KR20130046713A - 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 ｕｗｂ－ｏｆｄｍ 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법 및 장치 - Google Patents

순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 ｕｗｂ－ｏｆｄｍ 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 송신단의 송신 안테나들로부터 각각의 부대역을 통해 순환지연 전송된 각각의 OFDM 심볼들을 푸리에 변환하는 단계와, 상기 푸리에 변환된 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 의해 구별되는 상기 부대역들에 대해 채널 파워를 감지하여 최대 채널 파워를 갖는 부대역을 선택하는 단계와, 상기 선택된 부대역을 통해 수신된 해당 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 대해 자기상관값을 산출하는 단계, 및 상기 해당 OFDM 심볼의 회전된 위상값을 상기 자기상관값을 통해 계산하여 잔여 주파수 오차 및 샘플링 주파수 오차를 추정하는 단계를 포함하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법을 제공한다.
상기 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법 및 장치에 따르면, 송신단의 송신 안테나들이 OFDM 심볼을 최적의 순환 지연 값으로 전송함과 동시에 수신단에서는 OFDM 심볼이 통과된 부대역 중 가장 큰 채널 파워를 갖는 부대역을 사용하여 주파수 오차를 추정함에 따라 더욱 정확하게 주파수 오차를 추정할 수 있는 이점이 있다.

Description

순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 ＵＷＢ－ＯＦＤＭ 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법 및 장치{Method for estimating frequency offset in UWB-OFDM system with cyclic delay diversity and apparatus thereof}
본 발명은 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직교 주파수 분할 다중 변조(OFDM;Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식을 사용하는 초광대역(UWB;Ultra Wideand) 시스템에서 잔여 주파수 오차와 샘플링 주파수 오차를 동시에 추정할 수 있는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.
차세대 무선 통신에서는 초고속 데이터 전송을 위해 전체의 채널을 여러 개의 직교하는 부채널로 나누어 병렬적으로 전송하는 OFDM 방식이 주로 사용된다. UWB 시스템은 짧은 거리에서 매우 높은 비트율을 전송하는 기술로서 각광받고 있다. UWB-OFDM은 OFDM을 기반으로 하는 UWB 시스템으로서 주파수 오차에 매우 민감한 특징을 가진다. 주파수 오차가 발생하는 원인으로서, 도플러 주파수 천이에 의한 것과 수신단에서 오실레이터의 오류에 의한 것이 있다. 이러한 주파수 오차의 영향에 의하면 인접한 부반송파들 사이의 간섭이 발생하고 직교성을 잃게 된다.
종래에는 주파수 오차를 추정하기 위한 방법으로서 OFDM 시스템에 순환 지연 다이버시티(CDD;Cyclic Delay Diversity) 기법을 적용시켜 주파수 다이버시티를 획득하고 주파수 오차를 추정하는 방법이 있다. 하지만 CDD 기법은 시간 축에서 순환 지연된 전송 데이터가 FFT(Fast Fourier Transform) 연산으로 인해 주파수 축에서 위상 천이로 변환되기 때문에, FFT 이후에 수행되는 정수배 주파수 오차 추정기의 심각한 성능 저하를 야기시킨다. 이러한 종래의 주파수 오차 추정 방법은 추정 성능이 열약하기 때문에 더욱 정확한 주파수 오차 추정 방법이 필요하다.
본 발명은, 송신단의 송신 안테나들이 OFDM 심볼을 최적의 순환 지연 값으로 전송함과 동시에 수신단에서는 OFDM 심볼이 통과된 부대역 중 가장 큰 채널 파워를 갖는 부대역을 사용하여 주파수 오차를 추정함에 따라 더욱 정확하게 주파수 오차를 추정할 수 있는, 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 송신단의 송신 안테나들로부터 각각의 부대역을 통해 순환지연 전송된 각각의 OFDM 심볼들을 푸리에 변환하는 단계와, 상기 푸리에 변환된 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 의해 구별되는 상기 부대역들에 대해 채널 파워를 감지하여 최대 채널 파워를 갖는 부대역을 선택하는 단계와, 상기 선택된 부대역을 통해 수신된 해당 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 대해 자기상관값을 산출하는 단계, 및 상기 해당 OFDM 심볼의 회전된 위상값을 상기 자기상관값을 통해 계산하여 잔여 주파수 오차 및 샘플링 주파수 오차를 추정하는 단계를 포함하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법을 제공한다.
또한, 상기 송신단은, 아래의 수학식을 통해 기본 설계 인수를 고려하여 상기 송신 안테나들의 최적의 순환 지연 값을 결정할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, 정수값 m은 상기 송신 안테나들의 개수에 따른 순환 지연 값의 설정을 위한 상기 기본 설계 인수, DΔ는 최소 순환 지연 값, Df는 하나의 OFDM 심볼에서 인접한 파일럿 부반송파들 사이의 거리, N은 하나의 OFDM 심볼에 포함된 데이터 샘플의 길이, NT는 상기 송신 안테나들의 개수, NZP는 하나의 OFDM 심볼에 포함된 제로패딩 샘플의 길이, Δt는 t번째 송신 안테나에 대한 최적의 순환지연 값을 나타낸다.
그리고, 상기 송신단은, 상기 부대역의 채널 최대 파워값이 정수배의 주기를 갖도록 상기 Δt를 선택할 수 있다.
또한, 상기 부대역을 선택하는 단계는, 상기 구별 가능한 부대역들의 모든 채널 파워를 감지하여 파일럿 부반송파의 위치에서 최대 채널 파워를 갖는 부대역을 선택할 수 있다.
이때, 상기 부대역을 선택하는 단계는, 상기 부대역들 중 최대 채널 파워를 갖는 부대역
Figure pat00002
을 아래의 수학식으로 선택할 수 있다.
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
은 심볼 인덱스가
Figure pat00005
인 부대역
Figure pat00006
에서의 주파수 채널 응답, ki는 i번째 파일럿 부반송파, Np는 상기 파일럿 부반송파의 개수,
Figure pat00007
은 최대 채널 파워를 갖는 부대역
Figure pat00008
에서 심볼 인덱스의 추정값이고,
Na는 채널 파워 측정시 사용된 이전 OFDM 심볼들의 개수, Dt는 동일 부대역에서 전송된 non-zero 심볼들 간의 거리,
Figure pat00009
은 심볼 인덱스가
Figure pat00010
인 상기 송신단에서 전송된 파일럿 심볼들이고,
Figure pat00011
은 심볼 인덱스가
Figure pat00012
인 상기 송신단으로부터 수신받은 파일럿 심볼이다.
그리고, 상기 자기상관값을 산출하는 단계는, 상기 선택된 부대역
Figure pat00013
에서의
Figure pat00014
번째 파일럿 심볼의 상관값을 아래의 수학식으로 산출할 수 있다.
Figure pat00015
여기서,
Figure pat00016
은 심볼 인덱스가
Figure pat00017
인 상기 송신단으로부터 수신받은 파일럿 심볼이다.
그리고, 본 발명은, 송신단의 송신 안테나들로부터 각각의 부대역을 통해 순환지연 전송된 각각의 OFDM 심볼들을 푸리에 변환하는 푸리에 변환기와, 상기 푸리에 변환된 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 의해 구별되는 상기 부대역들에 대해 채널 파워를 감지하여 최대 채널 파워를 갖는 부대역을 선택하는 부대역 선택기와, 상기 선택된 부대역을 통해 수신된 해당 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 대해 자기상관값을 산출하는 자기신호 상관기, 및 상기 해당 OFDM 심볼의 회전된 위상값을 상기 자기상관값을 통해 계산하여 주파수 오차를 추정하는 주파수 오차 추정기를 포함하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 장치를 제공한다.
그리고, 본 발명은, 복수의 송신 안테나들을 사용하여 OFDM 심볼들을 시간 축에서 각각의 부대역을 통해 순환지연 전송하는 송신단, 및 상기 송신단으로부터 전송받은 OFDM 심볼들을 바탕으로 주파수 오차를 추정하는 수신단을 포함하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 시스템을 제공한다. 여기서, 상기 수신단은, 상기 송신단으로부터 순환 지연되어 전송받은 OFDM 심볼들을 푸리에 변환하는 푸리에 변환기와, 상기 푸리에 변환된 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 의해 구별되는 상기 부대역들에 대해 채널 파워를 감지하여 최대 채널 파워를 갖는 부대역을 선택하는 부대역 선택기와, 상기 선택된 부대역을 통해 수신된 해당 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 대해 자기상관값을 산출하는 자기신호 상관기, 및 상기 해당 OFDM 심볼의 회전된 위상값을 상기 자기상관값을 통해 계산하여 주파수 오차를 추정하는 주파수 오차 추정기를 포함한다..
본 발명에 따른 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법 및 장치에 따르면, 송신단의 송신 안테나들이 OFDM 심볼을 최적의 순환 지연 값으로 전송함과 동시에 수신단에서는 OFDM 심볼이 통과된 부대역 중 가장 큰 채널 파워를 갖는 부대역을 사용하여 주파수 오차를 추정함에 따라 더욱 정확하게 주파수 오차를 추정할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1을 이용한 주파수 오차 추정 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 주파수 동기 오차 추정 방법의 구조를 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오차 추정 방법의 MSE 성능 실험결과를 보여준다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 시스템의 구성도이다. 이러한 시스템은 송신단(100)과 수신단(200)으로 구성된다. 상기 송신단(100)과 수신단(200)의 개략적인 구성은 다음과 같다.
송신단(100)은 동일한 OFDM 심볼을 순환 지연 시킨 후 여러 개(ex, 2개, 4개)의 송신 안테나들을 사용하여 전송하는 부분이다. 이를 위해, 각 송신 안테나들의 최적의 순환 지연 값을 설정하기 위한 순환지연 선택기(110)가 사용된다.
즉, 송신단(100)은 동일한 OFDM 심볼을 시간축에서 순환 지연시킨 다음 이 순환 지연된 심볼들을 각각의 전송 안테나로 전송하는 순환 지연 다이버시티(CDD;Cyclic Delay Diversity) 기법을 사용하며, 전송된 신호는 수신단(200)에서 수신한다.
수신단(200)은 상기 송신단(100)으로부터 순환 지연 전송된 각각의 OFDM 심볼들을 바탕으로 하여 주파수 오차를 추정하는 부분이다. 이를 위해, 수신단(200)은 푸리에 변환기(210), 부대역 선택기(220), 자기신호 상관기(230), RFO(Residual Frequency Offset) 추정기(240), SFO(Sampling Frequency Offset) 추정기(250)를 포함한다.
상기 푸리에 변환기(210)는 송신단(100)으로부터 전송받은 OFDM 심볼들을 고속 푸리에 변환(FFT)하고, 부대역 선택기(220)는 푸리에 변환 이후 구별 가능한 부대역들에서 모든 채널 파워를 감지하여 최대 채널 파워를 가지는 부대역을 추정 및 선택한다.
그리고, 자기신호 상관기(230)는 상기 선택된 부대역을 통해 전송된 해당 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 대해 자기 상관 값을 산출하고, RFO 추정기(240)와 SFO 추정기(250)는 앞서 산출된 자기 상관 값을 이용하여 잔여 주파수 오차 및 샘플링 주파수 오차를 추정한다. 상기 송신단(100)과 수신단(200)에 대한 보다 상세한 설명은 후술하기로 한다.
이러한 본 발명은 송신단(100)에서 NT개의 송신 안테나들과 단일 수신 안테나를 가지는 CDD(Cyclic Delay Diversity;순환 지연 다이버시티) 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템을 이용한다. 송신단(100)에서 OFDM 심볼은 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform;IFFT)된 이후에 각각의 송신 안테나에서 Δt 만큼 순환 지연된다. 여기서, OFDM 심볼의 N개 길이의 데이터 샘플의 끝에 NZP 길이 만큼의 제로패딩(Zero-padding) 샘플을 삽입하여 수신단(200) 측으로 전송한다. 따라서, 전송하는 OFDM 심볼의 길이 Ns는 N+NZP의 길이를 가진다.
CDD 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서 T번째 전송 안테나의
Figure pat00018
번째 OFDM 심볼
Figure pat00019
은 다음의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00020
여기서, NT는 송신 안테나의 개수, Δt 는 t번째 송신 안테나에서의 순환 지연 값, 그리고
Figure pat00021
은 모듈로-N 연산이다. 이러한 수학식 1에서 (n-Δt)란 원래의 n에서 Δt 만큼 순환시킨 것을 의미한다.
전송하는 심볼의 신호에너지는 반드시 1/NT로 정규화하며, 전체 신호에너지는 단일 안테나 시스템과 비교하였을 때 동일한 크기를 가진다. 보호구간의 길이 NZP의 값은 채널 임펄스 응답의 최대 지연보다 크다고 가정한다.
최소 순환 지연의 차이는
Figure pat00022
,
Figure pat00023
에 의하여 선택될 수 있다. 그리고, NT 만큼의 거리에 있는 인접한 부반송파들 끼리는 제로 상관(zero-correlation) 조건을 만족하고 가장 큰 지연 차이를 주는 순환 지연 값은
Figure pat00024
,
Figure pat00025
이다. 따라서 순환 지연 차이의 선택은
Figure pat00026
의 한계 범위를 가진다고 할 수 있다.
CDD기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에는 Time Frequency Code(TFC)1부터 TFC10까지 10개의 다른 TFCs를 정의하고, 이 코드들은 각각의 OFDM 심볼의 마지막 부분에서 서로 다른 부대역으로의 주파수 도약을 제공한다. 각각의 도약에서
Figure pat00027
번째 OFDM 심볼은 TFC와 심볼 인덱스
Figure pat00028
에 따라서 세 개의 부대역인
Figure pat00029
중 한 곳으로 전송된다. 주파수 측에서의 OFDM 심볼은 Np 개의 파일럿 부반송파와 N-Np 개의 데이터 부반송파로 이루어진다. 파일럿 부반송파의 위치는 다음의 수학식 2와 같이 간단히 나타낼 수 있다.
Figure pat00030
여기서, ki는 i번째 파일럿 부반송파이고, Df는 하나의 OFDM 심볼에서 인접한 파일럿 부반송파들 사이의 거리이다.
고속 푸리에 변환 이후의 미세한 잔여 주파수 동기 오차와 샘플링 주파수 동기 오차를 고려한
Figure pat00031
번째 심볼의 k번째 부반송파 신호는 수학식 3과 같이 주어진다.
Figure pat00032
여기에서 L은 lognormal shadowing 영향이며,
Figure pat00033
는 부대역
Figure pat00034
에서의 주파수측 채널 응답,
Figure pat00035
는
Figure pat00036
번째 OFDM 심볼에서의 k번째 부반송파이다.
그리고, ε는 샘플링 시간으로 정규화된 샘플링 주파수 동기 오차, Δ는 부반송파 간격으로 정규화된 잔여 주파수 동기 오차,
Figure pat00037
는 부대역 전송 주파수 합성기에서 발생된 상수이다.
그리고, 부대역
Figure pat00038
에서의 잔여 주파수 동기 오차는
Figure pat00039
이고,
Figure pat00040
는 평균이 0이고 분산이
Figure pat00041
인 복소 가산성 백색 가우시안 잡음이다.
Figure pat00042
는 동일한 Channel Transfer Fucntion(CTF)이고, 이는 다음 수학식4와 같이 위상 회전을 가지는 모든 안테나로부터의 CTFs 중첩으로 나타낸다.
Figure pat00043
Figure pat00044
는 t번째 전송 안테나에서의 평균이 0이고 분산이
Figure pat00045
인 부대역
Figure pat00046
의 주파수측 채널 응답이다. 본 발명에서는 송신단에서의 최적의 순환지연 값의 선택 기법과, 수신단에서의 가장 큰 채널 파워의 부대역 선택을 이용한 파일럿 기반의 주파수 오차 추정 방식을 제공한다.
도 2는 도 1을 이용한 주파수 오차 추정 방법의 흐름도이다. 이하에서는 도 1 및 도 2를 참조로 하여 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법에 관하여 상세히 알아본다.
우선, 송신단(100)은 복수의 송신 안테나들을 사용하여 OFDM 심볼들을 각각의 부대역을 통해 순환지연 전송한다. 이때, 순환지연 선택기(110)를 이용한 최적의 순환지연 값을 선택하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 순환 지연 선택 기법을 고려해야 하므로, 첫 번째 전송 안테나에서는 순환 지연이 없고 인접 안테나들 사이에는 순환 지연 차이의 조건을 만족하는 순환 지연
Figure pat00047
이 존재한다.
이때 동일한 CTF의 파워는 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00048
여기서,
Figure pat00049
는
Figure pat00050
의 위상이다. 이러한 수학식 5에서 알 수 있듯이,
Figure pat00051
은 수학식 6과 같은 주기를 가진다.
Figure pat00052
여기에서
Figure pat00053
는 정수값이다.
이러한 과정에서 Df는
Figure pat00054
의 정수배 주기를 가질 수 있도록 Δt를 선택한다. 앞서, 수학식 5는 CTF 파워를 구하는 식이고, 본 발명은 최대 파워값을 갖는 채널을 이용하는 것이다. 그런데, cos 함수는 2π의 주기를 갖고 있으며(ex, cos0=1, cosπ=-1, cos2π=1, cos4π=1, … , cos2πn=1), cos 함수는 2πn의 주기마다 항상 1이라는 최대값을 갖는다. 반대로, 함수가 2πn이라는 정수배의 주기를 갖지 않는다면 1보다 작은 값을 갖게 되어 곱셈연산을 할 때 최대값을 갖지 못하게 된다. 따라서, 수학식 6에서 Df는 cos 함수의 정수배 주기를 가질 수 있도록 Δt를 선택한다. 다시 말해서, 순환지연 선택기(110)에서는 부대역의 채널 최대 파워값이 정수배의 주기를 갖도록 상기 Δt를 선택한다.
이에 따라, 다음의 수학식 7과 같은 조건을 만족하는 최소 순환 지연 값 DΔ를 찾을 수 있다.
Figure pat00055
이러한 수학식 7을 이용하여 인접한 안테나들 간의 순환 지연을 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00056
여기에서 Df는 PH의 정수배이다. 그리고, 앞서 설명한 바와 같이, DΔ는 최소 순환 지연 값, N은 하나의 OFDM 심볼에 포함된 데이터 샘플의 길이, NT는 상기 송신 안테나들의 개수, Df는 하나의 OFDM 심볼에서 인접한 파일럿 부반송파들 사이의 거리를 나타낸다.
또한, 수학식 8에서, 정수값 m은 송신 안테나의 개수에 따라 순환 지연 값을 설정하는 기본 설계 인수이다. 이때, 사용 가능한 최대 안테나의 개수는
Figure pat00057
이고,
Figure pat00058
연산은 x의 가장 가까운 정수값을 선택한다. 따라서 송신 안테나의 최적 순환 지연 값은 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00059
Δt는 t번째 송신 안테나에 대한 최적의 순환지연 값을 나타낸다. 이러한 수학식 9에서,
Figure pat00060
는 보장되어야 한다. 여기서, NZP는 앞서와 같이 하나의 OFDM 심볼에 포함된 제로패딩 샘플의 길이이다. 이러한 수학식 9의 내용은 도 1의 순환지연 선택기(110)에서 이루어진다.
즉, 상기 순환지연 선택기(110)는 수학식 8 및 수학식 9와 같이, 기본 설계 인수를 고려하여 송신 안테나들의 최적의 순환 지연 값을 결정한다. 이러한 최적의 순환 지연 값은 향상된 주파수 동기 오차 추정을 위한 것이다.
이상과 같이, 송신단(100)의 송신 안테나들로부터 각각의 부대역을 통해 최적의 순환 지연 값으로 순환지연 전송된 각각의 OFDM 심볼들은 상기 수신단(200)에 수신된다. 상기 수신단(200)에서는 수신된 각각의 OFDM 심볼들을 푸리에 변환기(210)를 통해 고속 푸리에 변환(FFT)한다(S210).
그리고, 부대역 선택기(220)에서는 상기 푸리에 변환된 OFDM 심볼 내의 파일럿(Pilot) 심볼에 의해 구별되는 상기 부대역들에 대해 채널 파워를 감지하여 최대 채널 파워를 갖는 부대역을 선택한다(S220). 이는 파일럿 부반송파 위치에서 최대 채널 파워를 갖는 부대역을 선택하여 활용하는 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 주파수 동기 오차 추정 방법의 구조를 보여준다. 도 3에서 부대역으로는 Band1, Band2, Band3이 예시되어 있다. 여기서, A, B 등은 수신된 OFDM 심볼을 나타낸다. OFDM 심볼은 시간(Time)축을 기준으로 순환 지연 전송된 것이 확인된다. 물론 심볼의 종류와 순환 지연의 예는 반드시 도 3에 의해 한정되는 것은 아니다. 여기서, FFT 변환된 심볼 내의 파일럿 심볼을 통해 구별되는 부대역들 중 최대 채널 파워를 갖는 부대역을 선택한다.
즉, 상기 부대역 선택기(220)에서는 구별 가능한 부대역들(Band1,2,3)에서 모든 채널 파워를 감지하여 최대 채널 파워를 가지는 부대역을 추정하며, 아래의 수학식 10을 이용한다.
Figure pat00061
여기서,
Figure pat00062
은 심볼 인덱스가
Figure pat00063
인 부대역
Figure pat00064
에서의 주파수 채널 응답, ki는 i번째 파일럿 부반송파, Np는 상기 파일럿 부반송파의 개수,
Figure pat00065
은 최대 채널 파워를 갖는 부대역
Figure pat00066
에서 심볼 인덱스의 추정값이다.
IEEE UWB 채널 모델 기반의 프레임에서는 채널이 항상 일정하거나 거의 변화가 없고, 심볼 인덱스가
Figure pat00067
인 파일럿 심볼들
Figure pat00068
(i=1,2,…Np)은 수신단(200)에서 알고 있으므로 수학식 10은 다음의 수학식 11과 같이 추정할 수 있다.
Figure pat00069
여기서, Na는 채널 파워 측정시(DTF의 평균 파워 측정치) 사용된 이전 OFDM 심볼들의 개수이다. Dt는 동일 부대역에서 전송된 non-zero 심볼들 간의 거리이다. 그리고,
Figure pat00070
은 심볼 인덱스가
Figure pat00071
인 상기 송신단에서 전송된 파일럿 심볼들이고,
Figure pat00072
은 심볼 인덱스가
Figure pat00073
인 상기 송신단으로부터 수신받은 파일럿 심볼이다.
여기서, 한 개의 OFDM심볼 안에는 k개의 부반송파가 있다.
Figure pat00074
의 i는 파일럿부반송파의 인덱스를 의미한다. 여기서, i=1,2,…Np 이므로,
Figure pat00075
는
Figure pat00076
번째 OFDM 심볼 내에 있는 k개의 부반송파 중에 Np 개 만큼의 파일럿 부반송파가 있다는 것을 의미한다.
즉, 수학식 11은 상기 부대역들 중 최대 채널 파워를 갖는 부대역
Figure pat00077
을 선택하는 것으로서 도 1에서 부대역 선택기(220)에 의하여 수행되는 것이다. 수학식 11에서 파라미터 Dt를 보면, TFCs 1~2일 때 Dt=3, TFCs 3~7일 때 Dt=1, TFCs 8~10일 때 Dt=2와 같이 TFCs에 영향을 받는다. 참고로, TFCs 번호는 1~10까지 존재하며, TFCs 번호에 따라 Dt 값이 달라진다. 수학식 10을 이용하여 N=128, Df=10, Np=12인 CDD기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서 TFC가 1일 때,
Figure pat00078
로 정의된 채널의 평균 파워 및 최대 파워 간의 차이를 순환 지연 값에 따라 연산하면, 수학식 10을 만족하는 최소 순환 지연 DΔ는 12.8이 되고, 최대 채널 파워는 매 번의 m마다 주기적으로 나타난다.
이후, 상기 선택된 부대역
Figure pat00079
을 통해 수신된 해당 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 대해 자기상관값을 산출한다(S230). 이러한 S230단계는 자기신호 상관기(230)를 이용한다.
즉, 수학식 11에 의하여 선택된 부대역
Figure pat00080
에서의
Figure pat00081
번째 상관값
Figure pat00082
을 아래의 수학식 12와 같이 산출한다.
Figure pat00083
여기서,
Figure pat00084
은 심볼 인덱스가
Figure pat00085
인 상기 송신단으로부터 수신받은 파일럿 심볼이다.
여기서, 상기 ε가 충분히 작은 값이라 가정하면,
Figure pat00086
는 수학식 13으로 근사화된다.
Figure pat00087
여기서, 잡음은 다음과 같이 나타낸다.
Figure pat00088
Figure pat00089
,
Figure pat00090
Figure pat00091
Ns는 OFDM 심볼의 길이를 나타낸다.
이러한 S230단계 이후, 상기 해당 OFDM 심볼의 회전된 위상값을 수학식 13의 자기상관값을 통해 계산하여 주파수 오차를 추정할 수 있다(S240). 이는 상기 RFO 추정기(240) 및 상기 SFO 추정기(250)를 통해 이루어진다.
즉, 최종적으로 고속 푸리에 변환(FFT) 이후에 잔여 및 샘플링 주파수 동기 오차 추정은 아래의 수학식 14을 통해 이루어진다.
Figure pat00092
여기서,
Figure pat00093
은 추정된 잔여 주파수 오차,
Figure pat00094
는 추정된 샘플링 주파수 오차,
Figure pat00095
는 Ns/N,
Figure pat00096
은 각연산을 나타낸다.
본 발명은 종래의 기법보다 잔여 및 샘플링 주파수 동기 오차를 더욱 정확하게 추정할 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 주파수 오차 추정 방법의 MSE 성능 실험 결과를 보여준다. 이는 본 발명의 실제 구현을 위해 IEEE 802.15.SG3a의 채널 모델(CM)을 고려한 것이다. 여기서, IEEE에서 규정한 채널 모델(CM)들은 여러 개가 존재하는데 본 실험에서는 채널 모델2(CM2)를 사용하였다. 이러한 도 4는 CM2에서 NT에 따른 종래의 방법(Conventional) 및 본 발명의 방법(Proposed)의 MSE를 비교하고 있다.
본 발명의 경우, 수학식 9에 의한 최적 순환 지연 구성과, 수학식 11에 의한 부채널 선택 구성을 사용함에 따라, 주파수 오차 추정 성능이 크게 향상된다. 즉, 도 4의 결과에 따르면, 본 발명이 종래에 비하여 3dB 이상의 이득 효과가 있음을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 성능 이득은 종래에 비해 TFC의 영향을 받는다. 이는 TFCs 1~4일 때는 부대역의 개수가 3개이고, TFCs 8~10일 때는 부대역의 개수가 2개, 나머지에서는 하나의 부대역을 가지기 때문이다. 따라서 TFCs 1~4를 사용할 때의 성능은 다른 TFCs를 사용할 때보다 더 우수하다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 최적의 순환 지연 값과 최대 채널 파워를 가지는 부대역 정보를 이용하여 주파수 오차 추정 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 즉, 송신단의 송신 안테나들이 OFDM 심볼을 최적의 순환 지연 값으로 전송함과 동시에 수신단에서는 OFDM 심볼이 통과된 부대역 중 가장 큰 채널 파워를 갖는 부대역을 선택하여 주파수 오차를 추정함에 따라 종래에 비해 더욱 정확하게 주파수 오차를 추정할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 송신단 110: 순환지연 선택기
200: 수신단 210: 푸리에 변환기
220: 부대역 선택기 230: 자기신호 상관기
240: RFO 추정기 250: SFO 추정기

Claims (13)

  1. 송신단의 송신 안테나들로부터 각각의 부대역을 통해 순환지연 전송된 각각의 OFDM 심볼들을 푸리에 변환하는 단계;
    상기 푸리에 변환된 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 의해 구별되는 상기 부대역들에 대해 채널 파워를 감지하여 최대 채널 파워를 갖는 부대역을 선택하는 단계;
    상기 선택된 부대역을 통해 수신된 해당 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 대해 자기상관값을 산출하는 단계; 및
    상기 해당 OFDM 심볼의 회전된 위상값을 상기 자기상관값을 통해 계산하여 잔여 주파수 오차 및 샘플링 주파수 오차를 추정하는 단계를 포함하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 송신단은,
    아래의 수학식을 통해 기본 설계 인수를 고려하여 상기 송신 안테나들의 최적의 순환 지연 값을 결정하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법:
    Figure pat00097

    여기서, 정수값 m은 상기 송신 안테나들의 개수에 따른 순환 지연 값의 설정을 위한 상기 기본 설계 인수, DΔ는 최소 순환 지연 값, Df는 하나의 OFDM 심볼에서 인접한 파일럿 부반송파들 사이의 거리, N은 하나의 OFDM 심볼에 포함된 데이터 샘플의 길이, NT는 상기 송신 안테나들의 개수, NZP는 하나의 OFDM 심볼에 포함된 제로패딩 샘플의 길이, Δt는 t번째 송신 안테나에 대한 최적의 순환지연 값을 나타낸다.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 송신단은,
    상기 부대역의 채널 최대 파워값이 정수배의 주기를 갖도록 상기 Δt를 선택하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 부대역을 선택하는 단계는,
    상기 구별 가능한 부대역들의 모든 채널 파워를 감지하여 파일럿 부반송파의 위치에서 최대 채널 파워를 갖는 부대역을 선택하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 부대역을 선택하는 단계는,
    상기 부대역들 중 최대 채널 파워를 갖는 부대역
    Figure pat00098
    을 아래의 수학식으로 선택하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법:
    Figure pat00099

    여기서,
    Figure pat00100
    은 심볼 인덱스가
    Figure pat00101
    인 부대역
    Figure pat00102
    에서의 주파수 채널 응답, ki는 i번째 파일럿 부반송파, Np는 상기 파일럿 부반송파의 개수,
    Figure pat00103
    은 최대 채널 파워를 갖는 부대역
    Figure pat00104
    에서 심볼 인덱스의 추정값이고,
    Na는 채널 파워 측정시 사용된 이전 OFDM 심볼들의 개수, Dt는 동일 부대역에서 전송된 non-zero 심볼들 간의 거리,
    Figure pat00105
    은 심볼 인덱스가
    Figure pat00106
    인 상기 송신단에서 전송된 파일럿 심볼들이고,
    Figure pat00107
    은 심볼 인덱스가
    Figure pat00108
    인 상기 송신단으로부터 수신받은 파일럿 심볼이다.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 자기상관값을 산출하는 단계는,
    상기 선택된 부대역
    Figure pat00109
    에서의
    Figure pat00110
    번째 파일럿 심볼의 상관값을 아래의 수학식으로 산출하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 방법:
    Figure pat00111

    여기서, 여기서,
    Figure pat00112
    은 심볼 인덱스가
    Figure pat00113
    인 상기 송신단으로부터 수신받은 파일럿 심볼이다.
  7. 송신단의 송신 안테나들로부터 각각의 부대역을 통해 순환지연 전송된 각각의 OFDM 심볼들을 푸리에 변환하는 푸리에 변환기;
    상기 푸리에 변환된 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 의해 구별되는 상기 부대역들에 대해 채널 파워를 감지하여 최대 채널 파워를 갖는 부대역을 선택하는 부대역 선택기;
    상기 선택된 부대역을 통해 수신된 해당 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 대해 자기상관값을 산출하는 자기신호 상관기; 및
    상기 해당 OFDM 심볼의 회전된 위상값을 상기 자기상관값을 통해 계산하여 주파수 오차를 추정하는 주파수 오차 추정기를 포함하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 송신단은,
    아래의 수학식을 통해 기본 설계 인수를 고려하여 상기 송신 안테나들의 최적의 순환 지연 값을 결정하는 순환지연 선택기를 포함하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 장치:
    Figure pat00114

    여기서, 정수값 m은 상기 송신 안테나들의 개수에 따른 순환 지연 값의 설정을 위한 상기 기본 설계 인수, DΔ는 최소 순환 지연 값, Df는 하나의 OFDM 심볼에서 인접한 파일럿 부반송파들 사이의 거리, N은 하나의 OFDM 심볼에 포함된 데이터 샘플의 길이, NT는 상기 송신 안테나들의 개수, NZP는 하나의 OFDM 심볼에 포함된 제로패딩 샘플의 길이, Δt는 t번째 송신 안테나에 대한 최적의 순환지연 값을 나타낸다.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 순환지연 선택기는,
    상기 부대역의 채널 최대 파워값이 정수배의 주기를 갖도록 상기 Δt를 선택하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 부대역 선택기는,
    상기 구별 가능한 부대역들의 모든 채널 파워를 감지하여 파일럿 부반송파의 위치에서 최대 채널 파워를 갖는 부대역을 선택하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 부대역 선택기는,
    상기 부대역들 중 최대 채널 파워를 갖는 부대역
    Figure pat00115
    을 아래의 수학식으로 선택하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 장치:
    Figure pat00116

    여기서,
    Figure pat00117
    은 심볼 인덱스가
    Figure pat00118
    인 부대역
    Figure pat00119
    에서의 주파수 채널 응답, ki는 i번째 파일럿 부반송파, Np는 상기 파일럿 부반송파의 개수,
    Figure pat00120
    은 최대 채널 파워를 갖는 부대역
    Figure pat00121
    에서 심볼 인덱스의 추정값이고,
    Na는 채널 파워 측정시 사용된 이전 OFDM 심볼들의 개수, Dt는 동일 부대역에서 전송된 non-zero 심볼들 간의 거리,
    Figure pat00122
    은 심볼 인덱스가
    Figure pat00123
    인 상기 송신단에서 전송된 파일럿 심볼들이고,
    Figure pat00124
    은 심볼 인덱스가 인 상기 송신단으로부터 수신받은 파일럿 심볼이다.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 자기신호 상관기는,
    상기 선택된 부대역
    Figure pat00126
    에서의
    Figure pat00127
    번째 파일럿 심볼의 상관값을 아래의 수학식으로 산출하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 장치:
    Figure pat00128

    여기서,
    Figure pat00129
    은 심볼 인덱스가
    Figure pat00130
    인 상기 송신단으로부터 수신받은 파일럿 심볼이다.
  13. 복수의 송신 안테나들을 사용하여 OFDM 심볼들을 시간 축에서 각각의 부대역을 통해 순환지연 전송하는 송신단; 및
    상기 송신단으로부터 전송받은 OFDM 심볼들을 바탕으로 주파수 오차를 추정하는 수신단을 포함하며,
    상기 수신단은,
    상기 송신단으로부터 순환 지연되어 전송받은 OFDM 심볼들을 푸리에 변환하는 푸리에 변환기;
    상기 푸리에 변환된 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 의해 구별되는 상기 부대역들에 대해 채널 파워를 감지하여 최대 채널 파워를 갖는 부대역을 선택하는 부대역 선택기;
    상기 선택된 부대역을 통해 수신된 해당 OFDM 심볼 내의 파일럿 심볼에 대해 자기상관값을 산출하는 자기신호 상관기; 및
    상기 해당 OFDM 심볼의 회전된 위상값을 상기 자기상관값을 통해 계산하여 주파수 오차를 추정하는 주파수 오차 추정기를 포함하는 순환 지연 다이버시티 기법이 적용된 UWB-OFDM 시스템에서의 주파수 오차 추정 시스템.
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