KR20200125855A

KR20200125855A - 5g tdd 중계기의 동기 획득 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20200125855A
Application number: KR1020190049011A
Authority: KR
Inventors: 박주상; 현 강; 김형우
Original assignee: 주식회사 씨에스
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2020-11-05
Also published as: KR102235969B1

Abstract

5G 모뎀을 사용하지 않고 5G TDD 중계기에 사용할 수 있는 동기를 획득하는 장치 및 그 방법이 제공된다. 5G TDD 중계기의 동기 획득 장치는 입력 기지국 TDD 신호에 대한 프레임의 시작점을 획득하는 프레임 시작점 획득부; 상기 TDD 신호에 대한 프레임 구성을 획득하는 프레임 구성 획득부; 및 상기 프레임의 시작점 및 상기 프레임 구성을 기초로 하여 TDD 중계기의 스위치에 동기 신호를 출력하는 DL/UL 스위치 제어기를 포함한다.

Description

5G TDD 중계기의 동기 획득 장치 및 방법{SYNCHRONIZATION ACQUIRING APPARTUS AND METHPD OF TTD REPEATER}

본 발명은 TTD 중계기에 관한 것으로, 5G TDD 중계기를 사용할 때 반드시 필요한 동기를 획득하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

전세계적으로 서비스가 시작되고 있는 5G의 사용 주파수는 3.5~3.8GHz(6GHz Under) 대역으로 기존 이동 통신 주파수보다 높아 건물 등이 많은 도시에서 전파 손실이 크게 증가하여 많은 음영 지역이 발생할 것으로 예상된다. 이러한 이유로 무선 RF 중계기가 꼭 필요하며, 기지국과 동기를 일치시켜야 하는 RF 중계기의 특성상 TDD 동기 획득 기술은 반드시 필요하다. 도 1에는 5G 서치/검사 세계 지도가 도시되어 있다.

FDD(Frequency Division Duplex)는 주파수를 나누어서 업링크, 다운링크를 동시에 사용할 수 있도록 한다. 다만 주파수를 나누어 사용하기 때문에 한번에 전송 가능한 양 또한 사용 주파수 대역에 따라 줄어든다. 국내의 2G(FDD-cdma, Wcdma), 3G(FDD-LTE) 등에 해당한다.

TDD(Time Division Duplex)는 시간을 나누어서 업링크 한번, 다운링크 한번씩 번갈아 가며 사용할 수 있도록 한다. 주어진 주파수 대역폭를 온전히 쓸 수 있지만 시간을 나누어 사용하기 때문에 연속적인 전송은 불가능하다. 2G(TDD-CDMA), 3G(TDD-LTE), Wibro, 5G 등에 해당한다.

이를 LTE 방식에서 시간 축(X축)에서 보면 FDD와 TDD의 신호 구성은 도 1 및 도 2와 같다.

도 1은 LTE FDD 및 LTE TDD에서의 UL 및 DL 프레임 자원을 나타낸 도면이다.도 2는 FDD 통신 방식과 TDD 통신 방식을 차이점을 설명하는 프레임 구성도이다.도 3은 FDD 중계기의 구성을 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, FDD 중계기는 듀플렉스 필터를 이용하여 주파수를 분리하여 UL/DL 을 각각 증폭하여 중계할 수 있다. 기지국에서의 프레임 타이밍을 기준으로 할 때, 도 10에서처럼 UE의 다운링크 타이밍은 기지국과 UE의 거리만큼 늦다. UE는 자신의 DL 타이밍에 맞추어 UL 송신을 한다면, 기지국에서 받는 UE 신호는 거리의 2배만큼 늦게 된다. 따라서 UE는 거리의 2배만큼 더 빠른 타이밍으로 송신해야만 기지국에서 프레임 타이밍에 맞출 수 있다. 이러한 과정을 타이밍 어드밴스(Advance)라고 한다. UE 타이밍 어드밴스는 (N_TA+N_{TA_OFFSET})×T_C라고 정의되며, N_{TA_OFFSET}은 25560이다. 따라서 따로 타이밍 어드밴스의 조정 과정이 없다면 N_TA=0이 되어 타이밍 어드밴스는 1598 샘플(약 13us)이 된다.

5G TDD 동기 획득을 위해서는 프레임 동기 획득 및 프레임 구성 획득이 필요하다. 이를 위해서는 5G 모뎀을 사용하면 간단하게 해결할 수 있지만, 5G 모뎀은 아직 중계기에 적용하여 사용할 만큼 일반화되지 않은 반면, 5G 서비스는 이미 시작되고 있다. 또한 비싼 5G 모뎀을 사용하면 5G 중계기에 단가가 높아져 제품 경쟁력이 없어지므로 이에 대한 대책이 필요하다.

특허 번호 제 10-0700874 호{등록일: 2007년 3월 22일}

본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 5G 모뎀을 사용하지 않고 5G TDD 중계기에 사용할 수 있는 동기를 획득하는 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 5G TDD 중계기의 동기 획득 장치는 입력 기지국 TDD 신호에 대한 프레임의 시작점을 획득하는 프레임 시작점 획득부; 상기 TDD 신호에 대한 프레임 구성을 획득하는 프레임 구성 획득부; 및 상기 프레임의 시작점 및 상기 프레임 구성을 기초로 하여 TDD 중계기의 스위치에 동기 신호를 출력하는 DL/UL 스위치 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 프레임 동기부는 입력 기지국 TDD 신호를 정의된 다수 종의 N_ID ⁽²⁾과 각각 교차 상관을 하여 가장 큰 상관 값을 가지는 하나의 N_ID ⁽²⁾를 결정하고 상기 결정된 N_ID ⁽²⁾를 기초로 하여 제1 OFDM 심벌의 위치에 대응하는 PSS의 시작점을 포함한 PSS 위치를 프레임 카운터로 전송하는 PSS 검출기; 상기 입력 기지국 TDD 신호에 대하여 FFT 윈도잉을 수행하여 CP를 제거하고 OFDM 신호만 남기고 CP가 제거된 OFDM 신호를 병렬로 변환하여 FFT를 수행함으로써 OFDM 신호를 복조하고 FFT 데이터, SSS Valid 및 PBCH DM-RS Valid를 전송하는 OFDM 복조기/타이밍 제어기; 다수 종류의 SSS 중 상기 PSS 검출기로부터 상기 결정된 N_ID ⁽²⁾를 적용하여 남은 일부의 SSS를 상기 OFDM 복조기/타이밍 제어기로부터의 상기 FFT 데이터와 상기 교차 상관하여 다수의 N_ID ⁽¹⁾로부터 가장 큰 상관 값을 가지는 N_ID ⁽¹⁾을 추출하고 상기 추출된 N_ID ⁽¹⁾과 상기 결정된 N_ID ⁽²⁾를 조합하여 N_ID ^cell(Cell ID)를 얻어 전송하는 SSS 검출기;PBCH DM-RS를 검출하기 위해, PBCH Valid 와 N_ID ^cell를 통해 찾은 DM-RS 위치를 이용하여 상기 FFT 데이터와 다수 종류(8가지) DM-RS를 복합 교차 상관하여 가장 큰 상관 값을 가지는 SSB 버스트 중에서 몇번째 SSB의 PBCH DM-RS인 지를 나타내는 파라미터(i_SSB)를 찾는 PBCH DM-RS 검출기; 및 상기 PSS 검출기로부터의 상기 PSS 위치, 상기 PBCH DMRS 검출기로부터의 상기 DMRS Detected, 및 상기 i_SSB를 통해, 현재 프레임의 위치를 찾고, 1개의 프레임을 기준으로 PBCH DM-RS 위치로부터 동작 클럭을 기준으로 카운트하여 프레임의 시작점을 검출하는 프레임 카운터를 포함할 수 있다.

상기 프레임 구성 획득부는 상기 입력 기지국 TDD 신호에 포함된 OFDM 심벌과 순환 전치(CP)의 상관을 통해 CP 상관의 위치를 획득하여 OFDM 심벌의 존재 여부와 위치를 확인하는 CP 상관기; 상기 입력 기지국 TDD 신호에 포함된 각 OFDM 심벌의 경계 및 상기 CP 상관기로부터의 상기 CP 상관의 위치를 기초로 하여 각 심벌의 DL/UL 매핑 구성을 얻어 출력하는 심벌 DL/UL 매퍼; 및 각 심벌의 DL/UL 판별로 구성된 프레임 구성들과의 판별된 프레임 구성을 교차 상관하여 가장 큰 상관 값을 가지는 프레임 구성을 판별하거나 중계기 감시를 위한 구비된 모뎀에서 기지국으로부터의 프레임 구성 정보를 적용하는 프레임 구성 판별부를 포함할 수 있다.

5G TDD 중계기의 동기 획득 방법은 (i) 입력 기지국 TDD 신호에 대한 프레임의 시작점을 획득하는 단계; (ii) 상기 TDD 신호에 대한 프레임 구성을 획득하는 단계; 및 (iii) 상기 프레임의 시작점 및 상기 프레임 구성을 기초로 하여 TDD 중계기의 스위치에 대한 동기 신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

단계 (i)은 입력 기지국 TDD 신호를 정의된 다수 종의 N_ID ⁽²⁾과 각각 교차 상관을 하여 가장 큰 상관 값을 가지는 하나의 N_ID ⁽²⁾를 결정하고 상기 결정된 N_ID ⁽²⁾를 기초로 하여 제1 OFDM 심벌의 위치에 대응하는 PSS의 시작점을 포함한 PSS 위치를 전송하는 단계; 상기 입력 기지국 TDD 신호에 대하여 FFT 윈도잉을 수행하여 CP를 제거하고 OFDM 신호만 남기고 CP가 제거된 OFDM 신호를 병렬로 변환하여 FFT를 수행함으로써 OFDM 신호를 복조하고 FFT 데이터, SSS Valid 및 PBCH DM-RS Valid를 전송하는 단계; 다수 종류의 SSS 중 상기 결정된 N_ID ⁽²⁾를 적용하여 남은 일부의 SSS를 상기 FFT 데이터와 상기 교차 상관하여 다수의 N_ID ⁽¹⁾로부터 가장 큰 상관 값을 가지는 N_ID ⁽¹⁾을 추출하고 상기 추출된 N_ID ⁽¹⁾과 상기 결정된 N_ID ⁽²⁾를 조합하여 N_ID ^cell(Cell ID)를 얻어 전송하는 단계; PBCH DM-RS를 검출하기 위해, PBCH Valid 와 N_ID ^cell를 통해 찾은 DM-RS 위치를 이용하여 상기 FFT 데이터와 다수 종류의 DM-RS를 복합 교차 상관하여 가장 큰 상관 값을 가지는 SSB 버스트 중에서 몇번째 SSB의 PBCH DM-RS인 지를 나타내는 파라미터(i_SSB)를 찾는 단계; 및 상기 PSS 위치, 상기 DMRS Detected, 및 상기 i_SSB를 통해, 현재 프레임의 위치를 찾고, 1개의 프레임을 기준으로 PBCH DM-RS 위치로부터 동작 클럭을 기준으로 카운트하여 프레임의 시작점을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

단계 (ii)는 상기 입력 기지국 TDD 신호에 포함된 OFDM 심벌과 순환 전치(CP)의 상관을 통해 CP 상관의 위치를 획득하여 OFDM 심벌의 존재 여부와 위치를 확인하는 단계; 상기 입력 기지국 TDD 신호에 포함된 각 OFDM 심벌의 경계 및 상기 CP 상관의 위치를 기초로 하여 각 심벌의 DL/UL 매핑 구성을 얻어 출력하는 단계; 및 각 심벌의 DL/UL 판별로 구성된 관하여 가장 큰 상관 값을 가지는 프레임 구성을 판별하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명은 5G 무선 신호를 받아 기지국과 동기를 일치시킬 필요가 있는 장비 등에 5G 모뎀보다 저가로 구현하여 공급할 수 있고 5G 중계기에 적용하면 동기를 맞추어 서비스를 할 수 있어 음영 지역의 커버 범위를 확보하고 5G 신호 품질을 유지할 수 있다.

도 1은 LTE FDD 및 LTE TDD에서의 UL 및 DL 프레임 자원을 나타낸 도면이다.
도 2는 FDD 통신 방식과 TDD 통신 방식을 차이점을 설명하는 프레임 구성도이다.
도 3은 FDD 중계기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 TDD 중계기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 5G Numerlology에 따른 주요 파라미터들을 나타낸 표이다.
도 6 및 도 7은 정규 순환 전치용 슬롯 포맷을 나타낸 표이다.
도 8은 SSB 자원 그리드를 나타낸 도면이다.
도 9는 SSB 버스트 자원 그리드를 나타낸 도면이다.
도 10은 타이밍 어드밴스를 나타탠 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 5G TTD 중계기의 동기 획득 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 5G-NR FIX 프레임 구조를 나타낸 도면이다.
도 13은 SSS가 존재하는 8개의 심벌 번호를 나타낸 상세도이다.
도 14는 도 11에 도시된 PSS 검출기의 내부 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 15는 도 11 및 도 14에 도시된 PSS 검출기에 의해 정의된 N_ID ⁽²⁾의 3종을 수신된 TDD 신호와 각각 교차 상관하여 얻은 가장 큰 상관 값을 가지는 N_ID ⁽²⁾를 기초로하여 획득한 SSB 중 PSS의 결과 그래프이다.
도 16은 도 11에 도시된 OFDM 복조기/타이밍 제어기의 내부 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 17는 도 11에 도시된 SSS 검출기의 내부 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 18은 도 11 및 도 17에 도시된 SSS 검출기에 의해 RAM에 저장된 FFT 신호와 356 가지 SSS의 신호를 교차 상관하여 찾은 가장 큰 상관 값을 가지는 N_ID ⁽¹⁾을 기초로 검출한 서브프레임에 첫 번째 심벌의 시작점의 일예를 나타낸 도면이다.
도 19는 도 11에 도시된 PBCH DM-RS 검출기의 내부 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 20은 도 11에 도시된 프레임 카운터의 동작을 설명하는 도면이다.
도 21은 도 11에 도시된 CP 상관기에 의한 CP 상관 동작을 설명하는 도면이다.
도 22은 도 11에 도시된 심벌 DL/UL 매퍼의 동작에 이용되는 심벌 경계 및 CP 상관의 위치를 나타낸
도 23은 도 11에 도시된 프레임 구성 검출기의 내부 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 시험 구성도를 나타낸 도면이다.
도 25 및 도 26은 각각 본 발명의 실시예에 따른 시간 및 주파수에 따른 시험을 위한 단일 기지국 신호를 나타낸 도면이다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 입력 TDD 신호 및 검출된 동기 신호를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 5G TDD 중계기의 동기 획득 장치 및 방법을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 TDD 중계기의 구성을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, TDD 중계기는 기지국 안테나, 제1 필터, 기지국측 스위치, DL 증폭기, UL 증폭기, 서비스측 스위치, 제2 필터, 스위치 제어부, 동기 검출부, 및 서비스 안테나를 포함한다.

이러한 구성을 가지는 TDD 중계기는 UL/DL을 동일한 주파수를 사용하기 때문에, DL 구간에는 DL 신호를 증폭하고 UL 구간에는 UL 신호를 증폭하기 위하여 스위치를 사용한다. 이를 위해 기지국과 일정한 동기를 유지하여 기지국측 스위치 및 서비스측 스위치를 제어하여야 한다. 이를 위해서는 반듯이 동기 검출부에 의해 동기 검출과 프레임 구성을 검출해야 한다.

5G는 대역에 따라 사용하는 Numerology가 서로 다르다. 또한 Numerology에 따라 5G의 주요 파라미터들도 달라진다. 도 5의 표에 이를 정리하였다. 현재 서비스가 시작되고 있는 3.5~3.8GHz(6GHz Under) 대역에서는 Numerology=1이 대표적으로 사용되고 있다.

현재 5G 규격(Specification)에서는 프레임 구성을 따로 정의하지 않고 있다. 따라서 각 국의 사업자 또는 장비 제조사마다 서로 다른 기준으로 도 6 및 도 7의 표의 슬롯 포맷들을 조합하여 프레임을 구성하고 있다. 도 6 및 도 7의 각각의 심벌 포맷들에는 탄력성 심벌이 존재하기 때문에 실제로 사용 가능한 슬롯 포맷의 수는 더욱 많다.

도 8은 동기 신호 블럭(Synchronization Signal Block; 이하 'SSB'라 함) 자원 그리드를 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, SSB는 PSS(Primary Synchronization Signal)과 SSS(Secondary Synchronization Signal), PBCH(Physical Broadcast Channel), PBCH DM-RS(Dedicated Demodulation Reference Signal)로 이루어지며, 동기 획득에서 필요한 중요한 신호들이다.

도 8를 참조하면, 각 M-시퀀스는 127개의 샘플로 이루어진다. 물리계층의 N_ID(cell ID)를 계산하는 N_ID ^(1),N_ID ⁽²⁾ 중 N_ID ⁽²⁾ 를 포함한다. 다운 링크 프레임 동기화를 위해 UE에 의해 사용되며, 라디오 프레임 경계 (Radio Frame Boundary), 즉 제 1 심볼의 위치를 라디오 프레임에 제공한다.

PSS는 N_ID ⁽²⁾에 따라 이진 위상 천이 변조(Binay Phase Shift Keying; 이하 'BPSK'라 함)로 변조된 3종류의 M-시퀀스 중에 하나로 선정된다. N_ID ⁽²⁾는 Cell ID(N_ID ^cell)를 구성하는 변수이다. 셀 ID(N_ID ^cell)는 3×N_ID ⁽¹⁾+N_ID ⁽²⁾로 구성된다.

3GPP TS 38.211에 따라 PSS 시퀀스는 수학식 1과 같이 d_PSS (n)로 표시되며 N_ID ⁽²⁾ ID로 결정된다. 다음 방정식을 사용하여 생성된다. 도식과 같이 N_ID ⁽²⁾ ID는 3개중 하나이다.

5G-NR FIX 프레임 구조는 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 10Msec 내에 10개의 서브프레임으로 구성되며, 각 서브프레임은 N개의 슬롯을 포함할 수 있다. 또한 1개의 슬롯에는 부반송파 스페이스에 따라 다수의 OFDM 심벌을 포함하는 구조이다. 여기서 subcarrier space 가 30Khz의 예를 들면 도 13과 같이 OFDM 심벌 번호 2,8,16,22,30,36,44,50에 PSS가 각각 존재하는 것을 알 수 있다. PSS는 N_ID ⁽²⁾에 따라 BPSK로 변조된 3종류의 M-시퀀스 중에 하나로 선정된다. 도 8을 참조하면, PSS 검출기(110)는 입력 기지국 TDD 신호의 SBB의 시간 영역(x 축)에서 PSS를 검출하기 위해, 3가지 PSS의 시간 영역 신호(N_ID ⁽²⁾의 3종)를 수신 TDD 신호와 교차 상관(Cross-correlation)하여 가장 큰 상관 값을 가지는 N_ID ⁽²⁾를 찾는다. 따라서 정의된 3개중 1개의 N_ID ⁽²⁾를 결정할 수 있고 도 15에서의 “D” 는 SSB 중 (피크 값을 갖는) PSS의 시작점을 획득할 수 있다. PSS 검출기(110)는 제1 OFDM 심벌의 위치에 대응하는 PSS 위치를 프레임 카운터(150)로전송한다. PSS 검출기(110)는 정의된 N_ID ⁽²⁾의 3종을 입력 TDD 신호와 각각 교차 상관을 하여 가장 큰 상관 값을 가지는 하나의 N_ID ⁽²⁾를 결정하고 이를 기초로 하여 제1 OFDM 심벌의 위치에 대응하는 PSS의 시작점을 포함한 PSS 위치를 프레임 카운터(150)로 전송한다.

직교 주파수 분할 다중 (Orthogonal frequency-division multiplexing; 이하 'OFDM'라 함) 신호를 복조하기 위해서는, 상기 입력 TDD 신호에 대하여 FFT 윈도잉을 수행하여 CP를 제거하고 OFDM 신호만 남기고 CP가 제거된 OFDM 신호를 병렬로 변환하여 FFT를 수행하고 FFT 데이터를 SSS 검출기(130)로 전송한다. 이를 위한 FFT 윈도우 제어기가 필요하다. 또한 SSS Valid 및 PBCH DM-RS Valid를 SSS 검출기(130) 및 PBCH DM-RS 검출기(140)로 전송함으로써 FFT를 통과하여 주파수 영역으로 변환된 신호에서 정확히 SSS 또는 PBCH 영역을 알려주는 주는 타이밍 제어기도 필요하다.

SSS는 Cell ID(N_ID ^cell)에 따라 BPSK로 변조된 1008(3×336) 종류의 골드 시퀀스 중에 하나로 선정된다. 각 Gold 시퀀스는 127 샘플로 이루어진다. 만약, PSS 신호 생성에서 사용된 N_ID ⁽²⁾를 안다면, SSS는 N_ID ⁽¹⁾만 변수로 남아서 336 종류의 골드 시퀀스 중에 한 종류가 될 것이다. 물리 계층의 N_ID(cell ID)를 계산하는 N_ID ^(1),N_ID ⁽²⁾ 중 N_ID ⁽¹⁾ 를 포함한다. 다운 링크 프레임 동기화를 위해 UE에 의해 사용되며, SUBframe 경계 (Radio Frame Boundary), 즉 제 1 심볼의 위치를 SUBframe 에 제공한다.

3GPP TS 38.211에 따라 SSS 시퀀스는 다음 수학식 3과 같이 d_sSS (n)로 표시되며 N_ID ⁽¹⁾ ID로 결정된다. 다음 수학식 3을 사용하여 생성된다. 도식과 같이 N_ID ⁽¹⁾ ID는 336개중 하나이다.

SSS는 N_ID ^cell에 따라 BPSK로 변조된 1008 종류의 Gold 시퀀스 중에 하나로 선정된다. PSS 검출기에서 찾은 N_ID ⁽²⁾를 사용하면, SSS는 N_ID ⁽¹⁾에 따라 1008 가지 중에 356 가지의 경우만 남게 된다. 상기 OFDM 복조기/타이밍 제어기(120)로부터의 상기 SSS Valid에 따라 PSS 검출기(110)에 의한 PSS 검출과 동일한 방법으로, 상기 PSS 검출기(110)로부터 부터 수신되어 RAM에 저장된 FFT 신호와 356 가지 N_ID ⁽¹⁾시퀀스의 신호를 교차 상관하여 가장 큰 상관 값을 가지는 N_ID ⁽¹⁾을 찾는다. 도 18을 참조하면, 상관하여 얻은 “D1”는 서브프레임에 첫 번째 심벌의 시작점이 된다. N_ID ⁽¹⁾과 N_ID ⁽²⁾를 조합하면 N_ID ^cell(Cell ID)를 얻어 PBCH DM-RS 검출기(140)로 전송한다.

5G는 여러 개의 SSB를 순차적으로 버스트(burst)하는데, SSB 버스트는 주파수 대역과 부반송파 간격에 따라 A~E까지의 5가지 버스트 경우가 존재한다. 현재 서비스가 시작되고 있는 3.5~3.8GHz(6GHz Under) 대역에서는 30kHz 부반송파 간격이 가장 유력하며, 30kHz 부반송파 간격에서는 8개의 SSB를 사용하는 버스트 경우 C가 가장 유력하다. 도 9에 SSB 버스트 경우 C의 자원 그리드를 나타내었다. 이러한 SSB 버스트는 수신기의 동기 획득에 유리한 환경을 제공하지만, 수신기의 입장에서는 획득한 SSB가 몇 번째 SSB인지 확인하는 작업이 필요하다. PBCH DM-RS는 SSB마다 부여되는 SSB 번호(i_SSB)를 주요 변수로 사용하여 생성되므로 PBCH DM-RS를 판별하면 SSB 번호를 획득할 수 있다.

LTE(적어도 TM1, 2, 3, 4)에서 우리는 PBCH 디코딩을 위해 CRS (Cell Specific Reference Signal)를 사용할 수 있기 때문에 PBCH에 대해 이와 같은 특수 DM-RS가 필요하지 않다. 그러나 5G NR에는 CRS가 없다. 따라서 PBCH 디코딩 전용 DM-RS가 필요하다.

PBCH DM-RS는 PBCH를 디코딩하기 위한 참조 신호로 기능하는 특별한 유형의 물리 계층 신호이다. PBCH DM-RS는 PBCH의 4개의 자원 요소마다 한개씩 위치하며, 셀 ID에 따라 시작 자원 요소가 달라진다. PBCH DM-RS는 Cell ID(N_ID ^cell)와 SSB 번호(i_SSB)에 따라 QPSK로 변조된 8064(1008×8) 종류의 복합(Complex) 시퀀스 중에 하나로 선정된다. 각 복합 시퀀스는 144개의 샘플로 이루어진다. 만약, PSS와 SSS 신호 생성에서 사용된 N_ID ^cell를 안다면, PBCH DM-RS는 i_SSB에 따라 8 종류의 복합 시퀀스 중에 한 종류가 될 것이다. 여기서 i_SSB는 SSB 버스트 중에서 몇 번째 SSB의 PBCH DM-RS인 지를 나타내는 파라미터이다. 다운 링크 프레임 동기화를 위해 UE에 의해 사용되며, 몇번째 SSB인 지를 알기 위해 제공된다.

3GPP TS 38.211에 따라 PBCH DM-RS 시퀀스는 수학식 4와 같이 r(m)로 표시되며 N_ID ^CELL 과 I_SSB로 결정된다. 다음 수학식 3을 사용하여 생성된다. N_ID ^CELL 는 총 1008개 I_SSB 는 8개의 위치(index) 이므로 총 1008*8 가지가 존재할 수 있다. 여기서 i_SSB는 SSB 버스트중에서 몇 번째 SSB의 PBCH DM-RS인 지를 나타내는 파라미터이다.

PBCH DM-RS는 i_SSB(SSB Number)에 따라 8가지의 시퀀스가 존재한다. PBCH DM-RS 검출기(140)는 PBCH DM-RS를 검출하기 위해, PBCH Valid 와 N_ID ^cell를 통해 찾은 DM-RS 위치를 이용하여 FFT 신호를 RAM에 저장한 후, 8가지 DM-RS의 신호를 복합 교차 상관하여 가장 큰 상관 값을 가지는 i_SSB를 찾고 프레임 카운터(150)로 전송한다. 찾아낸 i_SSB의 인덱스 8 번호 중(2,8,16,22,30,36,44,50) 1개는 지금 입력된 신호가 몇 번째 SSB 인지를 알 수 있다. 따라서 10msec 프레임에 시작 위치를 알 수 있게 된다.

프레임 카운터(150)는 PSS 검출기(110)로부터의 상기 PSS 위치, PBCH DMRS 검출기(140)로부터의 상기 DMRS Detected, 및 상기 i_SSB를 통해, 현재 프레임의 위치를 찾을 수 있다. 도 20과 같이 1개의 프레임 10msec 을 기준으로 PBCH DM-RS 위치로부터 동작 클럭을 기준으로 카운트하여 프레임의 시작점을 검출할 수 있다.

프레임 구성을 판별하기 위해, 도 21의 순환 전치(Cyclic Prefix; 이하 'CP'라 함) 상관을 이용한다. CP는 ISI를 피하고 직교성를 유지 위하여 OFDM 심벌의 뒷부분 일부를 해당 OFDM 심벌의 앞으로 복사하여 붙여준 것을 말한다. CP와 OFDM 심벌의 뒷부분 일부는 동일한 신호이므로, CP 상관기(210)는 CP와 상기 입력 기지국 TDD 신호에 포함된 OFDM 심벌의 상관을 통해 CP 상관의 위치를 획득하여 OFDM 심벌의 존재 여부와 위치를 확인할 수 있다.

DL 신호에 존재하는 SSB에 맞추어 프레임의 위치를 찾으면 DL 신호에 대해 동기화할 수 있다. 그런데 UL 신호는 최소 타이밍 어드밴스(약 13us)에 의해 심벌의 위치가 DL 신호와 위치가 다르다. 도 22와 같이 CP 상관의 위치를 확인하면 각 심벌의 DL/UL 여부를 알 수 있다. 그리고 신호가 존재하지 않는 구간도 대비하여 각 OFDM 심벌의 인덱스 필터를 통해 신호가 존재했을 때의 값을 유지한다. 심벌 DL/UL 매퍼(220)는 (상기 입력 기지국 TDD 신호에 포함된) OFDM 심벌의 경계 및 상기 CP 상관기(210)로부터의 상기 CP 상관의 위치를 기초로 하여 각 심벌의 DL/UL 매핑 구성을 얻어 출력한다.

판별된 CP 상관을 이용한 판별에는 불확실성이 존재하기 때문에 한 번의 판별로 프레임 구성을 확정하는 것은 불안정하다. 따라서 확률적인 방법인 Hysteresis 기법을 통해 보완한다. 보완 방법은 다음과 같다. 각 심벌의 DL/UL 판별을 모으면 프레임 구성이 된다. 프레임 구성 판별부(230)는 도 23과 같이 알고 있는 각 심벌의 DL/UL 판별로 구성된 프레임 구성들과의 판별된 프레임 구성을 교차 상관하여 가장 큰 상관 값을 가지는 프레임 구성을 판별한다. 또한, 프레임 구성을 판별하기 위한 블럭을 사용하지 않고, 이미 서비스하고 있는 LTE/CDMA /cdma 등의 중계기 감시를 위한 이미 구비된 모뎀에서 기지국으로부터 프레임 구성 정보를 적용할 수 있다.

DL/UL 스위치 제어기(300)는 상기 프레임의 시작점과 프레임 구성을 통해 RF 중계기의 DL/UL 스위치를 제어하는 동기 신호를 출력한다.

본 발명의 성능을 검증하기 위해, 모의 시험을 진행한다. 도 24에 모의 실험을 위한 구성을 나타내었다.

기지국 신호에 대해 수신 신호의 크기가 -63dBm 이상 이면 동기획득 및 frame configuration 획득이 가능하다. 또한 기지국 신호에 대해여 AWGN(Additive white Gaussian noise)를 적용하여 SNR이 3dB가 되더라도 동기 획득 및 프레임 구성 획득이 가능하다.

표 1은 AWGN을 적용하지 않은 단일 기지국 신호에 대한 입력 SNR 시험 결과이다.

입력 크기	채널	입력 SNR(dB)	동기 획득
-61	CDL-C		OK
-62	CDL-C		OK
-63	CDL-C		OK
-64	CDL-C		NG

표 2는 AWGN을 적용한 단일 기지국 신호에 대한 입력 SNR 시험 결과이다.

입력 크기	채널	입력 SNR(dB)	동기 획득
-50		4	OK
-50		3.5	OK
-50		3	OK
-50		2.5	NG

한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 프레임 시작점 획득부
110: PSS 검출기
120: OFDM 복조기/타이밍 제어기
130: SSS 검출기
140: PBCH DM-RS 검출기
150: 프레임 카운터
200: 프레임 구성 획득부
210: CP 상관기
220: 심벌 DL/UL 매퍼
230: 프레임 구성 판별부
300: DL/UL 스위치 제어기

Claims

입력 기지국 TDD 신호에 대한 프레임의 시작점을 획득하는 프레임 시작점 획득부;
상기 TDD 신호에 대한 프레임 구성을 획득하는 프레임 구성 획득부; 및
상기 프레임의 시작점 및 상기 프레임 구성을 기초로 하여 TDD 중계기의 스위치에 동기 신호를 출력하는 DL/UL 스위치 제어기를 포함하는 5G TDD 중계기의 동기 획득 장치.
제1 항에 있어서, 상기 프레임 동기부는
입력 기지국 TDD 신호를 정의된 다수 종의 N_ID ⁽²⁾과 각각 교차 상관을 하여 가장 큰 상관 값을 가지는 하나의 N_ID ⁽²⁾를 결정하고 상기 결정된 N_ID ⁽²⁾를 기초로 하여 제1 OFDM 심벌의 위치에 대응하는 PSS의 시작점을 포함한 PSS 위치를 프레임 카운터로 전송하는 PSS 검출기;
상기 입력 기지국 TDD 신호에 대하여 FFT 윈도잉을 수행하여 CP를 제거하고 OFDM 신호만 남기고 CP가 제거된 OFDM 신호를 병렬로 변환하여 FFT를 수행함으로써 OFDM 신호를 복조하고 FFT 데이터, SSS Valid 및 PBCH DM-RS Valid를 전송하는 OFDM 복조기/타이밍 제어기;
다수 종류의 SSS 중 상기 PSS 검출기로부터 상기 결정된 N_ID ⁽²⁾를 적용하여 남은 일부의 SSS를 상기 OFDM 복조기/타이밍 제어기로부터의 상기 FFT 데이터와 상기 교차 상관하여 다수의 N_ID ⁽¹⁾로부터 가장 큰 상관 값을 가지는 N_ID ⁽¹⁾을 추출하고 상기 추출된 N_ID ⁽¹⁾과 상기 결정된 N_ID ⁽²⁾를 조합하여 N_ID ^cell(Cell ID)를 얻어 전송하는 SSS 검출기;
PBCH DM-RS를 검출하기 위해, PBCH Valid 와 N_ID ^cell를 통해 찾은 DM-RS 위치를 이용하여 상기 FFT 데이터와 다수 종류(8가지) DM-RS를 복합 교차 상관하여 가장 큰 상관 값을 가지는 SSB 버스트 중에서 몇번째 SSB의 PBCH DM-RS인 지를 나타내는 파라미터(i_SSB)를 찾는 PBCH DM-RS 검출기; 및
상기 PSS 검출기로부터의 상기 PSS 위치, 상기 PBCH DMRS 검출기로부터의 상기 DMRS Detected, 및 상기 i_SSB를 통해, 현재 프레임의 위치를 찾고, 1개의 프레임을 기준으로 PBCH DM-RS 위치로부터 동작 클럭을 기준으로 카운트하여 프레임의 시작점을 검출하는 프레임 카운터를 포함하는 5G TDD 중계기의 동기 획득 장치.
제1 항에 있어서, 상기 프레임 구성 획득부는
상기 입력 기지국 TDD 신호에 포함된 OFDM 심벌과 순환 전치(CP)의 상관을 통해 CP 상관의 위치를 획득하여 OFDM 심벌의 존재 여부와 위치를 확인하는 CP(Cyclic Prefix) 상관기;
상기 입력 기지국 TDD 신호에 포함된 각 OFDM 심벌의 경계 및 상기 CP 상관기로부터의 상기 CP 상관의 위치를 기초로 하여 각 심벌의 DL/UL 매핑 구성을 얻어 출력하는 심벌 DL/UL 매퍼; 및
각 심벌의 DL/UL 판별로 구성된 프레임 구성들과의 판별된 프레임 구성을 교차 상관하여 가장 큰 상관 값을 가지는 프레임 구성을 판별하거나 중계기 감시를 위한 구비된 모뎀에서 기지국으로부터의 프레임 구성 정보를 적용하는 프레임 구성 판별부를 포함하는 5G TDD 중계기의 동기 획득 장치.
(i) 입력 기지국 TDD 신호에 대한 프레임의 시작점을 획득하는 단계;
(ii) 상기 TDD 신호에 대한 프레임 구성을 획득하는 단계; 및
(iii) 상기 프레임의 시작점 및 상기 프레임 구성을 기초로 하여 TDD 중계기의 스위치에 대한 동기 신호를 출력하는 단계를 포함하는 5G TDD 중계기의 동기 획득 방법.
제4 항에 있어서, 단계 (i)은
입력 기지국 TDD 신호를 정의된 다수 종의 N_ID ⁽²⁾과 각각 교차 상관을 하여 가장 큰 상관 값을 가지는 하나의 N_ID ⁽²⁾를 결정하고 상기 결정된 N_ID ⁽²⁾를 기초로 하여 제1 OFDM 심벌의 위치에 대응하는 PSS의 시작점을 포함한 PSS 위치를 전송하는 단계;
상기 입력 기지국 TDD 신호에 대하여 FFT 윈도잉을 수행하여 CP를 제거하고 OFDM 신호만 남기고 CP가 제거된 OFDM 신호를 병렬로 변환하여 FFT를 수행함으로써 OFDM 신호를 복조하고 FFT 데이터, SSS Valid 및 PBCH DM-RS Valid를 전송하는 단계;
다수 종류의 SSS 중 상기 결정된 N_ID ⁽²⁾를 적용하여 남은 일부의 SSS를 상기 FFT 데이터와 상기 교차 상관하여 다수의 N_ID ⁽¹⁾로부터 가장 큰 상관 값을 가지는 N_ID ⁽¹⁾을 추출하고 상기 추출된 N_ID ⁽¹⁾과 상기 결정된 N_ID ⁽²⁾를 조합하여 N_ID ^cell(Cell ID)를 얻어 전송하는 단계;
PBCH DM-RS를 검출하기 위해, PBCH Valid 와 N_ID ^cell를 통해 찾은 DM-RS 위치를 이용하여 상기 FFT 데이터와 다수 종류의 DM-RS를 복합 교차 상관하여 가장 큰 상관 값을 가지는 SSB 버스트 중에서 몇번째 SSB의 PBCH DM-RS인 지를 나타내는 파라미터(i_SSB)를 찾는 단계; 및
상기 PSS 위치, 상기 DMRS Detected, 및 상기 i_SSB를 통해, 현재 프레임의 위치를 찾고, 1개의 프레임을 기준으로 PBCH DM-RS 위치로부터 동작 클럭을 기준으로 카운트하여 프레임의 시작점을 검출하는 단계를 포함하는 5G TDD 중계기의 동기 획득 방법.
제4 항에 있어서, 단계 (ii)는
상기 입력 기지국 TDD 신호에 포함된 OFDM 심벌과 순환 전치(CP)의 상관을 통해 CP 상관의 위치를 획득하여 OFDM 심벌의 존재 여부와 위치를 확인하는 단계;
상기 입력 기지국 TDD 신호에 포함된 각 OFDM 심벌의 경계 및 상기 CP 상관의 위치를 기초로 하여 각 심벌의 DL/UL 매핑 구성을 얻어 출력하는 단계; 및
각 심벌의 DL/UL 판별로 구성된 관하여 가장 큰 상관 값을 가지는 프레임 구성을 판별하는 단계를 포함하는 5G TDD 중계기의 동기 획득 방법.