KR20210142927A - 주파수 옵셋에 강인한 군사용 협대역 무선 통신 시스템 - Google Patents

주파수 옵셋에 강인한 군사용 협대역 무선 통신 시스템 Download PDF

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KR20210142927A
KR20210142927A KR1020200059701A KR20200059701A KR20210142927A KR 20210142927 A KR20210142927 A KR 20210142927A KR 1020200059701 A KR1020200059701 A KR 1020200059701A KR 20200059701 A KR20200059701 A KR 20200059701A KR 20210142927 A KR20210142927 A KR 20210142927A
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KR
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wireless communication
communication system
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military
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이재호
김종민
이현준
김용수
원지연
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Abstract

본 발명은 주파수 옵셋에 강인한 군사용 협대역 무선 통신 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 주파수 옵셋에 강인한 군사용 협대역 무선 통신 시스템에 있어서, 길이 M의 제1 시퀀스 및 길이 L의 제2 시퀀스 간의 조합으로 구성된 길이 N(=M×L)의 동기 프리앰블을 포함한 송신 신호를 송신하는 기지국, 및 각 훈련자 별로 장착되며, 상기 기지국으로부터 수신한 수신 신호를 분석하여 동기 검출을 수행하는 훈련자 유닛 통신 모듈을 포함하는 군사용 협대역 무선 통신 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 셀 운용 환경 및 주파수 옵셋 환경에 기반하여 동기 프리앰블을 구성하는 두 시퀀스의 조합을 선택하는 구조를 사용함으로써, 개선된 송수신 성능과 효율적인 협대역 무선 시스템 운용을 가능하게 하는 이점을 제공한다.

Description

주파수 옵셋에 강인한 군사용 협대역 무선 통신 시스템{Military narrowband wireless communication system robust to frequency offset}
본 발명은 군사용 협대역 무선 통신 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 과학화 전투 훈련단(Korean army advanced Combat Training Center; KCTC)의 무선 데이터 통신 체계 시스템에서 신호 검출 및 동기 추정 성능을 향상시킬 수 있는 군사용 협대역 무선 통신 시스템에 관한 것이다.
과학화 전투는 레이저, 영상, 데이터 통신, 컴퓨터 등 첨단 과학 기술을 활용하여 실전과 같은 전투 훈련을 하는 것을 목표로 한다. 일반적으로 레이저로 부위별 타격 판정이 가능한 마일즈 장비 등과 같은 각종 첨단 장비를 이용하여 전투 훈련을 하게 되며, 훈련 상황과 그 위치 등이 주기적으로 기지국 등의 중앙 통제 장비로 전송된다.
여기서, 훈련자 별 장착되는 훈련자 유닛(Player Unit; PU)의 통신부인 모뎀 송신부는 PU와 과학화 전투화 훈련단의 중앙통제장비 체계 내의 기지국 사이의 무선 데이터 통신을 수행한다.
이러한 무선 시스템은 여단급, 중대급, 대대급 무선통신체계 환경에 따라 수 km의 통달 거리가 보장되어야 하며, 효율적인 무선 채널 자원 관리와 배터리 효율을 위한 저전력 운용을 위한 모뎀 설계가 요구된다.
그런데 협대역 통신의 경우, 초기 신호 검출 및 동기 검출 성능 확보에 있어서 주파수 옵셋에 매우 민감한 영향을 받는다. 상대적으로 주파수 오차(수 ppm 수준의 주파수 옵셋)가 적은 오실레이터의 경우 고가이기 때문에 비용 측면에서 비효율적이다. 따라서 무선 협대역 통신 환경에서 저가의 오실레이터를 사용하면서도 큰 주파수 오차에 효과적으로 대응할 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제2015-0019331호(2015.02.25 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은, 저가형 협대역 무선 송수신 시스템에 따른 주파수 옵셋 문제를 개선함과 동시에 향상된 신호 검출 및 동기 추정 성능을 제공할 수 있는 군사용 협대역 무선 통신 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 주파수 옵셋에 강인한 군사용 협대역 무선 통신 시스템에 있어서, 길이 M의 제1 시퀀스 및 길이 L의 제2 시퀀스 간의 조합으로 구성된 길이 N(=M×L)의 동기 프리앰블을 포함한 송신 신호를 송신하는 기지국, 및 각 훈련자 별로 장착되며, 상기 기지국으로부터 수신한 수신 신호를 분석하여 동기 검출을 수행하는 훈련자 유닛 통신 모듈을 포함하는 군사용 협대역 무선 통신 시스템을 제공한다.
또한, 상기 훈련자 유닛 통신 모듈은, 상기 기지국으로부터 송신 신호를 수신하는 수신부와, 수신 신호에 M×L 크기의 수신 윈도우를 적용하여 M개의 수신 신호 성분을 포함한 수신 신호 벡터를 검출하는 처리부와, 상기 수신 신호 성분과 상기 제2 시퀀스 간의 상호 상관 값과, 상기 제1 시퀀스 내의 M개 시퀀스 원소 간의 지연 상관 값을 기초로 동기 검출을 위한 타이밍 메트릭(Timing Metric)을 연산하는 연산부, 및 상기 타이밍 메트릭이 최대가 되는 시간 지점을 상기 수신 신호의 시작점으로 추정하여 동기 검출을 수행하는 추정부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 타이밍 메트릭 R(τ)은 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, s(i)는 상기 제1 시퀀스 내의 M개 시퀀스 원소 중 i번째 시퀀스 원소, yj는 상기 M개 수신 신호 성분 중 j번째 수신 신호 성분, b는 L개의 시퀀스 원소를 포함한 상기 제2 시퀀스, (·)H는 에르미트 전치 연산(Hermitian transpose operation), (·)*는 켤레 전치 연산(Complex conjugate operation)을 나타낸다.
또한, 상기 제2 시퀀스의 길이 L은 주파수 옵셋 환경을 기초로 아래 수학식에 의해 결정될 수 있다.
Figure pat00002
여기서, fs는 상기 무선 통신 시스템에서 상기 기지국과 상기 훈련자 유닛 통신모듈 간에 발생하는 반송파 주파수 오차(CFO; Carrier Frequency Offset), f0는 심볼 레이트 주파수를 나타낸다.
또한, 상기 제1 시퀀스 SM은 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
Figure pat00003
여기서, s(i)는 상기 제1 시퀀스 내의 M개 시퀀스 원소 중 i번째 시퀀스 원소, M0는 상기 제1 시퀀스의 가능한 길이 집합(
Figure pat00004
) 중 기 설정된 최대 값(
Figure pat00005
),
Figure pat00006
,
Figure pat00007
, v(m)은 랜덤 시퀀스인 c(m)을 이용하여 생성된 값으로
Figure pat00008
이다.
또한, 상기 c(m)은 m-시퀀스이고, 상기 제2 시퀀스는 바커 코드로부터 생성될 수 있으며, 상기 동기 프리앰블은, 상기 길이 M의 제1 시퀀스와 상기 길이 L의 제2 시퀀스 간의 크로네커 곱(Kronecker product)에 의해 생성될 수 있다.
또한, 상기 훈련자 유닛 통신 모듈은, 상기 수신 신호로부터 채널 품질을 측정하는 측정부, 및 상기 측정한 채널 품질을 상기 시스템에서 기 요구되는 기준 채널 품질값과 비교하여 상기 제1 시퀀스의 길이 M을 결정하되, 상기 측정한 채널 품질이 상기 기준 채널 품질과 같거나 그 이상이 되기 위한 M 값 중 최소의 M 값을 상기 제1 시퀀스의 길이로 최종 결정하는 결정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 결정부는, 상기 제1 시퀀스의 길이 M을 아래의 수학식에 의해 결정할 수 있다.
Figure pat00009
여기서, M'는 상기 최종 결정된 M 값, QREQ{m}은 상기 요구되는 기준 채널 품질 값, QEST는 상기 측정한 채널 품질 값을 나타낸다.
또한, 상기 훈련자 유닛 통신 모듈은, 상기 기지국과 기 공유한 상기 동기 프리앰블에 포함된 상기 제1 및 제2 시퀀스의 정보를 상기 동기 검출에 사용하고, 상기 최종 결정한 M 값에 기반하여 변경된 동기 프리앰블을 이용하여 신호의 송수신을 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 셀 운용 환경 및 주파수 옵셋 환경에 기반하여 동기 프리앰블을 구성하는 두 시퀀스의 조합을 선택하는 구조를 사용함으로써, 개선된 송수신 성능과 효율적인 협대역 무선 시스템 운용을 가능하게 하는 이점을 제공한다.
또한, 이에 따르면, 과학화 전투 훈련단을 위한 협대역 무선 통신 시스템에서 저가의 오실레이터를 사용하면서도 주파수 옵셋 문제를 개선함과 동시에 신호 검출 및 동기 추정 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 군사용 협대역 무선 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 군사용 협대역 무선 통신 시스템에서 사용되는 송신 프레임 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 제1 시퀀스를 생성하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 제1 및 시퀀스의 조합을 통해 동기 프리앰블을 생성하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1의 훈련자 유닛 통신 모듈에 포함된 동기 획득 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 동기 획득 장치를 이용한 동기 획득 방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 수신단의 초기 동기 획득 과정을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 과학화 훈련 무선 통신 시스템의 네트워크 운용 방식의 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 1의 무선 통신 시스템을 이용한 적응적 송수신 방법을 설명하는 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 군사용 협대역 무선 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 군사용 협대역 무선 통신 시스템은 과학화 전투 훈련에 사용되는 협대역 무선 통신 시스템으로, 기지국(100) 및 훈련자 유닛 통신 모듈(200)을 포함한다.
기지국(100)은 과학화 전투 훈련단에 사용되는 중앙통제 장비에 해당할 수 있다. 이러한 기지국(100)은 동기화를 위한 동기 프리앰블을 생성하고, 생성한 동기 프리앰블의 정보를 훈련자 유닛(Player Unit; PU) 통신 모듈(200)과 공유한다. 그리고, 기지국(100)은 동기 프리앰블을 포함한 프레임 구조의 송신 신호를 생성하여 훈련자 유닛 통신 모듈(200)로 전송한다.
훈련자 유닛 통신 모듈(200)은 각 훈련자(Player) 별로 장착되며, 기지국(100)으로부터 수신한 수신 신호를 분석하여 동기 검출을 수행한다.
이러한 훈련자 유닛 통신 모듈(200)은 전투 훈련을 수행하는 훈련자에게 개별 장착되는 훈련자 유닛 단말(이하, PU 단말)에 내장된 상태에서 기지국(100)과 무선 통신하면서 각종 데이터(단말 고유 정보, 훈련 상황, 현재 위치 등)를 송수신할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 군사용 협대역 무선 통신 시스템에서 사용되는 송신 프레임 구조를 나타낸 도면이다.
도 2에 나타낸 것과 같이, 협대역 무선 통신 시스템의 기본 프레임 구조는 동기화를 위한 '프리앰블'(Preamble), PHY 데이터 전송을 위한 '헤더'(PHY header), '페이로드'(PAYLOAD), 그리고 순환중복검사를 위한 CRC(Cyclic Redundancy Check)를 포함한다.
본 발명의 실시예에서 동기 프리앰블은 길이 N의 심볼로 구성되며, 신호 검출 및 동기 검출을 위해 상관 특성이 우수한 시퀀스로 구성된다. 헤더는 페이로드에 대한 스케줄링 정보가 포함된다. 페이로드 구간은 실제 전송하고자 하는 데이터가 포함되며, 마지막의 CRC 구간은 오류 검출을 위해 사용된다.
훈련자 유닛 통신 모듈(200)은 기지국(100)으로부터 전송받은 신호에 대해 수신 윈도우를 적용하여 수신 윈도우 내의 수신 신호 벡터를 검출하며, 검출한 수신 신호 벡터 및 기 공유받은 동기 프리앰블 정보를 활용하여 수신 신호의 시작점을 추정하고 프레임 동기를 획득한다.
다음은 본 실시예에 적용되는 동기 프리앰블의 구성에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에서 기지국(100)은 길이 L의 제1 시퀀스와 길이 M의 제2 시퀀스의 조합을 통하여 길이 N(N = L×M)을 가지는 동기 프리앰블을 생성한다.
여기서, 제1 및 제2 시퀀스의 조합은 협대역 통신 운용 환경에 따라 달라질 수 있다. 제1 시퀀스의 길이 L은 주파수 옵셋 환경에 따라 조정될 수 있고 제2 시퀀스의 길이 M은 채널 환경에 따라 조정될 수 있다.
일반적으로 신호 검출 및 동기 추정 성능은 동기 프리앰블의 길이에 비례하여 향상되지만, 본 발명의 실시예는 셀 운용 환경 및 주파수 옵셋 환경에 따라 두 시퀀스의 조합을 조정함으로써 주어진 해당 환경에 적합한 운용이 가능하며 개선된 송수신 성능을 얻을 수 있다. 이에 대해서는 추후 구체적으로 설명할 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 제1 시퀀스를 생성하는 원리를 설명하는 도면이다.
동기 프리앰블 생성을 위한 제1 시퀀스는 신호 검출 및 송수신기(기지국/훈련자 유닛 통신 모듈) 간의 동기 추정을 위해 자기 상관 및 상호 상관 특성이 우수한 시퀀스를 기반으로 구성된다.
동기 프리앰블 생성을 위한 제1 시퀀스는 신호 검출 및 송수신기(기지국/훈련자 유닛 통신 모듈) 간의 동기 추정을 위해 자기 상관 및 상호 상관 특성이 우수한 시퀀스를 기반으로 구성된다.
길이 M(
Figure pat00010
,
Figure pat00011
)인 제1 시퀀스(커버 시퀀스) SM는 다음의 수학식 1에 따라 생성이 가능하다.
Figure pat00012
여기서, s(i)는 상기 제1 시퀀스 내의 M개 시퀀스 원소 중 i번째 시퀀스 원소, M0는 제1 시퀀스의 가능한 길이 집합(
Figure pat00013
) 중 기 설정된 최대 값을 나타낸다(
Figure pat00014
).
수학식 1의 두 번째 행에서 재정의된 시퀀스 원소 v(m)은 랜덤 시퀀스 (Random Binary Sequence)인 c(m)을 이용하여 생성되며, 다음의 수학식 2와 같다.
Figure pat00015
여기서, c(m)은 상관 특성이 우수하고 상호 독립적인 복수 시퀀스 생성에 유리한 m-시퀀스(m-Sequence)가 적용될 수 있다. 물론, m-시퀀스 이외에 그 밖의 다른 랜덤 시퀀스가 적용될 수 있다.
도 3은 수학식 1을 이용하여 생성된 제1 시퀀스를 도시하고 있다. 도 3은 M0=16인 경우를 예시한 것으로, 이 경우 제1 시퀀스의 길이 M은 16 이하의 값으로 결정된다. 도 3에는 대표적으로 M=16, 8, 4인 경우 각각에 대해 생성한 제1 시퀀스를 도시하고 있다.
도 3의 상단에는 M0=16인 경우를 기준으로 생성되는 제1 시퀀스의 각 원소들 v(m)을 v(0)부터 v(15) 까지 순서대로 나열하고 있다. 이는 M=16, 8, 4인 경우에 수학식 1을 통해 생성된 제1 시퀀스의 원소들 s(i)와 각각 비교될 것이다.
우선, 도 3에서, M=16인 경우, 제1 시퀀스는 수학식 1에 의해 S16 = [s(0),s(1),…,s(15)] = [v(0),v(1),…,v(15)]로 표현된다.
마찬가지로, M=8인 경우, 제1 시퀀스는 S8 = [s(0),s(1),…,s(7)] = [v(8),v(9),…,v(15)]로 표현되고, M=4인 경우 제1 시퀀스는 S4=[s(0),s(1),…,s(3)] = [v(12),v(13),…,v(15)]로 표현된다.
이러한 도 3의 결과로부터, 수학식 1의 알고리즘을 이용할 경우, M 값이 다양하게 변경되더라도, 생성되는 제1 시퀀스의 원소들은 항상 마지막 v(m) 값인 v(15)를 기준으로 정렬되는 것을 알 수 있다. 이러한 특성은 훈련자 유닛 통신 모듈(200) 측에서의 수신 신호의 동기 검출에 유리하게 작용한다. 즉, 추후 M 값이 M' 값(최적 M)으로 변경되더라도 훈련자 유닛 통신 모듈(200)에서 동기 검출을 용이하게 수행할 수 있다.
제2 시퀀스는 상대적으로 작은 길이의 시퀀스에 대해 자기 상관 특성이 우수한 시퀀스를 적용하여 구성된다. 이러한 제2 시퀀스는 제1 시퀀스와 조합됨으로써, 주파수 옵셋 추정 성능 및 낮은 SNR 영역에서의 운용을 지원한다.
그 하나의 실시예로 바커 코드로부터 생성된 길이 L=1,2,4인 제2 시퀀스는 다음의 수학식 3으로 정의된다.
Figure pat00016
결과적으로 동기 프리앰블은 다음의 수학식 4 및 도 4와 같이 두 시퀀스 조합을 통해 생성된다.
Figure pat00017
수학식 4에서, A
Figure pat00018
B는 행렬 A와 B의 크로네커 곱(Kronecker product)을 의미한다. 또한, Mi는 제1 시퀀스의 길이 M이 적용된다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 제1 및 시퀀스의 조합을 통해 동기 프리앰블을 생성하는 원리를 설명하는 도면이다.
이러한 도 4는 길이 8(M=8)의 제1 시퀀스와 길이 2(L=2)의 제2 시퀀스 간의 크로네커 곱(
Figure pat00019
)을 통하여, 길이 16의 동기 프리앰블 신호를 생성한 결과를 나타낸다. 물론, 본 발명에 사용되는 동기 프리앰블 파라미터 M과 L은 반드시 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예에서, 제2 시퀀스의 길이 L은 주파수 옵셋 환경에 따라 기지국(100)에서 결정되며, 아래의 수학식 5를 만족하는 길이로 결정된다.
Figure pat00020
여기서, fs는 무선 통신 시스템의 운용 환경에서 기지국(100)과 훈련자 유닛 통신 모듈(200) 간에 발생하는 반송파 주파수 오차(CFO; Carrier Frequency Offset)를 나타내고, f0는 심볼 레이트 주파수를 나타낸다.
이하에서는 상술한 바와 같이 생성된 동기 프리앰블을 이용한 훈련자 유닛 통신 모듈(200)에서의 신호 검출 및 동기 획득 방법에 관하여 더욱 상세히 설명한다.
도 5는 도 1의 훈련자 유닛 통신 모듈에 포함된 동기 획득 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5의 동기 획득 장치를 이용한 동기 획득 방법을 설명하는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 훈련자 유닛 통신 모듈(200)은 동기 획득 장치(300)를 포함한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 동기 획득 장치(300)는 수신부(310), 처리부(320), 연산부(330), 추정부(340), 측정부(350) 및 결정부(360)를 포함한다.
먼저, 수신부(310)는 길이 M의 제1 시퀀스 및 길이 L의 제2 시퀀스 간의 조합으로 구성된 길이 N(=M×L)의 동기 프리앰블을 포함하여 전송된 송신 신호를 기지국(100)으로부터 수신한다(S610).
이후, 처리부(320)는 수신 신호에 대해 M×L 크기의 수신 윈도우를 적용하여 수신 신호 벡터를 검출한다(S620). 수신 신호 벡터는 M개의 수신 신호 성분(y0, y1,…,yM-1)을 포함한다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 수신단의 초기 동기 획득 과정을 설명하는 도면이다.
도 7에 도시된 것과 같이, 수신 신호는 LM 크기(M×L 크기)의 윈도우를 기반으로 처리된다. 또한, 수신 신호는 도 7에 도시된 결합기(combining), 상관기(Correlation), 메트릭 버퍼(Metric) 등에서 신호 처리되고 이를 통해 최종 신호 검출 및 동기 검출이 이루어진다.
수신 윈도우 내의 수신 신호 벡터 r는 다음의 수학식 6과 같이 표현된다.
Figure pat00021
수신 윈도우 내의 수신 신호 벡터 r은 N개의 r(i)로 구성되고 이는 다시 M개의 수신 신호 성분(y0, y1,…,yM-1)으로 구분될 수 있다.
이후, 연산부(330)는 수신 신호 벡터 내의 수신 신호 성분과, 기지국(100)으로부터 기 공유받은 제1 및 제2 시퀀스의 정보를 조합하여, 타이밍 메트릭을 연산한다(S630).
구체적으로, 연산부(330)는 수신 신호 성분과 제2 시퀀스 간의 상호 상관 값(A), 그리고 제1 시퀀스 내의 M개 시퀀스 원소 간의 지연 상관 값(B)을 기초로, 동기 검출을 위한 타이밍 메트릭을 연산한다.
타이밍 메트릭 R(τ)은 다음의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00022
여기서, s(i)는 제1 시퀀스 내의 M개 시퀀스 원소 중 i번째 시퀀스 원소, yj는 수신 신호 벡터 내의 M개 수신 신호 성분 중 j번째 수신 신호 성분, b는 L개의 시퀀스 원소를 포함한 제2 시퀀스, (·)H는 에르미트 전치 연산(Hermitian transpose operation), (·)*는 켤레 전치 연산(Complex conjugate operation)을 나타낸다. 본 실시예의 경우 L=2, M=8이 적용된다.
이러한 수학식 7에서
Figure pat00023
은 수신 신호 성분 y와 제2 시퀀스 b 간의 상호 상관 값과 관련되며,
Figure pat00024
는 제1 시퀀스에 포함된 M개의 시퀀스 원소들 s(i) 간의 지연 상관 값과 관련된다.
s(m+1)은 s(m)으로부터 1만큼 지연된 성분이며, 수학식 7에서 m={0,…M-2}이 적용된다. 예를 들어, m=0일 때 수학식 7의 s*(m)s(m+1) = s*(0)s(1)으로, 이는 제1 시퀀스 내의 8개(N=8) 시퀀스 원소 중에서 0번째 원소와 1번째 원소인 s(0)와 s(1) 간이 상관 연산되는 것을 의미한다.
연산부(330)는 수신 윈도우 내의 수신 신호 벡터에 대해 상술한 바와 같은 신호 처리를 수행하여 타이밍 메트릭을 연산한다. 즉, 수학식 7의 m을 0부터 M-2까지 적용하고 합산하여 타이밍 메트릭을 연산한다.
이후, 추정부(340)는 타이밍 메트릭이 최대가 되는 시간 지점을 수신 신호의 시작점으로 추정하여 동기 검출을 수행한다(S640).
이러한 추정부(340)는 메트릭 값의 최대치로부터 시간 프레임에 대한 동기 추정을 수행함은 물론, 메트릭 값의 편각(Argument)을 추정함으로써 주파수 동기를 추정할 수 있다. 편각 추정에 기반한 주파수 동기 추정은 기 공지된 방법에 해당하므로 상세한 설명은 생략한다.
동기 추정 이후에는 채널 품질을 기반으로 프리앰블 파라미터 M을 최적으로 결정하는 과정을 거친다. 이와 같이 프리앰블 파라미터를 조절하는 이유를 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 과학화 훈련 무선 통신 시스템의 네트워크 운용 방식의 예를 나타낸 도면이다.
일반적으로 신호 검출 및 동기 추정 성능은 동기 프리앰블의 길이에 비례하여 향상된다. 도 8에는 중계소에 해당하는 기지국의 주변에 복수의 PU 단말(PU-A, PU-B, PU-C)이 위치한 것을 예시한다. PU 단말 각각에는 본 발명의 실시예에 따른 훈련자 유닛 통신 모듈(200)이 포함되어 있다.
도 8과 같은 셀 기반 운용을 고려하여 볼 때, 중계소(기지국)는 주변의 PU 단말에게 브로드캐스트(Broadcast) 신호 또는 비콘(Beacon) 신호를 송신할 수 있다.
이러한 경우, 일반적으로 PU 단말은 거리 및 위치에 따라 서로 다른 채널 환경에 놓이게 되고 이에 따라 수신 신호 품질의 편차가 발생하게 된다.
물론, 최대 거리의 송수신 지원을 위해 모든 PU 단말에 대해 긴 길이의 동기 프리앰블을 적용하면 되지만, 신호 품질이 좋은 환경에 있는 PU 단말에게는 사실상 불필요한 신호 처리를 요구하게 된다. 따라서, 양호한 채널 환경에 위치한 PU 단말에 대해 통신 품질에 영향을 주지 않으면서 동기 프리앰블의 길이를 줄이고 신호 처리를 간소화할 필요가 있다.
이를 위해, 측정부(350)는 먼저 수신 신호의 채널 품질을 측정한다(S650). 수신 신호에 대한 채널 품질을 측정하거나 추정하는 기법은 널리 공지된 바 있다.
본 발명의 실시예에서 채널 품질은 SNR(Signal to Noise Ratio), SIR(Signal to Interference Ratio), SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 중 선택된 종류의 채널 품질을 사용할 수 있다.
이후, 결정부(360)는 측정한 채널 품질을 무선 통신 시스템에서 기 요구되는 기준 채널 품질값과 비교하여 제1 시퀀스의 길이 M을 결정한다(S660).
구체적으로, 결정부(360)는 아래 수학식 8과 같이, 측정한 채널 품질이 기준 채널 품질과 같거나 그 이상이 되기 위한 M 값 중 최소의 M 값을 제1 시퀀스의 길이로 최종 결정한다.
Figure pat00025
여기서, M'는 최종 결정된 M 값, QREQ{m}은 시스템에서 요구되는 기준 채널 품질 값, QEST는 측정한 채널 품질 값을 나타낸다.
물론, 현재 사용 중인 M 값이 M' 값과 동일(M=M')하다면, 동기 프리앰블의 수정이 불필요하므로 현재의 동기 파라미터 값들을 그대로 유지하면 된다.
여기서, M' 값이 현재의 M값 보다 크다는 것은(M'>M), 현재의 채널 상태가 시스템의 요구 수준보다 낮기 때문에, 요구 수준을 맞추기 위해 동기 프리앰블의 길이를 늘려야 함을 의미한다. 또한, M' 값이 현재의 M값 보다 작다는 것은(M'<M), 현재의 채널 상태가 시스템의 요구 수준보다 높기 때문에, 그만큼 동기 프리앰블의 길이를 줄여도 되며, 프리앰블 길이를 줄여도 통신 성능에 영향이 없음을 의미한다.
이에 따라 M≠M'인 경우에 훈련자 유닛 통신 모듈(200)은 이후부터 M' 값을 이용하여 신호의 송수신을 수행한다(S670). 만일 M'=6인 경우, 변경된 동기 프리앰블의 길이 N'는 12가 된다(N'=M'×L).
즉, 훈련자 유닛 통신 모듈(200)은 최종 결정한 M 값(M')에 기반하여 변경된 동기 프리앰블을 이용하여 신호의 송수신을 수행한다. 예를 들어, 훈련자 유닛 통신 모듈(200)이 외부로 신호를 전송하는 송신 모드로 동작할 때는 M'에 기반한 변경된 동기 프리앰블(N'=M'×L) 구조를 이용하여 데이터를 송신할 수 있고, 추후 외부로부터 신호를 수신하는 수신 모드로 동작할 때는 M'가 적용된 변경된 동기 프리앰블 정보를 기준으로 신호를 검출하고 동기를 추정할 수 있다.
도 9는 도 1의 무선 통신 시스템을 이용한 적응적 송수신 방법을 설명하는 도면이다.
먼저, 기지국(100)은 길이 M의 제1 시퀀스 및 길이 L의 제2 시퀀스 간의 조합하여 길이 N을 갖는 동기 프리앰블을 생성하고(S901), 동기 프리앰블이 삽입된 프레임 구조를 갖는 송신 신호를 생성하여(S902), 훈련자 유닛 통신 모듈(200)로 전송한다(S903).
그러면, 훈련자 유닛 통신 모듈(200)은 기지국(100)으로부터 받은 수신 신호에 대해 수신 윈도우를 적용하여 M개의 수신 신호 성분을 포함한 수신 신호 벡터를 검출한다(S904).
그리고, 훈련자 유닛 통신 모듈(200)은 검출한 수신 신호 성분과 제1 시퀀스 및 제2 시퀀스의 정보를 이용하여 타이밍 메트릭을 연산하고, 타이밍 메트릭을 기반으로 수신 신호의 시작점을 추정하여 동기 검출을 수행한다(S905).
이후, 훈련자 유닛 통신 모듈(200)은 수신 신호로부터 채널 품질을 측정하고 이를 기초로 최적 M값(M')을 결정한다(S906). 그리고, 결정된 M'값을 현재의 M값과 비교한다(S907).
비교 결과 동일한 경우에는 현재의 파라미터 N(M,L)를 유지하고(S909), 상이한 경우에는 동기 파라미터를 변경한다(S908). 즉, 동기 파라미터를 N(M,L)에서 N'(M',L)로 변경한다.
이후부터 훈련자 유닛 통신 모듈(200)은 해당 파라미터에 기반한 동기 프리앰블을 이용하여 송수신을 수행한다(S910). 이때 해당 파라미터란 변경된 파라미터 또는 기존 상태의 파라미터일 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 향상된 동기 프리앰블 구조를 사용하여 협대역 무선 통신 시스템의 신호 검출 및 동기 추정 성능을 향상시키고 시스템의 송수신 성능을 보장할 수 있으며 사물 인터넷 단말의 효율적인 운용을 가능하게 하는 이점을 제공한다.
또한, 본 발명의 경우 셀 운용 환경 및 주파수 옵셋 환경에 기반하여 동기 프리앰블을 구성하는 두 시퀀스의 조합을 적절히 조절할 수 있어, 주어진 환경에 적응적인 송수신 시스템의 운용이 가능함은 물론, 개선된 송수신 성능을 얻을 수 있다.
또한, 이를 통해, 과학화 전투 훈련단을 위한 협대역 무선 통신 시스템에서 저가의 오실레이터를 사용하면서도 주파수 옵셋 문제를 개선함과 동시에 신호 검출 및 동기 추정 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 기지국 200: 훈련자 유닛 통신 모듈
300: 동기 획득 장치 310: 수신부
320: 처리부 330: 연산부
340: 추정부 350: 측정부
360: 결정부

Claims (9)

  1. 주파수 옵셋에 강인한 군사용 협대역 무선 통신 시스템에 있어서,
    길이 M의 제1 시퀀스 및 길이 L의 제2 시퀀스 간의 조합으로 구성된 길이 N(=M×L)의 동기 프리앰블을 포함한 송신 신호를 송신하는 기지국; 및
    각 훈련자 별로 장착되며, 상기 기지국으로부터 수신한 수신 신호를 분석하여 동기 검출을 수행하는 훈련자 유닛 통신 모듈을 포함하는 군사용 협대역 무선 통신 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 훈련자 유닛 통신 모듈은,
    상기 기지국으로부터 송신 신호를 수신하는 수신부;
    수신 신호에 M×L 크기의 수신 윈도우를 적용하여 M개의 수신 신호 성분을 포함한 수신 신호 벡터를 검출하는 처리부;
    상기 수신 신호 성분과 상기 제2 시퀀스 간의 상호 상관 값과, 상기 제1 시퀀스 내의 M개 시퀀스 원소 간의 지연 상관 값을 기초로 동기 검출을 위한 타이밍 메트릭(Timing Metric)을 연산하는 연산부; 및
    상기 타이밍 메트릭이 최대가 되는 시간 지점을 상기 수신 신호의 시작점으로 추정하여 동기 검출을 수행하는 추정부를 포함하는 군사용 협대역 무선 통신 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 타이밍 메트릭 R(τ)은 아래의 수학식으로 정의되는 군사용 협대역 무선 통신 시스템:
    Figure pat00026

    여기서, s(i)는 상기 제1 시퀀스 내의 M개 시퀀스 원소 중 i번째 시퀀스 원소, yj는 상기 M개 수신 신호 성분 중 j번째 수신 신호 성분, b는 L개의 시퀀스 원소를 포함한 상기 제2 시퀀스, (·)H는 에르미트 전치 연산(Hermitian transpose operation), (·)*는 켤레 전치 연산(Complex conjugate operation)을 나타낸다.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 시퀀스의 길이 L은 주파수 옵셋 환경을 기초로 아래 수학식에 의해 결정되는 군사용 협대역 무선 통신 시스템:
    Figure pat00027

    여기서, fs는 상기 무선 통신 시스템에서 상기 기지국과 상기 훈련자 유닛 통신모듈 간에 발생하는 반송파 주파수 오차(CFO; Carrier Frequency Offset), f0는 심볼 레이트 주파수를 나타낸다.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 시퀀스 SM은 아래의 수학식으로 정의되는 군사용 협대역 무선 통신 시스템:
    Figure pat00028

    여기서, s(i)는 상기 제1 시퀀스 내의 M개 시퀀스 원소 중 i번째 시퀀스 원소, M0는 상기 제1 시퀀스의 가능한 길이 집합(
    Figure pat00029
    ) 중 기 설정된 최대 값(
    Figure pat00030
    ),
    Figure pat00031
    ,
    Figure pat00032
    , v(m)은 랜덤 시퀀스인 c(m)을 이용하여 생성된 값으로
    Figure pat00033
    이다.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 c(m)은 m-시퀀스이고, 상기 제2 시퀀스는 바커 코드로부터 생성되며,
    상기 동기 프리앰블은,
    상기 길이 M의 제1 시퀀스와 상기 길이 L의 제2 시퀀스 간의 크로네커 곱(Kronecker product)에 의해 생성되는 군사용 협대역 무선 통신 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 훈련자 유닛 통신 모듈은,
    상기 수신 신호로부터 채널 품질을 측정하는 측정부; 및
    상기 측정한 채널 품질을 상기 시스템에서 기 요구되는 기준 채널 품질값과 비교하여 상기 제1 시퀀스의 길이 M을 결정하되, 상기 측정한 채널 품질이 상기 기준 채널 품질과 같거나 그 이상이 되기 위한 M 값 중 최소의 M 값을 상기 제1 시퀀스의 길이로 최종 결정하는 결정부를 더 포함하는 군사용 협대역 무선 통신 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 결정부는,
    상기 제1 시퀀스의 길이 M을 아래의 수학식에 의해 결정하는 군사용 협대역 무선 통신 시스템:
    Figure pat00034

    여기서, M'는 상기 최종 결정된 M 값, QREQ{m}은 상기 요구되는 기준 채널 품질 값, QEST는 상기 측정한 채널 품질 값을 나타낸다.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 훈련자 유닛 통신 모듈은,
    상기 기지국과 기 공유한 상기 동기 프리앰블에 포함된 상기 제1 및 제2 시퀀스의 정보를 상기 동기 검출에 사용하고,
    상기 최종 결정한 M 값에 기반하여 변경된 동기 프리앰블을 이용하여 신호의 송수신을 수행하는 군사용 협대역 무선 통신 시스템.
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