KR20200077079A - SC-FDE Transceiver System Robust Narrowband Interference and Low Pilot Overhead - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템에 관한 것으로서, 파일럿으로 인해 발생하는 파일럿 오버헤드를 감소시키면서 협대역 간섭신호에 대응할 수 있는 새로운 SC-FDE 송수신 구조에 관한 것이다.The present invention relates to an SC-FDE transmission/reception system for coping with narrowband interference signals and reducing pilot overhead, and to a new SC-FDE transmission/reception structure capable of coping with narrowband interference signals while reducing pilot overhead caused by pilots. It is about.
다중경로 페이딩 환경에서 고속의 데이터를 전송하기 위해서는 수신기에서 채널 등화를 쉽게 수행할 수 있어야 한다. 이동통신 뿐만 아니라 군 전술통신 및 무인기와 지상국 간 통신에서도 채널 등화를 고려한 통신방식 설계가 이루어지고 있다.In order to transmit high-speed data in a multipath fading environment, channel equalization must be easily performed at a receiver. In addition to mobile communication, communication method design considering channel equalization is being made in military tactical communication and communication between UAV and ground stations.
이러한 점을 고려한 다양한 통신방식 중 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)과 SC-FDE(Single Carrier Frequency Domain Equalization)는 가장 널리 사용되고 있는 통신방식이다.Among various communication methods considering this point, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) and SC-FDE (Single Carrier Frequency Domain Equalization) are the most widely used communication methods.
OFDM은 송신신호와 채널 임펄스 응답의 순환 컨벌루션(convolution)이 되도록 하여 주파수 영역에서 간단한 등화기법으로 채널을 보상하는 방식이며 주파수를 분할하여 다중사용자 동시접속이 가능한 것이 장점이다.OFDM is a method of compensating a channel with a simple equalization technique in the frequency domain by allowing cyclic convolution of a transmission signal and a channel impulse response. It is advantageous in that multi-user simultaneous access is possible by dividing frequencies.
이러한 장점으로 OFDM은 IEEE802.11 무선 LAN과 같은 광대역 무선 통신시스템 및 LTE 하향링크 전송 기술로 사용되고 있다. 그러나, OFDM은 높은 PAPR(Peak-to-average Ratio) 특성으로 인해 전력증폭기에 많은 부담을 주며 전력효율이 낮은 문제가 있다. 또한, 반송파 주파수 오프셋으로 인한 ICI (Inter Channel Interference)가 발생하는 문제도 있다.Due to these advantages, OFDM is used as a broadband wireless communication system such as IEEE802.11 wireless LAN and LTE downlink transmission technology. However, due to the high peak-to-average ratio (PAPR), OFDM puts a lot of burden on the power amplifier and has a problem of low power efficiency. In addition, there is also a problem that ICI (Inter Channel Interference) occurs due to carrier frequency offset.
이러한 문제를 해결할 수 있는 방식 중 하나가 SC-FDE(Single Carrier Frequency Domain Equalization)이다. SC-FDE는 OFDM과 비슷한 성능을 가지며 상대적으로 PAPR이 작고 다중 경로 페이딩 환경에서 역시 주파수 영역 등화가 가능하여 간단하게 채널왜곡을 보상할 수 있는 장점이 있다. 셀룰러 폰은 높은 전력효율이 중요하기 때문에 SC-FDE가 LTE 상향링크에 사용되고 있으며. 배터리로 동작하는 군 전술 무전기 및 군 드론 통신 등에도 적용이 되고 있다.One of the ways to solve this problem is SC-FDE (Single Carrier Frequency Domain Equalization). SC-FDE has similar performance to OFDM, has a relatively small PAPR, and can perform frequency domain equalization in a multipath fading environment, thereby simplifying channel distortion compensation. Because cellular phones have high power efficiency, SC-FDE is used for LTE uplink. It is also applied to battery operated military tactical radios and military drone communications.
종래의 SC-FDE(Single Carrier Frequency Domain Equalization) 구조는 협대역 재머(jammer)가 존재할 때 시간영역 채널 추정이 어려워 수신기의 성능이 저하되는 단점이 있다. 또한, 매 SC-FDE마다 채널추정을 위한 파일럿을 전송함에 따라 스펙트럼 효율이 저하되는 문제도 있다.The conventional SC-FDE (Single Carrier Frequency Domain Equalization) structure has a disadvantage in that the performance of the receiver is deteriorated due to difficulty in estimating the time domain channel when a narrow band jammer is present. In addition, there is a problem in that the spectrum efficiency decreases as a pilot for channel estimation is transmitted for every SC-FDE.
이에 본 출원인은 전술한 문제를 해결하기 위해 재머가 존재하는 환경에서도 시간영역 채널 추정 없이 곧바로 주파수 영역 채널 추정이 가능하고, 주파수 영역에서 추정된 채널을 이용하여 선형 보간 채널 추정을 통해 파일럿 사이의 각 데이터 블록들에서의 채널 특성을 찾을 수 있어, 파일럿 오버헤드를 줄이면서도 이동환경에서 채널 추정 성능 열화를 줄일 수 있는 본 발명을 착안하게 되었다.Accordingly, in order to solve the above-mentioned problem, the present applicant can directly estimate the frequency domain channel without time domain channel estimation even in an environment where jammers exist, and each of the pilots is estimated through linear interpolation channel estimation using the estimated channel in the frequency domain. It is possible to find a channel characteristic in data blocks, so that the present invention can reduce the degradation of channel estimation performance in a mobile environment while reducing pilot overhead.
본 발명의 목적은, 파일럿을 위한 CP를 삽입함으로써, 재머가 존재하는 환경에서도 시간영역 채널 추정 없이 곧바로 주파수 영역 채널 추정이 가능하고, 주파수 영역에서 추정된 채널을 이용하여 선형 보간 채널 추정을 통해 파일럿 사이의 각 데이터 블록들에서의 채널 특성을 찾을 수 있어, 파일럿 오버헤드를 줄이면서도 이동환경에서 채널 추정 성능 열화를 줄이는데 있다.An object of the present invention, by inserting a CP for the pilot, it is possible to directly estimate the frequency domain channel without the time domain channel estimation even in the presence of jammers, and pilot through linear interpolation channel estimation using the estimated channel in the frequency domain It is possible to find a channel characteristic in each data block in between, thereby reducing pilot overhead and reducing channel estimation performance degradation in a mobile environment.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템은, 협대역 재머 환경에서 파일럿 신호를 수신하는 수신기; 파일럿 신호를 송신하는 송신기; 수신한 파일럿 신호에서 CP를 제거하는 CP제거기; CP가 제거된 파일럿 신호에서 주파수 영역 파일럿 신호()를 추출하고, 송신한 파일럿 신호로부터 주파수 영역 파일럿 신호()를 추출하는 FFT; 및 두 주파수 영역 파일럿 신호(, )로부터 선형보간을 통해 각각 주파수 영역 채널()을 추정하는 채널 추정기를 포함하는 것을 특징으로 한다.SC-FDE transmission and reception system for narrow-band interference signal response and pilot overhead reduction according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a receiver for receiving a pilot signal in a narrow-band jammer environment; A transmitter that transmits a pilot signal; A CP remover to remove CP from the received pilot signal; The frequency domain pilot signal ( ), and the frequency domain pilot signal ( FFT to extract ); And two frequency domain pilot signals ( , ) Through linear interpolation to each frequency domain channel ( Characterized in that it comprises a channel estimator for estimating ).
CP제거기는, 수신기로부터 파일럿 신호에서 CP를 제거하되, 파일럿 신호에서 수신신호로부터 CP의 길이()를 제거하는 것을 특징으로 한다.CP remover removes CP from the pilot signal from the receiver, but the length of CP from the received signal in the pilot signal ( It is characterized by removing.
FFT는, CP가 제거된 파일럿 신호에서 주파수 영역 파일럿 신호()를 추출하고, 상기 송신기가 송신한 파일럿 신호로부터 주파수 영역 파일럿 신호()를 추출하는 것을 특징으로 한다.The FFT is a frequency-domain pilot signal ( ), and the frequency domain pilot signal ( It characterized in that the extraction.
FFT에 의해 추출된 주파수 영역 파일럿 신호()가 기 설정된 값을 초과하는 경우, 주파수에 협대역 재머가 존재하는 것으로 판단하는 재머 감지기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Frequency domain pilot signal extracted by FFT ( If) exceeds a predetermined value, it is characterized in that it further comprises a jammer detector for determining that a narrow-band jammer is present in the frequency.
본 발명에 따르면, CP를 제거하여 추출한 주파수 영역 파일럿 신호로부터 선형보간을 통해 각각 주파수 영역 채널을 추정함으로써, 재머가 존재하는 환경에서도 시간영역 채널 추정 없이 곧바로 주파수 영역 채널 추정이 가능하고, 주파수 영역에서 추정된 채널을 이용하여 선형 보간 채널 추정을 통해 파일럿 사이의 각 데이터 블록들에서의 채널 특성을 찾을 수 있어, 파일럿 오버헤드를 줄이면서도 이동환경에서 채널 추정 성능 열화를 줄일 수 있다.According to the present invention, by estimating each frequency domain channel through linear interpolation from the frequency domain pilot signal extracted by removing the CP, it is possible to estimate the frequency domain channel directly without time domain channel estimation even in an environment where jammers exist. Using the estimated channel, channel characteristics in each data block between pilots can be found through linear interpolation channel estimation, thereby reducing pilot overhead and reducing channel estimation performance degradation in a mobile environment.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 SC-FDE 전송 구조와 수신과정을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템의 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템을 도시한 블록도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템의 재머 감지기를 도시한 블록도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템의 모의실험 환경을 도시한 블록도.
도 6은 도 5에 도시된 환경을 토대로 주파수 영역에서 이상적인 채널과 협대역 재머가 존재할 때 추정된 채널을 도시한 도면.
도 7은 2개의 파일럿 사이에 3개의 데이터 블록이 존재하는 경우 각 주파수에서 채널 추정값을 도시한 도면.
도 8은 이동속도가 100[km/h] 일 때의 페이딩 환경에서 협대역 재머의 유무 및 데이터 블록의 수 M 에 따른 BER(Bit Error Ratio) 성능을 도시한 도면.The following drawings attached in this specification are intended to illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention together with the detailed description of the invention described below, and thus the present invention is described in such drawings. It is not limited to interpretation.
1 is a view showing a conventional SC-FDE transmission structure and reception process.
FIG. 2 is a diagram illustrating the structure of an SC-FDE transmission/reception system for coping with narrowband interference signals and reducing pilot overhead according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram showing an SC-FDE transmission and reception system for narrowband interference signal response and pilot overhead reduction according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram showing a jammer detector of an SC-FDE transmission/reception system for coping with narrowband interference signals and reducing pilot overhead according to an embodiment of the present invention.
5 is a block diagram showing a simulation environment of an SC-FDE transmission/reception system for coping with narrowband interference signals and reducing pilot overhead according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating an estimated channel when an ideal channel and a narrow band jammer exist in the frequency domain based on the environment shown in FIG. 5.
FIG. 7 is a diagram showing channel estimation values at each frequency when three data blocks exist between two pilots.
FIG. 8 is a diagram showing bit error ratio (BER) performance according to the presence or absence of a narrow band jammer and the number M of data blocks in a fading environment when the moving speed is 100 [km/h].
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the contents described in the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the exemplary embodiments. The same reference numerals in each drawing denote members that perform substantially the same function.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The objects and effects of the present invention may be naturally understood or more apparent by the following description, and the objects and effects of the present invention are not limited only by the following description. In addition, in the description of the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.
도 1은 종래의 SC-FDE 전송 구조와 수신과정을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 SC-FDE 블록은 CP(Cyclic Prefix), 파일럿, 데이터로 구성된다. SC-FDE는 단일반송파 전송 구조로 OFDM과 달리 송신기에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 과정이 존재하지 않는다.1 is a view showing a conventional SC-FDE transmission structure and reception process. As shown in FIG. 1, one SC-FDE block is composed of CP (Cyclic Prefix), pilot, and data. SC-FDE is a single carrier transmission structure, and unlike OFDM, there is no IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) process in the transmitter.
이때, CP의 길이는 이며 데이터의 마지막 개 심볼이다. 파일럿과 데이터의 길이는 각각 , 이다. 파일럿과 데이터 길이의 합은 N() 이다. 은 수신기에서의 FFT(Fast Fourier Transform) 크기이다. 수신기에서는 파일럿을 이용하여 먼저 시간영역 채널추정을 수행한다. 추정된 시간영역 채널의 임펄스 응답은 주파수 영역 채널 추정 및 등화에 사용한다. 채널을 통과하여 수신된 수신신호를 이라고 하고 채널의 임펄스 응답을 , 송신 파일럿 신호를 이라고 하면 다음의 [수학식 1]과 같이 쓸 수 있다.At this time, the length of CP Is the last of the data Dog symbol. The length of the pilot and data is , to be. The sum of pilot and data length is N( ) to be. Is the FFT (Fast Fourier Transform) size at the receiver. The receiver first performs time-domain channel estimation using a pilot. The estimated time domain channel impulse response is used for frequency domain channel estimation and equalization. The received signal received through the channel And the impulse response of the channel Transmit pilot signal Can be written as [Equation 1] below.
[수학식 1] [Equation 1]
여기서, 는 채널 임펄스 응답 벡터이며 , 는 채널 임펄스 응답의 길이를 의미한다. 는 가우시안 잡음을 나타내고 는 송신 파일럿 벡터로 이다. 주파수 영역 등화를 위해서는 주파수 영역 채널이 필요하나 이를 위해 먼저 시간영역 채널 추정을 수행한다. 시간영역 채널의 FFT를 통해 주파수 영역 채널을 찾을 수 있다. 시간영역 채널 추정은 최소자승 기법을 통해 수행한다. here, Is the channel impulse response vector , Denotes the length of the channel impulse response. Denotes Gaussian noise Is the transmit pilot vector to be. A frequency domain channel is required for frequency domain equalization, but time domain channel estimation is first performed for this purpose. The frequency domain channel can be found through the FFT of the time domain channel. Time-domain channel estimation is performed using the least squares technique.
[수학식 2][Equation 2]
[수학식 2]에서 이고 이다. 추청한 시간영역 채널 의 N 포인트 FFT를 통해 주파수 영역 채널 를 얻는다. 채널을 보상하는 등화는 낮은 SNR(Signal to Noise Ratio) 영역에서 성능을 향상하기 위해 MMSE(Minimum Mean Square Error) 등화를 수행한다. 등화 수식은 다음과 같다.In [Equation 2] ego to be. Time domain channel Frequency domain channel through N point FFT Get The channel-compensated equalization performs MMSE (Minimum Mean Square Error) equalization to improve performance in a low signal to noise ratio (SNR) region. The equalization formula is as follows.
여기서, 은 잡음의 분산, 는 주파수 영역 수신신호이다. 등화가 수행된 는 IFFT를 통해 시간영역 신호로 변환된다. here, Dispersion of noise, Is a frequency domain received signal. Equalized Is converted to a time domain signal through IFFT.
협대역 재밍 환경에서 전술한 종래의 방식은 아래와 같은 문제점이 있다.The conventional method described above in the narrowband jamming environment has the following problems.
군 작전 중에는 통신에 사용되고 있는 주파수가 적에게 노출될 수 있고, 적은 악의적인 목적으로 해당 주파수에 전파공격, 즉 재머 공격을 가할 수 있다.During a military operation, the frequency being used for communication can be exposed to the enemy, and the enemy can launch a radio attack, or jammer attack, on that frequency for malicious purposes.
SC-FDE 통신이 재머 공격을 받을 경우, 시간영역 신호의 낮은 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 때문에 시간영역 채널 추정이 제대로 수행될 수 없고 이에 따라 등화도 역시 제대로 수행될 수 없어 통신이 어려워진다. When the SC-FDE communication is subjected to jammer attack, the time domain channel estimation cannot be performed properly due to the low signal to interference plus noise ratio (SINR) of the time domain signal, and accordingly, equalization cannot be performed properly, making communication difficult. .
또한, 보편적인 SC-FDE 전송 구조에서는 이동환경에서 채널추정을 위해 매 SC-FDE 블록마다 파일럿을 삽입하며, 이 때문에 파일럿 오버헤드가 큰 문제도 있다. 파일럿 오버헤드는 다음의 [수학식 3]과 같이 표현된다.In addition, in a universal SC-FDE transmission structure, pilots are inserted for every SC-FDE block for channel estimation in a mobile environment, and thus there is a big problem in pilot overhead. The pilot overhead is expressed by the following [Equation 3].
[수학식 3][Equation 3]
pilot overhead pilot overhead
긴 파일럿이 사용되면 채널 추정 성능은 향상되겠지만 파일럿 오버헤드가 증가한다. 파일럿 오버헤드는 SC-FDE 전송 스펙트럼 효율을 감소시키므로 파일럿 오버헤드를 줄이면서도 채널 추정성능을 높일 수 있는 방법이 요구된다.If long pilots are used, channel estimation performance will improve, but pilot overhead will increase. Since the pilot overhead reduces the SC-FDE transmission spectrum efficiency, a method for reducing the pilot overhead and improving channel estimation performance is required.
따라서, 이하 설명하는 본 발명의 일 실시예에서는, 파일럿을 매 SC-FDE 블록에서 전송하는 대신 가끔 전송하고, 파일럿과 파일럿 전송 사이에 여러개의 SC-FDE 데이터 블록을 전송함으로써, 파일럿 오버헤드를 감소시킬 수 있는 새로운 SC-FDE 구조를 제시하고 이에 따른 수신기에서의 채널추정 방안을 제안하고자 한다.Therefore, in one embodiment of the present invention described below, the pilot overhead is reduced by occasionally transmitting a pilot instead of transmitting it in every SC-FDE block, and by transmitting multiple SC-FDE data blocks between the pilot and the pilot transmission. We propose a new SC-FDE structure and suggest a channel estimation method according to the receiver.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템의 구조를 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating the structure of an SC-FDE transmission/reception system for coping with narrowband interference signals and reducing pilot overhead according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조는 파일럿을 기 설정된 시간마다 전송하여 재머가 있을 때에도 시간영역 채널 추정 없이 주파수 영역 채널 추정이 가능하도록 파일럿과 대응하는 CP(Cyclic Prefix)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 2, the structure according to an embodiment of the present invention transmits a pilot every predetermined time, and a CP (Cyclic Prefix) corresponding to a pilot enables a frequency domain channel estimation without time domain channel estimation even when there is jammer. ).
이때, 파일럿의 길이는 라고 하고 CP의 길이는 라고 한다. 이로 인해 데이터 블록 뿐만아니라 채널 추정에서도 FFT를 통한 주파수 영역 채널 추정을 가능하게 한다. 데이터 블록은 길이 의 CP와 길이 의 데이터로 이루어진다.At this time, the length of the pilot And the length of CP It is said. This enables frequency domain channel estimation through FFT in channel estimation as well as data blocks. Data block length CP and Length It is made of data.
데이터 블록에는 파일럿이 포함되지 않으므로 본 발명의 일 실시예에 따른 구조는 파일럿 전송 비율이 기존 구조 보다 훨씬 낮다. 하지만 파일럿을 가끔 전송하면 이동환경에서 시변 채널을 정확하게 추정하는데 문제가 생길 수 있다.Since the pilot is not included in the data block, the pilot transmission rate of the structure according to an embodiment of the present invention is much lower than that of the existing structure. However, if the pilot is occasionally transmitted, there may be a problem in accurately estimating the time-varying channel in the mobile environment.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 이 문제를 선형 보간법으로 해결하며, 각 파일럿에서 채널추정을 수행하고 파일럿과 파일럿 사이의 채널은 선형보간법을 이용하여 추정한다. 선형 보간법이 완벽한 보간법이 아니므로 고속 무선 환경에서 추정성능이 저하될 수 있지만 시뮬레이션 결과에 따르면 100 km/h 이상의 이동속도에서도 채널추정 성능의 저하가 없다는 것을 확인하였다.Therefore, in an embodiment of the present invention, this problem is solved by a linear interpolation method, channel estimation is performed in each pilot, and a channel between the pilot and the pilot is estimated using a linear interpolation method. Since the linear interpolation method is not a perfect interpolation method, the estimation performance may deteriorate in a high-speed wireless environment, but the simulation results confirm that there is no deterioration in channel estimation performance even at a movement speed of 100 km/h or more.
도 3을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템(S)은, 협대역 재머 환경에서 파일럿 신호를 수신하는 수신기(100)와, 파일럿 신호를 송신하는 송신기(200)와, 수신한 파일럿 신호에서 CP를 제거하는 CP제거기(300)와, CP가 제거된 파일럿 신호에서 주파수 영역 파일럿 신호()를 추출하고, 송신한 파일럿 신호로부터 주파수 영역 파일럿 신호()를 추출하는 FFT(400), 및 두 주파수 영역 파일럿 신호(, )로부터 선형보간을 통해 각각 주파수 영역 채널()을 추정하는 채널 추정기(500)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 3, the SC-FDE transmission/reception system (S) for coping with narrowband interference signals and reducing pilot overhead according to an embodiment of the present invention includes a
구체적으로, 수신기(100)가 협대역 재머 환경에서 수신한 신호는 [수학식 4]와 같이 표현할 수 있고, 여기서 은 협대역 재머를 나타낸다.Specifically, the signal received by the
[수학식 4][Equation 4]
CP제거기(300)는 수신기(100)로부터 파일럿 신호에서 CP를 제거하되, CP와 파일럿이 포함된 파일럿 신호로부터 CP의 길이()를 제거한다.
FFT(400)는 CP가 제거된 파일럿 신호에서 주파수 영역 파일럿 신호()를 추출하고, 송신기(200)가 송신한 파일럿 신호로부터 주파수 영역 파일럿 신호()를 추출한다.The
이때, 추출한 주파수 영역 파일럿 신호는 각각 아래의 수학식과 같이 표현할 수 있다.At this time, the extracted frequency domain pilot signals can be expressed as in the following equation.
그리고, 채널 추정기(500)가 두 주파수 영역 파일럿 신호(, )로부터 선형보간을 통해 각각 주파수 영역 채널을 추정하며, 주파수 영역 채널 추정값()은 아래의 수학식과 같이 표현할 수 있다.And, the
구체적으로, 채널 추정기(500)는 파일럿 사이의 데이터 블록에서 채널을 추정하기 위해 선형보간을 이용하여 채널을 추정하는데, 이때, 두 파일럿 사이의 무선채널은 시간에 따라 선형으로 변한다고 가정한다.Specifically, the
두 개의 파일럿 사이에 M개의 데이터 블록이 있다고 상정하고, 데이터의 앞쪽 파일럿을 0번째 블록이라고 하고 뒤쪽 파일럿을 M+1번째 블록이라고 상정한다.It is assumed that there are M data blocks between the two pilots, and that the front pilot of the data is called the 0th block and the rear pilot is called the M+1th block.
m번째() 데이터 블록의 번째 주파수 영역 채널 특성을 라고 표현한다. 첫 번째 파일럿과 두 번째 파일럿에서 의 채널 추정 값은 각각 와 라고 표현한다. m번째 데이터 블록의 채널은 다음과 같이 선형보간법으로 구하면 아래의 [수학식 5]와 같이 도출된다.mth ( ) Of data blocks Frequency domain channel characteristics It is expressed as The channel estimates for the first pilot and the second pilot are Wow It is expressed as When the channel of the m-th data block is obtained by linear interpolation as follows, it is derived as shown in [Equation 5] below.
[수학식 5][Equation 5]
이때, 파일러 오버헤드는 [수학식 6]과 같다.At this time, the pilot overhead is equal to [Equation 6].
[수학식 6][Equation 6]
pilot overhead pilot overhead
전술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면 종래의 SC-FDE 구조보다 파일럿 오버헤드를 1/M로 줄일 수 있다.According to one embodiment of the present invention as described above, it is possible to reduce the pilot overhead to 1/M than the conventional SC-FDE structure.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템(S)은, 협대역 재머의 존재여부를 감지하는 재머 감지기(600)를 더 포함하여 구성된다.In addition, the SC-FDE transmission/reception system (S) for coping with narrowband interference signals and reducing pilot overhead according to an embodiment of the present invention further includes a jammer detector 600 for detecting the existence of a narrowband jammer. It is composed.
도 4를 참조하면, 재머 감지기(600)는 FFT(400)에 의해 추출된 주파수 영역 파일럿 신호()가 기 설정된 값을 초과하는 경우, 주파수에 협대역 재머가 존재하는 것으로 판단한다.4, the jammer detector 600 is a frequency domain pilot signal extracted by the FFT 400 ( ) Exceeds a preset value, it is determined that a narrowband jammer exists in the frequency.
또한, 재머 감지기(600)는 채널 추정기(500)에 의해 추정된 주파수 영역 채널 추정값()이 기 설정된 값을 초과하는 경우, 주파수에 협대역 재머가 존재하는 것으로 판단한다.In addition, the jammer detector 600 estimates the frequency domain channel estimated by the channel estimator 500 ( ) Exceeds a preset value, it is determined that a narrowband jammer exists in the frequency.
특정 주파수에 협대역 재머가 존재하는 경우 해당 주파수에서 채널 추정 값은 기 설정된 값보다 큰 값이 관찰되게 되는데, 이는 해당 주파수의 에서 큰 값이 관찰될 것이기 때문이다. 이 경우 해당 도 큰 값이 나타나게 된다.When a narrow-band jammer exists at a specific frequency, a channel estimation value greater than a preset value is observed at that frequency. Because a large value will be observed. In this case Also, a large value appears.
이때, 등화를 수행하기 위해 수신신호를 추정한 채널로 나누면 재머가 존재하는 주파수의 신호는 자연스럽게 크기가 줄어든다.At this time, if the received signal is divided into the estimated channel to perform equalization, the signal of the frequency where the jammer is present is naturally reduced in size.
일반적으로 재머가 위치한 주파수를 알면 그 위치를 0으로 만드는 것이 가장 좋은 방법인데 본 발명의 일 실시예에 따른 구조는 등화 과정에서 자연스럽게 0으로 만드는 널링효과가 발생한다.In general, knowing the frequency where the jammer is located, it is best to make the
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템의 구조에 의하면, 재머의 주파수를 추정할 필요 없이 등화의 과정에서 재머의 영향이 줄어들게 되며, 이에 따라 재머의 존재유무를 따로 추정할 필요가 없게 된다.Accordingly, according to the structure of the SC-FDE transmission/reception system for coping with narrowband interference signals and reducing pilot overhead according to an embodiment of the present invention, the effect of jammer is reduced in the process of equalization without the need to estimate the frequency of the jammer, Therefore, there is no need to separately estimate the existence of jammers.
한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템의 모의실험 환경을 도시한 블록도이다.Meanwhile, FIG. 5 is a block diagram showing a simulation environment of an SC-FDE transmission/reception system for coping with narrowband interference signals and reducing pilot overhead according to an embodiment of the present invention.
먼저, 송신기는 이진 데이터를 생성하고 에러 정정을 위해 FEC(forward error correction) 인코딩을 수행한다.First, the transmitter generates binary data and performs forward error correction (FEC) encoding for error correction.
이어서, 무선 채널 환경에서 발생하기 쉬운 군집에러를 방지하기 위해 데이터의 순서를 일정단위로 재배열 시키는 인터리빙(Interleaving)을 수행한다.Subsequently, interleaving is performed to rearrange the order of data in a certain unit to prevent a cluster error that is likely to occur in a wireless channel environment.
뒤이어, QPSK 변조를 수행하고 블록 간에 발생하는 간섭을 방지하고 주파수 영역 등화를 수행하기 위해 CP와 파일럿을 삽입하여 송신한다.Subsequently, CP and pilot are inserted and transmitted to perform QPSK modulation, to prevent interference between blocks, and to perform frequency domain equalization.
이때, 송신된 신호는 채널을 통과하여 수신되는데, 협대역 재머가 존재할 경우 송신신호에 협대역 재머가 더해져 수신된다.At this time, the transmitted signal is received through the channel. If a narrow-band jammer exists, the transmitted signal is received by adding a narrow-band jammer.
이어서, 수신기가 주파수 영역 채널 추정 및 등화를 수행하기 위해 수신신호의 두 개의 파일럿을 FFT 하여 주파수 영역 채널을 구한다.Subsequently, in order to perform frequency domain channel estimation and equalization, the receiver FFTs two pilots of the received signal to obtain a frequency domain channel.
그리고, 채널 등화를 수행한다. 이에 따라 채널 보상된 신호는 IFFT가 수행되고 Soft decision, 디인터리빙, 및 FEC 디코딩을 순차적으로 진행하여 데이터를 복원한다.Then, channel equalization is performed. Accordingly, IFFT is performed on the channel-compensated signal, and data is restored by sequentially performing soft decision, deinterleaving, and FEC decoding.
[표 1][Table 1]
상기 [표 1]은 모의실험에 사용한 자세한 파라미터를 나타낸다. 여기서 CP 길이는 심볼(=32), 파일럿 길이 및 FFT 크기는 512이다. 채널코드는 코드율이 1/2인 LDPC(Low-density Parity-check) 코드를 사용하였다. 협대역 재머가 존재하는 환경을 위해 1개의 협대역 재머를 고려하였으며 JSR(Jammer to Signal Ratio)은 0 dB로 고정하였다.[Table 1] above shows detailed parameters used in the simulation. Where CP length is symbol ( =32), pilot length and FFT size is 512 to be. LDPC (Low-density Parity-check) code with a code rate of 1/2 was used as the channel code. For the environment where a narrowband jammer exists, one narrowband jammer was considered and the jammer to signal ratio (JSR) was fixed at 0 dB.
도 6은 도 5에 도시된 환경을 토대로 주파수 영역에서 이상적인 채널과 협대역 재머가 존재할 때 추정된 채널을 도시한 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating an estimated channel when an ideal channel and a narrow band jammer are present in the frequency domain based on the environment illustrated in FIG. 5.
파란 점선은 추정된 채널을 나타내고 빨간 실선은 이상적인 채널을 나타낸다. 재머의 위치 및 크기를 포함하여 이상적인 채널과 추정 채널이 거의 일치함을 확인할 수 있다.The blue dotted line represents the estimated channel and the red solid line represents the ideal channel. It can be seen that the ideal channel and the estimated channel are almost identical, including the jammer position and size.
도 7은 M=3 인 경우 추정된 채널, 즉 2개의 파일럿 사이에 3개의 데이터 블록이 존재하는 경우 각 주파수에서 채널 추정값을 보인다. 512 개의 FFT 포인트 중 편의를 위해 협대역 재머가 존재하는 주파수 범위만을 보이고 있다.FIG. 7 shows a channel estimation value at each frequency when M=3 is an estimated channel, that is, when three data blocks exist between two pilots. For convenience, among the 512 FFT points, only a frequency range in which a narrow band jammer is present is shown.
선형 보간법을 통해 두 파일럿의 채널 추정값을 이용하여 등간격으로 등분하여 데이터 블록의 채널을 추정하고 있음을 확인할 수 있다.Through linear interpolation, it can be confirmed that the channel of the data block is estimated by equally dividing the data using the channel estimates of the two pilots.
도 8은 이동속도가 100[km/h] 일 때의 페이딩 환경에서 협대역 재머의 유무 및 데이터 블록의 수 M 에 따른 BER(Bit Error Ratio) 성능을 보인다. 협대역 재머가 존재할 때 기존의 SC-FDE 구조의 성능도 같이 나타내었다.8 shows a bit error ratio (BER) performance according to the presence or absence of a narrow band jammer and the number M of data blocks in a fading environment when the moving speed is 100 [km/h]. The performance of the existing SC-FDE structure is also shown when a narrow band jammer is present.
페이딩 채널 모델은 7-path Rayleigh 모델이며 각 다중경로 별 전력은 [0.73, 0.031, 0.034, 0.051, 0.061, 0.042, 0.051] 이고, 다중 경로 지연은 [0, 1.6, 3.2, 4.8, 6.4, 8.0, 9.6] 이다.The fading channel model is a 7-path Rayleigh model, and the power for each multipath is [0.73, 0.031, 0.034, 0.051, 0.061, 0.042, 0.051], and the multipath delay is [0, 1.6, 3.2, 4.8, 6.4, 8.0, 9.6] to be.
모의실험 결과에 따르면 협대역 재머가 존재할 때 기존의 SC-FDE 구조의 성능이 크게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 하지만 제안하는 SC-FDE 구조는 협대역 재머가 존재할 때 기존의 구조보다 성능이 월등하게 향상됨을 보인다. 협대역 재머가 존재하지 않을 때보다 약 2 dB 정도 성능이 떨어지지만, 기존 구조는 거의 통신할 수 없음을 고려하면 상대적으로 우수한 성능을 보인다.According to the simulation results, it can be seen that the performance of the existing SC-FDE structure is significantly reduced when a narrow band jammer is present. However, the proposed SC-FDE structure shows a significant improvement in performance over the existing structure when a narrow-band jammer is present. The performance is about 2 dB lower than when the narrow-band jammer does not exist, but the existing structure shows relatively good performance considering that it can hardly communicate.
이와 같은 모의실험 결과는 제안된 SC-FDE 구조가 협대역 재머가 존재하는 경우에도 통신을 가능하게 할 뿐만 아니라 파일럿 오버헤드를 줄여 통신 신뢰성과 주파수 효율을 모두 높일 수 있음을 보인다.The simulation results show that the proposed SC-FDE structure not only enables communication even in the presence of narrow-band jammers, but also reduces pilot overhead, thereby improving both communication reliability and frequency efficiency.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 시간영역 채널 추정 없이 주파수 채널 추정을 수행하고 선형 보간법을 이용함으로써 협대역 재머 또는 간섭 신호가 존재하는 환경에서 기존 구조보다 우수한 성능을 보였으며 파일럿 오버헤드 역시 기존 방식보다 줄일 수 있음을 확인하였다. 따라서, 제안하는 SC-FDE 구조는 군사 통신 시스템이나 무인 항공기와 같은 안전이 중요시되는 시스템에 적용할 수 있다.As described above, according to an embodiment of the present invention, frequency channel estimation is performed without time-domain channel estimation and linear interpolation is used to show better performance than existing structures in an environment in which narrow-band jammers or interference signals exist and pilot It was also confirmed that the overhead can be reduced compared to the conventional method. Therefore, the proposed SC-FDE structure can be applied to safety-critical systems such as military communication systems and unmanned aerial vehicles.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.Although the present invention has been described in detail through exemplary embodiments above, those skilled in the art to which the present invention pertains understand that various modifications are possible within the limits of the embodiments described above without departing from the scope of the present invention. will be. Therefore, the scope of rights of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by any modified or modified form derived from the claims and equivalent concepts as well as the claims described below.
S: 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템
100: 수신기
200: 송신기
300: CP제거기
400: FFT
500: 채널 추정기
600: 재머 감지기S: SC-FDE transmission/reception system for coping with narrowband interference signals and reducing pilot overhead
100: receiver
200: transmitter
300: CP eliminator
400: FFT
500: channel estimator
600: jammer detector
Claims (4)
파일럿 신호를 송신하는 송신기;
수신한 파일럿 신호에서 CP를 제거하는 CP제거기;
CP가 제거된 파일럿 신호에서 주파수 영역 파일럿 신호()를 추출하고, 송신한 파일럿 신호로부터 주파수 영역 파일럿 신호()를 추출하는 FFT; 및
두 주파수 영역 파일럿 신호(, )로부터 선형보간을 통해 각각 주파수 영역 채널()을 추정하는 채널 추정기를
포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템.A receiver for receiving a pilot signal in a narrowband jammer environment;
A transmitter that transmits a pilot signal;
A CP remover to remove CP from the received pilot signal;
The frequency domain pilot signal ( ), and the frequency domain pilot signal ( FFT to extract ); And
Two frequency domain pilot signals ( , ) Through linear interpolation to each frequency domain channel ( Channel estimator to estimate)
SC-FDE transmission and reception system for narrow-band interference signal response and reduction of pilot overhead, characterized in that it comprises.
상기 CP제거기는,
상기 수신기로부터 파일럿 신호에서 CP를 제거하되,
상기 파일럿 신호에서 파일럿의 길이()로부터 CP의 길이()를 제거하는 것을 특징으로 하는 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템.According to claim 1,
The CP eliminator,
CP is removed from the pilot signal from the receiver,
The length of the pilot in the pilot signal ( ) To CP length ( SC-FDE transmission and reception system for narrow-band interference signal reduction and pilot overhead reduction, characterized by removing.
상기 FFT는,
CP가 제거된 파일럿 신호에서 주파수 영역 파일럿 신호()를 추출하고, 상기 송신기가 송신한 파일럿 신호로부터 주파수 영역 파일럿 신호()를 추출하는 것을 특징으로 하는 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템.According to claim 1,
The FFT,
The frequency domain pilot signal ( ), and the frequency domain pilot signal ( SC-FDE transmission and reception system for narrow-band interference signal response and pilot overhead reduction, characterized in that the extraction.
상기 FFT에 의해 추출된 주파수 영역 파일럿 신호(가 기 설정된 값을 초과하는 경우, 주파수에 협대역 재머가 존재하는 것으로 판단하는 재머 감지기를
더 포함하는 것을 특징으로 하는 협대역 간섭신호 대응 및 파일럿 오버헤드 감소를 위한 SC-FDE 송수신 시스템.According to claim 1,
The frequency domain pilot signal extracted by the FFT ( If exceeds the preset value, a jammer detector that determines that a narrow-band jammer exists in the frequency
SC-FDE transmission and reception system for narrow-band interference signal response and reduction of pilot overhead, characterized in that it further comprises.
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KR1020180166248A KR20200077079A (en) | 2018-12-20 | 2018-12-20 | SC-FDE Transceiver System Robust Narrowband Interference and Low Pilot Overhead |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102571570B1 (en) * | 2022-12-05 | 2023-08-29 | 국방과학연구소 | Method and apparatus for transmitting and receiving a single carrier frequency domain equalizer signal in a single carrier based wireless communication system |
Citations (1)
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---|---|---|---|---|
KR20150091370A (en) | 2012-11-29 | 2015-08-10 | 인터디지탈 패튼 홀딩스, 인크 | Reduction of spectral leakage in an ofdm system |
-
2018
- 2018-12-20 KR KR1020180166248A patent/KR20200077079A/en not_active IP Right Cessation
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