM추정이 불가능하며, 따라서 <수학식 19> 또는 <수학식 20>과 같이 계산된 임시 간섭 추정(instantaneous SCM)을 이용하여 모든 유효 부반송파에 대한 SCM 추정이 필요하다. In particular, considering the structure of the assignment of reference symbols to which preambles, training sequences, etc. are not assigned, it is impossible to estimate the SCM as shown in
임시간섭추정기(930)는 <수학식 19> 또는 <수학식 20>과 같이 간섭을 추정한다. The
여기서, <수학식 19>은 제1 단계의 기준 심벌 및 초기 채널 추정 값을 이용한 간섭 추정에 적용되며, <수학식 20>은 제2 단계의 채널 추정 값, 기준 심벌 및 검출한 데이터 심벌을 이용한 간섭 추정에 사용된다.
LPS처리기(943)는 LPS 기법을 통해 <수학식 19> 또는 <수학식 20> 같이 임시 추정한 간섭 값에 대하여 시간과 주파수 영역의 변환과 비상관(uncorrelated) 성분의 잡음의 영향을 제거한다. 이로써, 유효 부반송파에 대한 간섭 추정 시 보간(interpolation)과 잡음 감쇠 효과를 동시에 얻을 수 있다. 이러한 LPS 기법에 따른 간섭 추정 방법은 다음의 <수학식 21>과 같다. The
여기서,, m=n=1,2,···N이며, F는 K×K FFT 행렬, L은 추정된 임시 간섭(instantaneous SCM)의 시간 영역 성분에 대한 유효 성분을 검출하기 위해 설정된 것으로 보호 구간(GI, Guard Interval)의 길이와 동일하다. 이는 채널의 다중 경로 지연의 영향으로 인한 OFDM 심벌간 간섭을 방지하기 위해 삽입되는 보호 구간이 채널의 최대 지연 길이보다 길게 설정되어 있는 OFDM 시스템을 고려한 것이다. here, , m = n = 1,2, ... N, where F is a K × K FFT matrix, and L is set to detect an effective component for the time domain component of the estimated instantaneous SCM. GI, Guard Interval). This takes into account an OFDM system in which a guard interval to be inserted is set longer than a maximum delay length of a channel to prevent interference between OFDM symbols due to the multipath delay of the channel.
하지만, <수학식 19> 또는 <수학식 20>과 같이 추정된 임시 간섭 값(instantaneous SCM,)의 각각의 원소에 대하여 독립적으로 LPS 방식을 적용하게 되면, SCM의 허미션(Hermitian)과 positive definite 특성이 파괴되기 때문에 간섭 제거(interference mitigation) 성능의 열화를 가져온다. 이러한 성능의 열화를 방지하기 위하여 LPS 기법을 적용하기 이전에 instantaneous SCM에 대한 분해(decomposition) 과정이 필요하며, 따라서 분해기(941)는 "Cholesky Decomposition"기법에 따라 분해한다. 이는 2Tx-2Rx MIMO 시스템의에 대하여 다음의 <수학식 22>와 같이 분해한다. However, the estimated temporary interference values (i.e., instantaneous SCM, Independently applying the LPS method to each element of) results in the degradation of interference mitigation performance since the Hermitian and positive definite properties of SCM are destroyed. In order to prevent such deterioration of performance, a decomposition process for instantaneous SCM is required before the LPS technique is applied. Therefore, the
그런 다음, LPS처리기(943)는 분해된 U 행렬(square-root of matix)에 대하여 각 원소 별 LPS 기법을 적용한다. The
복원기(945)는 LPS 기법이 적용된 신호()를 복원하여 간섭 추정 값(SCM)을 재생성한다. The
재생성된 간섭 추정 값은 선형보간기(947)로 입력되며, 선형보간기(947)는 간섭 추정 값의 시간 영역에서 심벌을 보간한다. The regenerated interference estimate is input to a
다음으로 본 발명의 실시 예에 따른 채널 및 간섭 추정 방법에 대해서 설명하기로 한다. Next, a channel and interference estimation method according to an embodiment of the present invention will be described.
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 채널 및 간섭 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 15 illustrates a channel and interference estimation method according to another embodiment of the present invention.
도 15를 참조하면, 수신기는 S1501 단계에서 기준 심벌을 이용하여 채널을 초기 추정한다. 이때, 초기의 채널 추정은 LS 추정 기법 및 DFT 기반 채널 추정 기 법을 순차로 적용하여 채널을 추정함으로써, 초기 채널 추정 값(CFR,)을 도출한다. Referring to FIG. 15, the receiver initially estimates a channel using a reference symbol in step S1501. In this case, the initial channel estimation is performed by estimating a channel by applying LS estimation and DFT-based channel estimation in order, thereby initial channel estimation value (CFR, ).
다음으로, 수신기는 S1503 단계에서 기준 심벌을 이용하여 간섭을 초기 추정한다. Next, the receiver initially estimates the interference using the reference symbol in step S1503.
이때, 초기 간섭 추정은 상술한 초기 채널 추정에 따른 채널 추정 값(CFR,)을 이용하여, 임시 간섭 추정(instantaneous SCM)을 수행한다. 이어서, 수신기는 다음의 <수학식 11>과 같이 LPC 기법에 따라 간섭을 추정하여 초기 추정 간섭 값(SCM,)을 도출한다. In this case, the initial interference estimation is a channel estimation value (CFR, according to the initial channel estimation described above). ), To perform an instantaneous interference estimation (Instantaneous SCM). Subsequently, the receiver estimates the interference according to the LPC method as shown in Equation 11 below to determine the initial estimated interference value (SCM, ).
이어서, 수신기는 S1505 단계에서 앞서(1501 및 1503 단계) 기준 심벌만을 이용하여 추정한 초기 채널 추정 값(CFR,) 및 초기 추정 간섭 값(SCM,)을 이용하여 수신 신호로부터 임시의 데이터 심벌을 검출한다. 이러한 검출이 ML 기법에 따라 이루어지는 경우, 검출된 데이터 심벌은 다음의 <수학식 23>과 같다. Subsequently, in step S1505, the receiver estimates an initial channel estimate value (CFR, ) And initial estimated interference values (SCM, ) Detects a temporary data symbol from the received signal. When the detection is performed according to the ML technique, the detected data symbol is expressed by Equation 23 below.
이어서, 수신기는 S1507 단계에서 검출된 임시 데이터 심벌()을 이용하여 최종적으로 채널을 추정한다. 이러한 최종의 채널 추정을 위하여, 먼저, 수신기는 ML 기법을 사용하여 다음의 <수학식 24>에 따라 채널을 추정한다. Subsequently, the receiver detects the temporary data symbol detected in step S1507. ) To finally estimate the channel. For this final channel estimation, first, the receiver estimates the channel according to the following Equation 24 using the ML technique.
그런 다음, 수신기는 ML 기법에 따라 추정한 추정 채널 값()에 대하여 DFT기반의 채널 추정 기법을 적용하여 채널을 추정한다. 즉, 최종 채널 추정 값(CFR,)을 도출한다. The receiver then estimates the estimated channel value ( We estimate the channel by applying DFT-based channel estimation technique. That is, the final channel estimate (CFR, ).
다음으로, 수신기는 S1509 최종 채널 추정 값(CFR,)과 임시 데이터 심벌()을 이용하여 최종 간섭 추정을 수행한다. 최종 간섭 추정 값을 산출하기 위하여 먼저, 수신기는 임시 간섭 추정(instantaneous SCM)을 수행한다. 이러한 임시 간섭 추정은 다음의 <수학식 25>에 따라 이루어진다. Next, the receiver determines the S1509 final channel estimate (CFR, ) And temporary data symbols ( ) Performs the final interference estimation. In order to calculate the final interference estimate, the receiver first performs an instantaneous interference estimate (Instantaneous SCM). Such temporary interference estimation is performed according to
그런 다음, 수신기는 임시 간섭 추정된 임시 간섭 추정 값()에 대하여 LPS 기반의 간섭 추정 기법을 재차 적용하여 최종적으로 간섭을 추정한다. 즉, 최종 간섭 추정 값(SCM)을 도출한다. The receiver then determines the temporary interference estimated temporary interference estimate ( LPS-based interference estimation method is applied again to finally estimate the interference. That is, the final interference estimate value (SCM ).
그런 다음, 수신기는 S1511 단계에서 최종 간섭 추정 값(SCM)과 최종 채널 추정 값(CFR,)에 따라 채널 보상 및 간섭 제거를 수행하여, S1513 단계에서 데이터 심벌을 복조하여 이진 데이터를 검출한다. Then, the receiver determines the final interference estimate value (SCM) in step S1511. ) And final channel estimates (CFR, Channel compensation and interference cancellation are performed to detect binary data by demodulating the data symbols in step S1513.
위와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 검출된 임시 데이터 심벌을 이용하여 채널 추정 및 간섭 추정을 재차 수행할 때, 유효 부반송파에 대해 채널 추정 및 간섭 추정을 할 수 있으므로, 기존 방식보다 더 많은 간섭 및 잡음 감쇄 효과를 얻을 수 있다. 또한 데이터 심벌 위치에서 순간적으로 증가하는 "interference plus noise"의 전력을 기존의 간섭 추정 방식보다 보다 근사적으로 추정 가능함으로써 간섭 추정 성능의 향상을 얻을 수 있다. As described above, when channel estimation and interference estimation are performed again using the detected temporary data symbols, the channel estimation and the interference estimation may be performed on the effective subcarriers. Noise reduction effect can be obtained. In addition, the interference estimation performance can be improved by estimating the power of "interference plus noise" that increases momentarily at the data symbol position more closely than the conventional interference estimation method.
다음으로 본 발명의 제2 실시 예에 따른 성능을 설명하기로 한다. 도 16 내지 도 21은 본 발명의 채널 및 간섭 추정 방법의 성능을 설명하기 위한 도면이다. Next, the performance according to the second embodiment of the present invention will be described. 16 to 21 are diagrams for explaining the performance of the channel and interference estimation method of the present invention.
본 발명에서 제시하는 알고리즘의 성능 검증을 위한 모의실험은 3GPP LTE MIMO-OFDMA 표준 규격을 기반으로 랜덤하게 변하는 다중 경로 페이딩 채널 환경에서 충분히 많은 반복 과정을 거쳐 통계적인 BER(bit error rate) 성능의 수치를 기록함으로써 수행하였다. 16QAM 변조 기법과 Cost 207 TU(Typical Urban) 채널 환경에서 60km/h, 120km/h의 이동체 속도를 고려하였으며, 실험에 적용된 각각의 파라미터는 각 도면(도 16 내지 도 21)에 포함하여 표시하였다. 성능 평가를 위해 coded rate 1/3, 내·외부 인터리버(interleaver)는 각각 "mother interleaver"와 "1st block interleaver"로 구성된 터보 코드(turbo code)를 사용하였으며, 8번의 반복(iteration) 과정을 수행하는 "Max-log Map turbo decoder"를 적용하였다. The simulation for verifying the performance of the algorithms presented in the present invention is based on the 3GPP LTE MIMO-OFDMA standard. This was done by recording. In the 16QAM modulation scheme and the
비교 대상으로 설정한 각각의 기법은 다음과 같다.Each technique set for comparison is as follows.
① 1D(Dimensional) Interpolation (종래의 Lagrange interpolation 기법 중 1차 선형 보간법으로 주파수 축 보간법 이후 다음 reference symbol 이전의 데이터 OFDM 심볼에 대하여 추정된 동일한 CFR 및 SCM을 적용함)1D (Dimensional) Interpolation (Applying the same CFR and SCM estimated for the data OFDM symbol before the next reference symbol after the frequency axis interpolation with the first linear interpolation method in the conventional Lagrange interpolation method)
② 2D Interpolation (Freq.-Time) (종래의 Lagrange interpolation 기법 중 1차 선형 보간법으로 주파수축 보간법이 시간 축으로의 보간법보다 선행됨)② 2D Interpolation (Freq.-Time) (First-order linear interpolation among conventional Lagrange interpolation techniques, frequency axis interpolation precedes interpolation to time axis)
③ 2D Interpolation (Time-Freq.) (종래의 Lagrange interpolation 기법 중 1차 선형 보간법으로 시간 축 보간법이 주파수 축으로의 보간법보다 선행됨) ③ 2D Interpolation (Time-Freq.) (First-order linear interpolation among the conventional Lagrange interpolation techniques, time axis interpolation precedes interpolation to frequency axis)
④ DFT-based (GI 길이만큼의 CIR을 유효 성분으로 선택하는 종래의 DFT기반의 CFR 추정 기법)④ DFT-based (conventional DFT-based CFR estimation technique that selects CIR by the GI length as an active ingredient)
⑤ LPS (GI 길이만큼의 시간영역 SCM을 유효 성분으로 선택하는 종래의 LPS기반의 SCM 추정 기법)⑤ LPS (a conventional LPS-based SCM estimation technique that selects a time domain SCM as an active component as long as the GI length)
⑥ ML-based iterative (본 발명의 ML decision 이후 임시로 추정된 수신 신호를 이용하는 기법)⑥ ML-based iterative (a technique using temporarily estimated received signal after ML decision of the present invention)
도 16은 간섭 및 잡음에 대한 SCM을 이상적으로 알고 있다고 가정할 경우, 본 발명에서 제안하는 CFR 추정 기법에 대한 BER 성능을 나타낸 그래프이다. FIG. 16 is a graph showing BER performance for the CFR estimation scheme proposed in the present invention, assuming that the SCM for interference and noise is ideally known.
도 16에서 1Tx-2Rx의 SIMO-OFDMA 시스템에서 다양한 채널 추정 기법간의 성능 평가를 위해서 SCM은 수신기에서 완벽하게 추정 가능함을 가정하였고, 간섭 신호의 전력의 변화에 따라서 비교 분석한 결과를 나타내었다. In FIG. 16, it is assumed that the SCM can be perfectly estimated at the receiver in order to evaluate the performance of various channel estimation schemes in the 1Tx-2Rx SIMO-OFDMA system.
선형 보간(linear interpolation) 기반의 CFR 추정의 경우 120km/h 이하의 이동체 환경에서는 채널의 변화가 시간에 따라 상대적으로 둔감함으로 시간(time) 축 보간(interpolation)이 선행되었을 때 다른 선형 보간(linear interpolation) 기법보다 우수한 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. 하지만, 인접 셀 간섭으로 인한 오류가 증가되기 때문에 이상적인 CFR 추정을 가정한 아이디얼(ideal) 성능보다 현저하게 열화되며, 안정적인 시스템 성능을 유지할 수 없다. In the case of CFR estimation based on linear interpolation, the change of channel is relatively insignificant with time in mobile environment of 120km / h or less, so that other linear interpolation is preceded by time axis interpolation. The performance is better than that of the However, since error due to neighboring cell interference increases, it is significantly degraded than ideal performance assuming ideal CFR estimation, and stable system performance cannot be maintained.
인접 셀 간섭(Asynchronous ICI)의 영향으로 인한 오류에 보다 강인한 일반적인 DFT 기반의 채널 추정 알고리즘의 경우 선형 보간(linear interpolation) 기반의 채널 추정 기법보다 월등히 우수한 성능을 보이지만, 여전히 BER=10-5에서 아이디얼(ideal) 성능 대비 약 3dB 이상의 성능 차이를 나타낸다. The general DFT-based channel estimation algorithm, which is more robust to errors due to the effects of adjacent cell interference (Asynchronous ICI), outperforms the linear interpolation-based channel estimation scheme, but is still ideal at BER = 10 -5 . (ideal) The difference in performance is about 3dB or more.
이에 반해, 본 발명의 실시 예에 따른 방식은 간섭 신호의 전력이 증가함에 따라 아이디얼(ideal) 성능과 거의 유사함을 확인 할 수 있다. 이는 기준 심벌(reference symbol) 부반송파 위치에서 추정된 초기 CFR만을 사용하는 종래의 DFT기반의 채널 추정 알고리즘의 채널 추정 성능의 한계를 효과적으로 개선하여 CFR 추정의 정확도 향상에 기인하는 것으로, 인접 셀 간섭(asynchronous ICI) 환경에서 아이디얼(ideal) 성능에 근접할 수 있는 최적의 CFR 추정 방법으로 고려된다.On the contrary, it can be seen that the scheme according to the embodiment of the present invention is almost similar to the ideal performance as the power of the interference signal increases. This is due to the improvement of the accuracy of the CFR estimation by effectively improving the limit of the channel estimation performance of the conventional DFT-based channel estimation algorithm using only the initial CFR estimated at the reference symbol subcarrier location. It is considered as an optimal CFR estimation method that can approach ideal performance in ICI) environment.
도 17은 수신 신호에 대한 CFR을 이상적으로 알고 있다고 가정할 경우, 본 발명에서 제안하는 SCM 추정 기법에 대한 BER 성능을 나타낸 그래프이다. 도 17에서는 도 16에서와 유사하게 1Tx-2Rx의 SIMO-OFDMA 시스템에서 다양한 SCM 추정 기법간의 성능 평가를 위해서 수신 신호의 CFR은 수신기에서 완벽하게 추정 가능함을 가정하였고, 간섭 신호의 전력의 변화에 따라서 비교 분석한 결과를 나타내었다. FIG. 17 is a graph showing BER performance for the SCM estimation scheme proposed in the present invention, assuming that the CFR for the received signal is ideally known. In FIG. 17, similarly to FIG. 16, it is assumed that the CFR of a received signal can be perfectly estimated at a receiver for performance evaluation between various SCM estimation schemes in a 1Tx-2Rx SIMO-OFDMA system, and according to a change in power of an interference signal. The results of the comparative analysis are shown.
선형 보간(linear interpolation) 기반의 SCM 추정 및 LPS기반의 SCM 추정 기법의 경우 기준 심벌(reference symbol) 사이의 데이터 부반송파 위치에서 인접 셀 간섭으로 인해 순간적으로 증가하는 asynchronous ICI와 잡음의 전력을 정확하게 추정할 수 없기 때문에 전체적으로 열악한 성능을 나타내다. 또한, SIR이 증가함에도 불구하고 BER=10-5이상에서 에러 풀로어(error floor) 현상이 발생함을 확인할 수 있다. 이러한 현상은, 선형 보간(linear interpolation) 기법의 경우, 유효 부반송파 범위 내에서 부반송파 위치에 따라 서로 다른 값을 갖는 SCM 추정 시 순간적으로 증가하는 SCM으로 인하여 추정 오류가 증가하기 때문이다. Linear interpolation-based SCM estimation and LPS-based SCM estimation technique can accurately estimate the power of asynchronous ICI and noise that are instantaneously increased due to adjacent cell interference at the data subcarrier location between reference symbols. As a result, overall performance is poor. In addition, even though the SIR is increased, it can be seen that an error floor occurs in BER = 10 −5 or more. This phenomenon is because, in the case of linear interpolation, an estimation error increases due to an instantaneous increase in SCM when estimating an SCM having different values according to subcarrier positions within an effective subcarrier range.
또한, LPS 기법의 경우 기준 심벌(reference symbol) 위치에서 추정되는 임시 간섭 추정(instantaneous SCM)만을 이용하는 제한으로 인해 성능의 한계를 나타내기 때문이다. In addition, the LPS technique exhibits a limitation in performance due to the limitation of using only the instantaneous SCM estimated at the reference symbol position.
이에 반해 본 발명의 실시 예에 따른 방식은 검출된 임시의 수신 심벌을 이용하여 모든 유효 부반송파에 대한 SCM 정보를 사용함으로써, 기존 LPS 방식의 한계를 극복하여 보다 효과적인 잡음 감쇠 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 방식은 기존의 SCM 추정 방식보다 우수한 성능을 보이는 것을 확인 할 수 있다. 게다가 본 발명의 실시 예에 따른 방식은 SIR의 증가에 따라 에러 풀로어(error floor) 현상 없이 아이디얼(ideal) 성능에 점점 유사해 지는 경향을 나타낸다. In contrast, the method according to the embodiment of the present invention uses the SCM information for all valid subcarriers using the detected temporary received symbols, thereby overcoming the limitations of the existing LPS scheme, thereby obtaining a more effective noise attenuation effect. In addition, it can be seen that the method according to the embodiment of the present invention shows better performance than the conventional SCM estimation method. In addition, the method according to an embodiment of the present invention shows a tendency to become closer to ideal performance without an error floor phenomenon as the SIR increases.
도 18 내지 도 21은 본 발명에서 제안하는 CFR 및 SCM 추정 알고리즘을 연동 한 수신기 구조의 BER 성능을 비교한 그래프이다. 18 to 21 are graphs comparing the BER performance of a receiver structure in which the CFR and SCM estimation algorithms proposed by the present invention are linked.
도 18 및 도 19는 1Tx-2Rx의 SIMO-OFDMA 시스템을, 도 20과 도 21은 2Tx-2Rx의 MIMO-OFDMA 시스템을 고려하였다. 18 and 19 consider a SIMO-OFDMA system of 1Tx-2Rx, and FIGS. 20 and 21 consider a MIMO-OFDMA system of 2Tx-2Rx.
도 18 내지 도 21에서 개시된 Lower-bound는 이상적인 채널 추정(ideal CFR 추정)을 가정하고, 본 발명에서 제안하는 간섭 추정 기법을 적용했을 경우를 나타낸다. 이는 실제 이상적이지 않은 환경에서 간섭 추정을 수행할 경우와 비교하여 채널 추정 오류로 인한 제안된 추정 알고리즘의 성능 열화 정도의 척도로 사용할 수 있다. The lower-bound disclosed in FIGS. 18 to 21 assumes ideal channel estimation (ideal CFR estimation), and illustrates the case in which the interference estimation technique proposed by the present invention is applied. This can be used as a measure of the degree of performance degradation of the proposed estimation algorithm due to channel estimation error, compared to the case of performing interference estimation in a non-ideal environment.
성능 평가 결과에서 볼 수 있듯이, DFT 기반의 CFR 추정과 LPS 기반의 SCM 추정을 적용한 기존의 방식에 비하여, 본 발명의 실시 예에 따라 데이터 심벌에 대한 CFR 및 SCM 정보를 이용하는 방법은 더 많은 간섭 및 잡음의 감쇄 효과로 인한 CFR 및 SCM 추정의 정확성 향상으로 우수한 성능을 나타낸다. As can be seen from the performance evaluation results, the method of using CFR and SCM information for data symbols according to an embodiment of the present invention is more interference and compared to the conventional method using DFT-based CFR estimation and LPS-based SCM estimation. Excellent performance is achieved by improving the accuracy of CFR and SCM estimation due to the noise attenuation effect.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 현실적인 CFR 추정을 고려할 경우에도 에러 풀로우(error floor) 현상 없이 모든 환경에서 로워 바운드(lower bound) 성능에 약 1dB내로 근접하는 안정적인 성능을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, even when considering realistic CFR estimation, it is confirmed that a stable performance of approx. 1 dB to a lower bound performance can be obtained in all environments without an error floor phenomenon. Can be.
상술한 바와 같은 결과를 종합하면, 본 발명의 실시 예에 따른 방법은 인접 셀 간섭(asynchronous ICI) 환경과 다중 경로 페이딩 채널의 주파수 선택적 페이딩 영향과 이동체 속도의 증가에 따른 도플러 편이가 심한 환경에서도 기존의 기법보다 우수한 성능을 발휘할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 데이터 심벌을 이용하여 채널 추정 및 간섭 추정을 함으로써, 채널 및 간섭 추정의 정확성을 높여 안정 적인 수신기 성능을 보장할 수 있다. In summary, the method according to the embodiment of the present invention is existing even in an environment of severe Doppler shift due to the frequency selective fading effect of the adjacent cell interference (asynchronous ICI) environment and the multipath fading channel and the increase of the moving speed. It can be seen that better performance than the technique. In addition, by performing channel estimation and interference estimation using data symbols, it is possible to ensure stable receiver performance by increasing accuracy of channel and interference estimation.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다. While the present invention has been described with reference to several preferred embodiments, these embodiments are illustrative and not restrictive. As such, those of ordinary skill in the art will appreciate that various changes and modifications can be made according to equivalents without departing from the spirit of the present invention and the scope of rights set forth in the appended claims.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 통신 시스템의 기저 대역 송신기 구조를 설명하기 위한 도면. 1 is a diagram illustrating a baseband transmitter structure of an OFDM communication system according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 통신 시스템의 프레임 구조를 설명하기 위한 도면. 2 is a diagram illustrating a frame structure of an OFDM communication system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수신기의 채널 추정 장치를 설명하기 위한 도면. 3 is a view for explaining a channel estimation apparatus of a receiver according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 DFT 기반의 채널 추정 기법을 설명하기 위한 도면. 4 illustrates a DFT-based channel estimation technique according to an embodiment of the present invention.
도 5는 추정된 CIR에서 유효 CIR을 선택하는 방법을 설명하기 위한 도면. 5 is a diagram for explaining a method of selecting an effective CIR from an estimated CIR.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 시스템에서 채널 추정 방법을 설명하기 위한 도면. 6 is a view for explaining a channel estimation method in an OFDM system according to an embodiment of the present invention.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 채널 추정 방법의 성능을 설명하기 위한 도면. 7 to 9 are diagrams for explaining the performance of the channel estimation method according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 MIMO-OFDMA 통신 시스템의 기저 대역 송신기 구조를 설명하기 위한 도면. 10 is a view for explaining the structure of the baseband transmitter of the MIMO-OFDMA communication system according to an embodiment of the present invention.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 OFDMA 통신 시스템의 프레임 구조의 예를 설명하기 위한 도면. 11A and 11B are diagrams for explaining an example of a frame structure of an OFDMA communication system according to another embodiment of the present invention.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 수신기의 채널 및 간섭 추정 장치를 설명하기 위한 도면. 12 to 14 are diagrams for explaining a channel and interference estimation apparatus of a receiver according to an embodiment of the present invention.
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 채널 및 간섭 추정 방법을 설명하기 위한 도면. 15 illustrates a channel and interference estimation method according to another embodiment of the present invention.
도 16 내지 도 21은 본 발명의 채널 및 간섭 추정 방법의 성능을 설명하기 위한 도면. 16 to 21 are diagrams for explaining the performance of the channel and interference estimation method of the present invention.
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KR101313862B1 (en) * | 2013-05-28 | 2013-09-30 | 지씨티 세미컨덕터 인코포레이티드 | Apparatus for interference cancellation in mimo receiver, method for interference cancellation in mimo receiver and mimo receiver |
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KR20210081509A (en) * | 2019-12-23 | 2021-07-02 | 한국교통대학교산학협력단 | Adaptive channel estimation apparatus based on weighted sum of time-frequency domain channel coefficients and the method thereof |
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