KR20160091260A - 이동 통신 시스템에서의 주파수 오프셋 보상 방법 및 그 장치 - Google Patents

이동 통신 시스템에서의 주파수 오프셋 보상 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

이동 통신 시스템에서의 주파수 오프셋 보상 방법 및 그 장치가 제공된다. 단말이 고속으로 이동하는 환경에서, 기지국이 디지털 신호로 변환처리된 수신 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 처리하고, FFT 처리된 신호로부터 획득되는 파일롯 신호를 이용하여 주파수 오프셋을 추정한다. 그리고 추정된 주파수 오프셋을 이용하여 FFT 처리 전에 또는 FFT 처리 후에 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상한다.

Description

이동 통신 시스템에서의 주파수 오프셋 보상 방법 및 그 장치{Method and apparatus for compensating frequency offset in mobile communication system}
본 발명은 이동 통신 시스템에서 주파수 오프셋을 보상하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
단말이 고속으로 이동하는 환경, 예를 들어, 단말이 고속 열차에 장착되어 고속으로 이동하는 환경에서 도플러 시프트(Doppler shift)로 인하여 통신 성능이 크게 열화된다. 구체적으로 단말은 기지국의 송신 주파수에 비해 도플러 시프트 현상에 의해 주파수 오프셋(offset)만큼 시프트된 주파수를 가지는 신호를 수신한다. 이후 단말이 신호를 송신하는 경우에도 기지국이 단말의 송신 주파수에 비해 주파수 오프셋만큼 시프트된 주파수를 가지는 신호를 수신하게 된다. 이와 같이 단말과 기지국이 송수신하는 신호에 대하여 발생되는 주파수 오프셋에 의하여 통신 성능이 열화된다.
그러므로 통신 성능의 열화를 방지하기 위하여 주파수 오프셋을 보상하여야 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고속 이동 환경에서, 고속으로 이동하는 이동체의 상향링크 주파수 오프셋을 보상하는 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
위의 과제를 위한 본 발명의 특징에 따른 주파수 오프셋 보상 방법은, 단말이 고속으로 이동하는 환경에서, 기지국이 주파수 오프셋을 보상하는 방법에서, 디지털 신호로 변환처리된 수신 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 처리하는 단계; 상기 FFT 처리된 신호로부터 획득되는 파일롯 신호를 이용하여 주파수 오프셋을 추정하는 단계; 및 상기 추정된 주파수 오프셋을 이용하여 상기 FFT 처리 전에, 디지털로 변환된 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상하거나, 상기 FFT 처리 후의 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 고속 이동 환경에서 고속으로 이동하는 이동체의 상향링크 주파수 오프셋을 기지국 수신단에서 디지털 방식으로 보상할 수 있다. 특히, 고속 이동 백홀의 기지국에서 상향링크 수신신호에 존재하는 주파수 오프셋을 기저대역에서 디지털 방식으로 보상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고속 이동 환경을 나타낸 예시도이다.
도 2는 도플러 시프트에 의하여 발생되는 주파수 오프셋을 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 장치를 나타낸 도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 방법을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 장치를 나타낸 도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 방법을 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 장치를 나타낸 도이고, 도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 방법을 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 장치를 나타낸 도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 단말(terminal)은 이동 단말(mobile terminal, MT), 이동국(mobile station, MS), 진보된 이동국(advanced mobile station, AMS), 고신뢰성 이동국(high reliability mobile station, HR-MS), 가입자국(subscriber station, SS), 휴대 가입자국(portable subscriber station, PSS), 접근 단말(access terminal, AT), 사용자 장비(user equipment, UE) 등을 지칭할 수도 있고, MT, MS, AMS, HR-MS, SS, PSS, AT, UE 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
또한, 기지국(base station, BS)은 진보된 기지국(advanced base station, ABS), 고신뢰성 기지국(high reliability base station, HR-BS), 노드B(node B), 고도화 노드B(evolved node B, eNodeB), 접근점(access point, AP), 무선 접근국(radio access station, RAS), 송수신 기지국(base transceiver station, BTS), MMR(mobile multihop relay)-BS, 기지국 역할을 수행하는 중계기(relay station, RS), 기지국 역할을 수행하는 중계 노드(relay node, RN), 기지국 역할을 수행하는 진보된 중계기(advanced relay station, ARS), 기지국 역할을 수행하는 고신뢰성 중계기(high reliability relay station, HR-RS), 소형 기지국[펨토 기지국(femoto BS), 홈 노드B(home node B, HNB), 홈 eNodeB(HeNB), 피코 기지국(pico BS), 메트로 기지국(metro BS), 마이크로 기지국(micro BS) 등] 등을 지칭할 수도 있고, ABS, 노드B, eNodeB, AP, RAS, BTS, MMR-BS, RS, RN, ARS, HR-RS, 소형 기지국 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 이동 통신 시스템에서의 주파수 오프셋 보상 방법 및 그 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고속 이동 환경을 나타낸 예시도이다.
첨부한 도 1에 예시된 바와 같이, 단말이 고속 열차와 같이 고속으로 이동하는 이동체에 탑재되어 있는 환경에서, 기지국과 신호를 송수신할 수 있다. 이러한 고속 이동 백홀 환경에서 단말과 기지국 사이의 신호 송수신시, 도플러 시프트(Doppler shift)에 의한 주파수 오프셋이 발생한다.
도 2는 도플러 시프트에 의하여 발생되는 주파수 오프셋을 나타낸 예시도이다.
단말이 기지국으로부터 제1 신호를 수신하는 경우, 도 2에서와 같이, 기지국에서 송신되는 제1 신호의 송신 주파수(f1)에 비해 도플러 시프트에 의하여 주파수 오프셋 fo 만큼 시프트된 주파수(f2)를 가지는 제1 신호를 수신하게 된다. 이후, 단말은 주파수 오프셋 fo를 추정하고 fo만큼 시프트된 주파수(f2)를 단말의 송신 주파수로 사용한다.
이후, 단말은 송신 주파수(f2)를 가지는 제2 신호를 기지국으로 송신하는데, 이때, 기지국은 단말에서 송신되는 제2 신호의 송신 주파수(f2)에 비해 도플러 시프트에 의하여 주파수 오프셋 fo 만큼 시프트된 주파수(f3)를 가지는 제2 신호를 수신하게 된다. 따라서 기지국의 송신 주파수(f1)와 기지국의 수신 주파수(f3)의 간격은 2fo 만큼 증가한다. 그러므로 상향링크 신호의 경우, 2fo 만큼 도플러 주파수 시프트 현상이 발생하므로, 기지국은 고속 예를 들어, 속도 300km/h 이상에서는 반드시 주파수 오프셋을 보상해야만 전송성능의 열화를 방지할 수 있다.
일반적인 셀룰러 통신 환경에서는 기지국에 접속된 단말들이 많기 때문에 각 단말마다 개별적으로 주파수 오프셋을 보상하는 것이 매우 어렵고, 만약 기지국에서 단말마다 주파수 오프셋을 추정하여 보상해 주려면 하드웨어 복잡도가 굉장히 증가하고 따라서 기지국 비용이 증가할 수밖에 없다. 그러나 도 1과 같은 시나리오에서 기지국에 동시에 연결되는 단말(여기서는 고속이동체)이 1개 또는 2개이므로, 상향링크의 도플러 주파수 오프셋을 보상하는 것이 가능하다.
또한, 이동체의 속도가 고속일수록 도플러 주파수가 증가하여 전송성능에 미치는 영향이 크므로, 고속이동체에 안정적인 무선 백홀 링크 품질을 제공하려면 반드시 도플러 주파수 문제를 해결해야 한다. 또한, 도 1과 같은 환경은 기지국이 이동체에 무선백홀 링크를 제공하는 것으로써, 이동체 안에는 수 많은 사용자들이 있기 때문에 무선백홀 링크 품질은 동시에 수 많은 사용자들의 통신 품질에 영향을 주게 된다.
본 발명의 실시 예에서는 기지국이 수신 신호로부터 위와 같이 도플러 시프트에 의하여 발생되는 주파수 오프셋을 다음과 같이 보상한다.
하향링크 수신 신호의 경우, 일반적으로 단말이 수신 신호로부터 주파수 오프셋을 추정하고 추정 결과를 토대로 오실레이터(oscilator)의 클럭을 제어하여 주파수 오프셋을 보상한다. 그러나 상향링크 수신 신호의 경우, 기지국이 상향링크 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상하기 위해 오실레이터의 클럭을 조절할 수가 없는 데, 이는 오실레이터의 클럭이 기준 클럭이기 때문이다. 따라서, 기지국에서 주파수 오프셋을 보상하기 위해서는, 기저 대역에서 수신 신호의 주파수 오프셋을 추정하여 직접 보상하는 방법을 사용한다. 고속 이동 백홀의 기지국에 대해서는 소수의 단말이 존재하기 때문에 위와 같은 방법을 용이하게 적용할 수 있다.
OFDM(orthogonal frequency division modulation) 방식을 사용하는 상향 링크 전송에서, 수신단의 주파수 오프셋은
Figure pat00001
로부터 추정된다.
Figure pat00002
는 추정된 채널을 나타낸다.
가장 먼저
Figure pat00003
를 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform) 하여 채널 임펄스 응답
Figure pat00004
을 구하고,
Figure pat00005
으로부터 채널 임펄스 응답의 전력
Figure pat00006
을 다음과 같이 산출한다.
Figure pat00007
여기서,
Figure pat00008
는 파일롯 심볼 개수를 나타낸다.
Figure pat00009
개의 채널 임펄스 응답의 전력
Figure pat00010
을 가장 큰 값부터 내림 차순으로 정렬하고, 정렬된 값에 대응하는 인덱스
Figure pat00011
에 대응하는 새로운
Figure pat00012
를
Figure pat00013
으로부터 구한다. 즉, 채널 임펄스 응답
Figure pat00014
을 전력이 큰 순서대로 정렬한 것이
Figure pat00015
이다.
Figure pat00016
와 채널 임펄스 응답의 상관관계
Figure pat00017
은 다음 수학식 2와 같이 산출할 수 있다.
Figure pat00018
여기서, (*)는 켤레복소수를 나타낸다.
그리고
Figure pat00019
함수를 사용하여 다음 수학식 3과 같이, 위상 천이
Figure pat00020
를 구한다.
Figure pat00021
위상 천이
Figure pat00022
를 토대로 다음과 같이 주파수 오프셋
Figure pat00023
를 산출한다.
Figure pat00024
여기서,
Figure pat00025
이다.
Figure pat00026
는 OFDM 심볼 길이 대비 CP(cyclic prefix) 길이의 비율을 나타내며,
Figure pat00027
는 두 파일롯 신호 사이의 OFDM 심볼 개수를 나타내고,
Figure pat00028
는 부반송파 간격을 나타낸다.
위에 기술된 바와 같이 산출되는 주파수 오프셋을 추정하고 보상하는 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 장치를 나타낸 도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 방법을 나타낸 도이다.
첨부한 도 3에서와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 장치(10)는 수신 안테나로부터 출력되어 처리되는 수신 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 처리하여 출력하는 FFT부(11), FFT부(11)로부터 출력되는 신호를 토대로 주파수 오프셋을 추정하는 주파수 오프셋 추정부(12), 추정된 주파수 오프셋을 토대로 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상하는 보상처리부(13) 그리고, 주파수 오프셋이 보상된 수신 신호를 복조하는 복조기(14)를 포함한다.
본 발명의 제1 실시 예에는 OFDM 기반의 이동 통신 시스템을 기반으로 하며, 송신단 즉, 단말은 송신 데이터와 함께 채널 추정을 위한 파일롯 신호를 전송한다.
기지국은 이러한 송신 신호를 수신하며, 주파수 오프셋 보상 장치(10)는 도 4에서와 같이, 도시하지 않은 수신 안테나를 통하여 수신되어 디지털 신호로 변환처리된 수신 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 처리하고(S100, S110), FFT 처리된 신호로부터 획득되는 파일롯 신호를 이용하여 주파수 오프셋 f0을 추정한다(S120). 추정된 주파수 오프셋 f0를 이용하여 FFT 전단에서 디지털로 변환된 수신신호의 주파수 오프셋을 보상한다(S130). 즉, FFT부(11)의 입력단에 위치된 보상처리부(13)가 디지털 신호로 처리되어 입력되는 수신 신호와 추정된 주파수 오프셋을 곱하여 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상한다.
이러한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 방법은 기지국에 1개의 단말이 접속되어 있을 때 가능하다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 장치를 나타낸 도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 방법을 나타낸 도이다.
첨부한 도 5에서와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 장치(10)는 위의 제1 실시 예와 같이, FFT부(11), 주파수 오프셋 추정부(12), 보상처리부(13'), 그리고 복조기(14)를 포함하며, 제1 실시 예와는 달리, 보상처리부(13')가 FFT부(11)의 후단에 위치한다.
주파수 오프셋 보상 장치(10)는 도 6에서와 같이, 디지털 신호로 변환처리된 수신 신호를 FFT 처리하고(S300, S310), FFT 처리된 신호로부터 획득되는 파일롯 신호를 이용하여 주파수 오프셋 f0을 추정한다(S320). 추정된 주파수 오프셋 f0를 이용하여 FFT 후단에서 수신신호의 주파수 오프셋을 보상한다(S330). 즉, FFT부(11)의 출력단에 위치된 보상처리부(13)가 FFT부(11)로부터 출력되는 수신 신호와 추정된 주파수 오프셋을 곱하여 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 장치를 나타낸 도이고, 도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 방법을 나타낸 도이다.
본 발명의 제3 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 장치는 위의 제1 및 제2 실시 예를 결합한 형태로 이루어진다. 구체적으로, 첨부한 도 7에서와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 장치(10)는 FFT부(11), 주파수 오프셋 추정부(12), 복조기(14)를 포함하며, 또한 제1 및 제2 실시 예와는 달리, 제1 보상처리부(13a) 및 제2 보상 처리부(13b)를 포함한다. 제1 보상 처리부(13a)는 FFT부(11)의 전단에 위치하여 주파수 오프셋 f0을 토대로 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상한다. 제2 보상 처리부(13b)는 FFT부(11)의 후단에 위치하여 주파수 오프셋이 보상된 수신 신호의 파일럿 신호를 토대로 추정되는 주파수 오프셋 f1을 토대로 수신 신호의 주파수 오프셋을 다시 보상한다.
주파수 오프셋 보상 장치(10)는 도 8에서와 같이, 디지털 신호로 변환처리된 수신 신호를 FFT 처리하고(S500, S510), FFT 처리된 신호로부터 획득되는 파일롯 신호를 이용하여 주파수 오프셋 f0을 추정한다(S520). 추정된 주파수 오프셋 f0를 이용하여 FFT 전단에서 수신신호의 주파수 오프셋을 보상한다(S530). 그리고, 주파수 오프셋이 보상된 수신 신호는 FFT 처리되고 이로부터 획득되는 파일롯 신호를 다시 이용하여 주파수 오프셋 f1을 추정한다(S540, S550). 다음에, 주파수 오프셋 f1을 이용하여 FFT 후단에서 추가적으로 주파수 오프셋을 보상한다(S560). 이때 주파수 오프셋 f1을 토대로 주파수 오프셋 f0에 의해 완전히 보상되지 않고 남아있는 잔여 오프셋까지 보상한다.
위에 기술된 제1 내지 제3 실시 예들과 같이, 기저대역에서 수신신호의 주파수 옵셋을 추정하여 보상할 수 있으며, 디지털 방식으로 처리하기 때문에 하드웨어 설계 및 제어가 용이해진다.
도 9는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 장치를 나타낸 도이다.
본 발명의 제4 실시 예에서는 기지국에 둘 이상의 단말이 접속되어 있는 경우에, 주파수 옵셋을 보상한다.
첨부한 도 9에서와 같이, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 주파수 오프셋 보상 장치(10)는 FFT부(110)와, 제1 오프셋 보상 처리부(120) 및 제2 오프셋 보상 처리부(130)를 포함한다.
제1 오프셋 보상 처리부(120)는 주파수 오프셋 추정부(121), 추정된 주파수 오프셋을 토대로 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상하는 보상처리부(122) 그리고, 주파수 오프셋이 보상된 수신 신호를 복조하는 복조기(123)를 포함한다.
제2 오프셋 보상 처리부(130)는 주파수 오프셋 추정부(131), 추정된 주파수 오프셋을 토대로 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상하는 보상처리부(132) 그리고, 주파수 오프셋이 보상된 수신 신호를 복조하는 복조기(133)를 포함한다.
제1 및 제2 오프셋 보상 처리부(120, 130)는 제2 실시 예와 같이, FFT 후단에서 주파수 오프셋 보상을 수행하며, 예를 들어, 제1 오프셋 보상 처리부(120)는 제1 단말로부터 수신되는 신호에 대한 주파수 오프셋 보상을 수행하고, 제2 오프셋 보상 처리부(130)는 제2 단말로부터 수신되는 신호에 대한 주파수 오프셋 보상을 수행한다.
이러한 구조로 이루어지는 주파수 오프셋 보상 장치(10)는 위의 제2 실시 예와 같이, 디지털 신호로 변환처리된 수신 신호를 FFT 처리하고, FFT 처리된 신호로부터 획득되는 파일롯 신호를 이용하여 주파수 오프셋을 추정한다. 이때, 제1 오프셋 보상 처리부(120)와 제2 오프셋 보상 처리부(130)가 FFT 처리된 수신신호로부터 각 사용자별로 할당된 파일롯 신호를 이용하여 사용자별로 각각 주파수 오프셋(f0_user1, f0_ user2)을 추정한다.
그리고 각각 추정된 주파수 오프셋(f0_ user1 , f0_ user2)을 이용하여 FFT 후단에서사용자별로 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상한다
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (1)

  1. 단말이 고속으로 이동하는 환경에서, 기지국이 주파수 오프셋을 보상하는 방법에서,
    디지털 신호로 변환처리된 수신 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 처리하는 단계;
    상기 FFT 처리된 신호로부터 획득되는 파일롯 신호를 이용하여 주파수 오프셋을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 주파수 오프셋을 이용하여 상기 FFT 처리 전에, 디지털로 변환된 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상하거나, 상기 FFT 처리 후의 수신 신호의 주파수 오프셋을 보상하는 단계
    를 포함하는, 주파수 오프셋 보상 방법.







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