KR20120071250A

KR20120071250A - 이동통신 시스템의 채널 추정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20120071250A
Application number: KR1020100132916A
Authority: KR
Inventors: 정길수; 황현구; 김대호
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-07-02

Abstract

본 발명은, 이동통신 시스템의 수신기에 있어서 채널 왜곡 보상을 위해 송수신기 간의 이동속도에 따라 시간 영역에서의 채널 추정을 추가로 수행하는 채널 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 채널 추정 장치는, 기준 신호에서 CP(Cyclic Prefix)를 제거하는 CP 제거기와, CP가 제거된 기준 신호를 고속 푸리에 변환하는 FFT(Fast Fourier Transformer)와, 도플러 시프트 값을 측정하고, LS(Least Square) 알고리즘을 이용하여 주파수 영역의 채널 추정을 수행하는 LS 채널 추정기와, 상기 LS 채널 추정기의 출력값인 채널 주파수 응답을 역 이산 푸리에 변환하여 채널 임펄스 응답을 출력하는 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transformer)와, 상기 채널 임펄스 응답을 초기값으로하여 상기 CP가 제거된 기준 신호를 필터링하여 시간 영역의 채널 추정을 수행하는 적응 필터와, 상기 적응 필터의 출력값을 주파수 영역의 값으로 변환하는 DFT(Discrete Fourier Transformer)를 포함한다.

Description

이동통신 시스템의 채널 추정 장치 및 방법{Method and Device for Channel Estimation in Mobile Communication System}

본 발명은 이동통신 시스템에서 채널 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이동통신 시스템의 수신기에 있어서 채널 왜곡 보상을 위해 송수신기 간의 이동속도에 따라 시간 영역에서의 채널 추정을 추가로 수행하는 채널 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 이동통신 시스템에서는 송수신기의 구현에 있어서 복잡도 완화를 고려하여 OFDM을 기반으로 한 방식들이 많이 연구되고 있다.

OFDM 전송 방식은 다중 반송파 즉, 멀티-캐리어(Multi-Carrier)를 사용하여 데이터를 전송하는 방식으로서, 직렬로 입력되는 심볼(Symbol)열을 병렬화하고 이들 각각을 상호 직교 관계를 가지는 다수의 멀티 캐리어들, 즉 다수의 서브 캐리어 채널(sub-carrier channel)들로 변조하여 전송하는 멀티캐리어 변조(Multi Carrier Modulation) 방식의 일종이다.

이러한 OFDM 기반의 다중 접속 방식은 송수신기 간의 고속 이동에 의한 도플러 시프트(Doppler Shift)에 기인한 주파수 오프셋(Frequency Offset)에 민감하다. 도플러 시프트 값은 주파수와 이동 속도에 정비례하는데, 일반적인 이동통신 시스템에서 사용 주파수는 가변 되지 않기 때문에, 도플러 시프트 값은 송수신기 간의 이동 속도에 따라 변화한다. 따라서, 송수신기 간의 고속 이동시 도플러 시프트의 영향으로 ICI(Inter-Carrier Interference)가 발생해 수신기의 수신 성능이 저하된다.

종래 기술에 따른 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long Term Evolution)-Advanced 시스템의 수신기에서는 상기의 문제를 해결하기 위해 수신 신호의 기준 신호(reference signal)를 이용하여 주파수 영역에서 LS(Least Square) 기법 또는 MMSE(Minimum Mean Square Error) 기법으로 채널 추정을 수행하였다. 여기서 기준 신호란 단말기가 채널 추정을 할 수 있도록 기지국과 단말기 간의 약속된 신호로서, 데이터 신호와 함께 전송된다.

그러나, 이동통신 시스템의 채널 추정에 이어서, 기준 신호 또한 ICI의 영향을 받으므로 종래의 주파수 영역에서의 채널 추정에 기반한 방식만으로는 ICI의 영향을 많이 받는 송수신기 간의 고속 이동시 정확한 채널 추정이 어려워 수신 성능이 저하된다는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이동통신 시스템에서의 송수신기의 고속 이동 등으로 인해 도플러 현상이 일어나고 이에 따라 채널에 미치는 ICI의 영향을 시간 영역에서 제거하여 채널 추정의 정확성을 높여 수신 성능을 향상시키는데 그 목적이 있다.

이를 위하여, 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 채널 추정 장치는 기준 신호에서 CP(Cyclic Prefix)를 제거하는 CP 제거기; CP가 제거된 기준 신호를 고속 푸리에 변환하는 FFT(Fast Fourier Transformer); 도플러 시프트 값을 측정하고, LS(Least Square) 알고리즘을 이용하여 주파수 영역의 채널 추정을 수행하는 LS 채널 추정기; 상기 LS 채널 추정기의 출력값인 채널 주파수 응답을 역 이산 푸리에 변환하여 채널 임펄스 응답을 출력하는 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transformer); 상기 채널 임펄스 응답을 초기값으로하여 상기 CP가 제거된 기준 신호를 필터링하여 시간 영역의 채널 추정을 수행하는 적응 필터; 상기 적응 필터의 출력값을 주파수 영역의 값으로 변환하는 DFT(Discrete Fourier Transformer) 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 수신 신호의 채널에 도플러 시프트의 영향으로 발생하는 ICI의 영향을 제거하기 위해 시간 영역에서 채널 추정을 추가로 수행하여 채널 추정의 정확성을 높여 수신기의 수신 성능을 향상시키는 효과가 있다.

수신 신호의 도플러 시프트 값으로부터 송수신기 간의 이동 속도를 판단하고, 상기 이동 속도에 따라, 채널 추정을 달리함으로써, 즉 저속인 경우, 시간 영역의 채널 추정을 행하지 않고 주파수 영역의 채널 추정만을 수행하여 수신기의 연산을 간소화하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이동통신 시스템의 구성을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 시간 영역 채널 추정 과정의 흐름도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 이동통신 시스템의 수신기의 구성에 대해 설명한다. 상기 도 1은 본 발명의 이해에 필요한 구성만을 개략적으로 도시한 것이다.

이동통신 시스템의 수신기는 신호 처리 장치(10), 채널 추정 장치(20)로 구성된다.

신호 처리 장치(10)는 CP(Cyclic Prefix) 제거기(110), FFT(Fast Fourier Transformer)(120), 채널 등화기(130), IDFT(Inverse Discrete Fourier Transformer)(140), 복조기(Demodulator)(150), 디코더(160)를 포함하여 구성될 수 있다.

신호 처리 장치(10)는 입력되는 데이터 신호의 CP를 CP 제거기(110)에 의해 제거하고, CP가 제거된 데이터 신호를 FFT(120)에 의해 고속 푸리에 변환하여 주파수 영역의 데이터 신호를 출력한다. 출력된 데이터 신호는 채널 등화기(130)에 인가된다. 채널 등화기(130)는 인가된 데이터 신호에 대하여 채널 추정 장치(20)에 의해 추정된 채널 주파수 응답에 따라 채널 왜곡을 보상한다. 이처럼 채널 왜곡이 보상된 데이터 신호는 IDFT(140)에 의해 역 이산 푸리에 변환되어 주파수 영역의 신호가 시간 영역의 신호로 변환된다. 이후 시간 영역의 데이터 신호를 복조기(150)에서 복조하고, 디코더(160)에 의해 디코딩하여 복원한다.

참고로, CP는 채널 간 간섭을 방지하기 위하여 가드 인터벌(GI) 구간에 삽입하는 신호이다. GI는 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 전송 방식에서는 다중 경로에 의한 심볼 간 간섭을 제거하기 위해 삽입된다. 그러나 GI 구간에 신호가 없으면 서브캐리어의 직교성이 무너져 채널 간 간섭이 발생한다. 이를 방지하기 위하여 심볼 구간 뒷부분의 신호 일부를 복사하여 삽입하며, 이 신호를 주기적 전치 부호(CP)라고 한다.

채널 추정 장치(20)는 주파수 영역 채널 추정부(200)와 시간 영역 채널 추정부(300)로 구성된다.

주파수 영역 채널 추정부(200)는 CP(Cyclic Prefix) 제거기(210), FFT(Fast Fourier Transformer)(220), LS 채널 추정기(Channel Estimator)(230)를 포함하여 구성될 수 있다.

주파수 영역 채널 추정부(200)에서는 입력되는 기준 신호의 CP가 CP 제거기(210)에 의해 제거된다. 이후, CP가 제거된 기준 신호는 FFT(220)에 의해 고속 푸리에 변환되어 주파수 영역의 신호로 출력된 후 LS 채널 추정기(230)에 인가된다. LS 채널 추정기(230)는 채널별로 채널 상태를 추정하고, 상기 각 채널에 대응한 채널 추정 값인 채널 주파수 응답을 출력하는 역할을 한다.

LS 채널 추정기(230)는 도플러 시프트 추정 모듈(미도시)을 포함한다. 도플러 시프트 추정 모듈은 푸리에 변환된 기준 신호를 이용하여, 도플러 시프트 값을 측정한다. 측정된 도플러 시프트값을 미리 결정된 임계값과 비교한다. 상기 비교 결과에 따라 채널 추정 방법이 달라진다.

상기 측정된 도플러 시프트 값이 임계값보다 작으면, LS 채널 추정기(230)는 채널에 미치는 ICI 영향이 무시 가능한 저속 이동 또는 정지 환경이라고 판단하여 연산이 용이한 LS 기법에 기반한 주파수 영역의 채널 추정을 수행하여, 채널 주파수 응답을 획득한다. LS 채널 추정기(230)는 이 채널 주파수 응답을 신호 처리 장치(10)의 채널 등화기(130)에 제공한다.

상기 측정된 도플러 시프트 값이 미리 결정된 임계값보다 크면, LS 채널 추정기(230)는 채널에 미치는 ICI의 영향이 큰 고속 이동이라고 판단하여 시간 영역의 채널 추정을 추가로 수행하기 위해 주파수 영역의 채널 추정에 의해 얻은 채널 주파수 응답을 시간 영역 채널 추정부(300)에 인가한다.

시간 영역 채널 추정부(300)는 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transformer)(310), 적응 필터(320), DFT(Discrete Fourier Transformer)(330)를 포함하여 구성될 수 있다.

시간 영역 채널 추정부(300)의 적응 필터(320)는 주파수 영역 채널 추정부(200)의 CP 제거기(210)에 의해 CP가 제거된 기준 신호를 필터링한다. 또한, 상기 적응 필터(320)는 상기 LS 채널 추정기(230)에 의해 얻은 채널 주파수 응답을 IDFT(310)에 의해 역 이산 푸리에 변환을 수행하여 시간 영역의 채널 임펄스 응답으로 변환하고 이 채널 임펄스 응답을 적응 필터의 초기값으로 사용한다. 또한 상기 적응 필터(320)는 탭 라인(tapped-Line) 필터를 이용하여 필터링함으로써 채널 추정을 수행한다. 이때 최적 탭 계수는 RLS(Recursive Least Square) 알고리즘을 이용하여 찾는다. 상기 적응 필터(320)의 출력값을 DFT(330)에 의해 이산 푸리에 변환을 수행하여 주파수 영역의 신호로 변환한다. 변환된 출력값은 신호 처리 장치(10)의 채널 등화기(130)에 제공된다.

본 실시예의 채널 추정 장치에는 디맵퍼 또는 보간기 등이 적절히 추가될 수도 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 채널 추정 과정의 흐름도이다. 도 2를 참조하여 채널 추정 과정을 설명한다.

먼저 기준 신호에서 CP를 제거한다(단계 S10).

CP가 제거된 기준 신호를 FFT에 의해 고속 푸리에 변환한다(단계 S20). 상기 변환에 의해 기준 신호는 주파수 영역의 신호로 변환된다.

상기 주파수 영역의 신호로 변환된 기준 신호를 LS 기법에 따라 주파수 영역의 채널 추정을 수행한다. 상기 수행에 의해 채널 주파수 응답을 획득한다(단계 S30).

도플러 시프트를 측정하여 도플러 시프트 값(f_d)을 얻는다. f_d를 미리 결정된 임계값과 비교한다(단계 S40).

도플러 시프트 값이 미리 결정된 임계값보다 작은 경우는 ICI 영향을 무시할 수 있으므로 수신기의 복잡도를 고려하여 단계 S30에서 획득한 채널 주파수 응답을 신호 처리 장치의 채널 등화기에 입력한다.

도플러 시프트 값이 임계값보다 큰 경우는 단계 S30에서 획득한 채널 주파수 응답을 IDFT를 수행하여 시간 영역으로 변환한다(단계 S50). 상기 변환에 의해 얻은 채널 임펄스 응답을 획득한다.

상기 채널 임펄스 응답을 초기값으로 하고, 상기 단계 S10의 CP가 제거된 기준 신호를 적응 필터에 의해 필터링한다(단계 S60). 이 필터링에 의해 시간 영역에서 기준 신호의 ICI의 영향을 제거한다. 본 적응 필터의 탭 계수(Weight)의 갱신을 위한 적응 알고리즘은 RLS 또는 그 변형된 형태로 구현 가능하다. 탭 계수를 갱신하는 과정은 매 샘플마다 이루어진다.

필터링하여 얻은 값을 인산 푸리에 변환하여 주파수 영역의 응답으로 변환한다(단계 S70).

단계 S70의 결과값은 신호 처리 장치의 채널 등화기에 입력한다(단계 S80).

신호 처리 장치의 채널 등화기는 입력된 채널 주파수 응답을 이용하여 채널 왜곡을 보상한다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

200 : 주파수 영역 채널 추정부
210 : CP 제거기
220 : FFT
230 : LS 채널 추정기
300 : 시간 영역 채널 추정부
310 : IDFT
320 : 적응 필터
330 : DFT

Claims

기준 신호에서 CP(Cyclic Prefix)를 제거하는 CP 제거기;
CP가 제거된 기준 신호를 고속 푸리에 변환하는 FFT(Fast Fourier Transformer);
도플러 시프트 값을 측정하고, LS(Least Square) 알고리즘을 이용하여 주파수 영역의 채널 추정을 수행하는 LS 채널 추정기;
상기 LS 채널 추정기의 출력값인 채널 주파수 응답을 역 이산 푸리에 변환하여 채널 임펄스 응답을 출력하는 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transformer);
상기 채널 임펄스 응답을 초기값으로하여 상기 CP가 제거된 기준 신호를 필터링하여 시간 영역의 채널 추정을 수행하는 적응 필터;
상기 적응 필터의 출력값을 주파수 영역의 값으로 변환하는 DFT(Discrete Fourier Transformer)
를 포함하는 채널 추정 장치.