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KR100955696B1 - Apparatus and method for estimation of channel information using frequency domain and space domain orthogonal transformation in wireless communication systems - Google Patents

Apparatus and method for estimation of channel information using frequency domain and space domain orthogonal transformation in wireless communication systems Download PDF

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KR100955696B1
KR100955696B1 KR1020080042347A KR20080042347A KR100955696B1 KR 100955696 B1 KR100955696 B1 KR 100955696B1 KR 1020080042347 A KR1020080042347 A KR 1020080042347A KR 20080042347 A KR20080042347 A KR 20080042347A KR 100955696 B1 KR100955696 B1 KR 100955696B1
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KR
South Korea
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value
orthogonal
matrix
channel estimation
channel
Prior art date
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Korean (ko)
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이용환
김수관
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재단법인서울대학교산학협력재단
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Publication date
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Abstract

본 발명은 무선 통신 시스템에서 주파수 및 공간 영역 직교 변환을 이용한 채널 추정 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 방법은 다중 수신 안테나를 사용하는 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 기반의 무선 통신 시스템에서 주파수 및 공간 영역 직교 변환을 이용한 채널 추정 방법에 있어서, 상기 다중 수신 안테나로 수신된 OFDM 신호를 기초로 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 초기 채널 값을 추정하는 단계, 상기 초기 채널 값을 주파수 영역 및 공간 영역으로 직교 변환하여 직교 변환 값을 생성하는 단계, 생성된 직교 변환 값들 중 일정 개수의 하위 값을 "0"으로 대체하는 단계 및 상기 일정 개수의 "0"을 포함하는 상기 직교 변환 값들을 공간 영역 및 주파수 영역으로 직교 역변환하여 상기 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 최종 채널 값을 추정하는 단계를 포함한다.Disclosed is a channel estimation apparatus and method using frequency and spatial domain orthogonal transformation in a wireless communication system. A channel estimation method according to an embodiment of the present invention is a channel estimation method using frequency and spatial domain orthogonal transformation in an orthogonal frequency division multiplex (OFDM) based wireless communication system using multiple reception antennas. Estimating an initial channel value for each of the subcarrier and the multiple reception antennas based on the received OFDM signal, orthogonally converting the initial channel value into a frequency domain and a spatial domain to generate an orthogonal transform value, the generated orthogonal transform Substituting a predetermined number of lower values of the values with “0” and performing orthogonal inverse transformation of the orthogonal transform values including the predetermined number of “0” s into a spatial domain and a frequency domain for each of the subcarriers and the multiple receive antennas. Estimating the final channel value.

직교 주파수 분할 다중(OFDM), 채널 추정, 주파수 영역, 공간 영역, 안테나 상관 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Channel Estimation, Frequency Domain, Spatial Domain, Antenna Correlation

Description

무선 통신 시스템에서 주파수 및 공간 영역 직교 변환을 이용한 채널 추정 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATION OF CHANNEL INFORMATION USING FREQUENCY DOMAIN AND SPACE DOMAIN ORTHOGONAL TRANSFORMATION IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS}Channel estimating apparatus and method using frequency and spatial domain orthogonal transformation in wireless communication system

본 발명은 채널 추정에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다중 수신 안테나를 사용하는 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 기반의 무선 통신 시스템에서 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있도록 주파수 및 공간 영역 직교 변환을 이용한 채널 추정 장치 및 그 방법에 대한 것이다.The present invention relates to channel estimation, and more particularly, channel estimation using frequency and spatial domain orthogonal transformation to improve channel estimation performance in an orthogonal frequency division multiplex (OFDM) based wireless communication system using multiple receive antennas. An apparatus and a method thereof are provided.

무선 고속 데이터 서비스를 제공하는 인터넷과 무선 통신의 빠른 발전을 위해 다양한 다중화 방식이 제안되어 왔는데, 이 중 대표적인 방식이 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 방식이다.Various multiplexing methods have been proposed for the rapid development of the Internet and wireless communication providing wireless high-speed data service, and a representative method is orthogonal frequency division multiplexing (OFDM).

OFDM 방식의 장점은 심볼간 간섭에 강인하고, 높은 주파수 효율을 가진다는 것이다.The advantage of the OFDM scheme is that it is robust to intersymbol interference and has high frequency efficiency.

한편, 다중 송수신 안테나를 이용하여 신호를 송수신하는 다중 송수신 안테나(MIMO) 시스템은 무선 채널의 용량을 안테나 개수에 비례하여 증가시킬 수 있는 장점이 있다.Meanwhile, a multiple transmit / receive antenna (MIMO) system for transmitting and receiving signals using multiple transmit / receive antennas has an advantage of increasing the capacity of a wireless channel in proportion to the number of antennas.

이러한 각각의 장점으로 인하여 현재 MIMO-OFDM 시스템은 상당한 주목을 받고 있으며 차세대 무선 통신을 위한 가장 유용한 기법으로 여겨지고 있다.Due to each of these advantages, the MIMO-OFDM system has received considerable attention and is considered as the most useful technique for the next generation wireless communication.

OFDM 시스템에서 채널 정보는 시스템의 성능에 큰 영향을 끼치는 요소로서, 주파수 직교 변환 채널 추정 기법과 같은 채널 추정에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔고 많은 기법들이 제안되었다.In the OFDM system, channel information has a great influence on the performance of the system, and channel estimation such as frequency orthogonal transform channel estimation has been actively studied and many techniques have been proposed.

이에 반해, MIMO-OFDM 시스템에서의 채널 추정은 OFDM 시스템에 비해 많은 연구가 이루어지지 않았으며, 시스템에서 연구된 결과를 단순히 MIMO 시스템에 적용하여 MIMO-OFDM 시스템에서의 채널 추정에 대한 연구가 이루어지고 있는 실정이다.On the other hand, the channel estimation in the MIMO-OFDM system has not been studied much compared to the OFDM system, and the channel estimation in the MIMO-OFDM system is performed by simply applying the results of the system to the MIMO system. There is a situation.

예를 들면, 시간, 주파수 두 영역의 2차원 채널 추정을 각 안테나 별로 독립적으로 적용하는 기법, 시간, 주파수, 공간 각 영역별로 1차원 채널 추정을 각각 수행하는 기법 및 주파수 직교 변환 기법을 송수신 안테나에 대해 각각 적용하는 기법 등이 있다. For example, a method of independently applying two-dimensional channel estimation of two regions in time and frequency for each antenna, one technique of performing one-dimensional channel estimation in each region in time, frequency, and space, and a frequency orthogonal transformation technique in a transmission / reception antenna For each technique.

주파수 영역 직교 변환 기법은 주파수 영역에 대해 채널 전력이 집중되는 샘플(sample)들 이외의 부분은 잘라내어 잡음 억제 효과 얻게 되는 기법으로, OFDM 시스템에 기 구비된 고속 퓨리에 변환(FFT: fast Fourier transform) 모듈을 이용하여 쉽게 구현이 가능하지만, 안테나 간의 상관을 전혀 고려하지 않고 각 안테나 사이에 독립적으로 채널을 추정한다.The frequency domain orthogonal transform technique cuts out portions other than samples where channel power is concentrated in the frequency domain to obtain a noise suppression effect. A fast Fourier transform (FFT) module provided in an OFDM system Although it can be easily implemented using, the channel is estimated independently between the antennas without considering any correlation between the antennas.

본 발명의 일 실시예에 따른 목적은, SIMO 및 MIMO 등과 같이 다중 수신 안테나를 사용하는 OFDM 시스템 환경에서 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있는 무선 통신 시스템에서 주파수 및 공간 영역 직교 변환을 이용한 채널 추정 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a channel estimation apparatus using frequency and spatial domain orthogonal transform in a wireless communication system capable of improving channel estimation performance in an OFDM system environment using multiple reception antennas such as SIMO and MIMO, and the like. To provide that method.

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 면에 따른 채널 추정 방법은 다중 수신 안테나를 사용하는 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 기반의 무선 통신 시스템에서 주파수 및 공간 영역 직교 변환을 이용한 채널 추정 방법에 있어서, 상기 다중 수신 안테나로 수신된 OFDM 신호를 기초로 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 초기 채널 값을 추정하는 단계, 상기 초기 채널 값을 주파수 영역 및 공간 영역으로 직교 변환하여 직교 변환 값을 생성하는 단계, 생성된 직교 변환 값들 중 값의 크기에 따른 일정 개수의 하위 값을 "0"으로 대체하는 단계 및 상기 일정 개수의 "0"을 포함하는 상기 직교 변환 값들을 공간 영역 및 주파수 영역으로 직교 역변환하여 상기 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 최종 채널 값을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.In accordance with an aspect of the present invention, a channel estimation method includes a channel estimation method using frequency and spatial domain orthogonal transformation in an orthogonal frequency division multiplex (OFDM) based wireless communication system using multiple reception antennas. Estimating an initial channel value for each of the subcarriers and the multiple reception antennas based on the OFDM signal received by the multiple reception antennas, and orthogonally converting the initial channel values into a frequency domain and a spatial domain to generate an orthogonal transform value. And replacing a predetermined number of lower values according to the magnitude of the generated orthogonal transform values with "0" and orthogonal inverse transforming the orthogonal transform values including the predetermined number "0" into a spatial domain and a frequency domain. Estimating a final channel value for each of the subcarriers and the multiple receive antennas. have.

나아가, 상기 초기 채널 값을 추정하는 단계는 상기 부반송파 각각에 포함된 파일럿 신호를 기초로 상기 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 상기 초기 채널 값을 추정할 수 있고, 최소 제곱(LS) 채널 추정 방식을 이용하여 상기 초기 채널 값을 추정할 수도 있다.In addition, estimating the initial channel value may estimate the initial channel value for each of the subcarrier and the multiple receive antennas based on a pilot signal included in each of the subcarriers, and calculates a least squares (LS) channel estimation scheme. The initial channel value may be estimated using.

본 발명의 다른 일 면에 따른 채널 추정 방법은 다중 수신 안테나를 사용하는 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 기반의 무선 통신 시스템에서 주파수 및 공간 영역 직교 변환을 이용한 채널 추정 방법에 있어서, 상기 다중 수신 안테나로 수신된 OFDM 신호를 기초로 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 초기 채널 값을 추정하는 단계, 상기 초기 채널 값을 주파수 영역 및 공간 영역으로 직교 변환하여 직교 변환 값을 생성하는 단계, 생성된 직교 변환 값들의 최적 개수를 계산하는 단계, 상기 직교 변환 값들 중 값의 크기에 따른 상기 최적 개수에 해당하는 상위 값 이외의 직교 변환 값을 "0"으로 대체하는 단계 및 상기 "0"을 포함하는 상기 직교 변환 값들을 공간 영역 및 주파수 영역으로 직교 역변환하여 상기 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 최종 채널 값을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a channel estimation method in a channel estimation method using frequency and spatial domain orthogonal transformation in an orthogonal frequency division multiplex (OFDM) based wireless communication system using multiple reception antennas. Estimating an initial channel value for each of the subcarrier and the multiple reception antennas based on the received OFDM signal, orthogonally converting the initial channel value into a frequency domain and a spatial domain to generate an orthogonal transform value, the generated orthogonal transform Calculating an optimal number of values, replacing an orthogonal transform value other than an upper value corresponding to the optimal number according to the magnitude of the value among the orthogonal transform values with "0", and said orthogonality including "0" Orthogonal inverse transform of transform values into a spatial domain and a frequency domain The final value for the channel may comprise the step of estimating.

본 발명의 일 면에 따른 채널 추정 장치는 다중 수신 안테나를 사용하는 직교 주파수 분할 다중 기반의 무선 통신 시스템에서 주파수 및 공간 영역 직교 변환을 이용한 채널 추정 장치에 있어서, 상기 다중 수신 안테나로 수신된 OFDM 신호를 기초로 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 초기 채널 값을 추정하는 초기 채널 추정부, 상기 초기 채널 값을 주파수 영역 및 공간 영역으로 직교 변환하여 직교 변환 값을 생성하는 직교 변환부, 생성된 직교 변환 값들 중 값의 크기에 따른 일정 개수의 하위 값을 "0"으로 대체하는 대체부 및 상기 일정 개수의 "0"을 포함하는 상기 직교 변환 값들을 공간 영역 및 주파수 영역으로 직교 역변환하여 상기 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 최종 채널 값을 추정하는 최종 채널 추정부를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a channel estimating apparatus in a channel estimating apparatus using frequency and spatial domain orthogonal transform in an orthogonal frequency division multiplexing wireless communication system using multiple receiving antennas. An initial channel estimator for estimating an initial channel value for each of the subcarrier and the multiple reception antennas based on orthogonality; A substituting unit for substituting a predetermined number of lower values according to the magnitude of the value among the transformed values with "0" and orthogonal inverse transforming of the orthogonal transform values including the predetermined number of "0" into a spatial domain and a frequency domain for the subcarrier and A final channel estimator for estimating a final channel value for each of the multiple reception antennas; .

나아가, 상기 대체부는 상기 직교 변환부에 의해 생성된 상기 직교 변환 값들의 최적 개수를 계산하고, 생성된 상기 직교 변환 값들 중 상기 값의 크기에 따른 상기 직교 변환 값들의 개수와 계산된 상기 최적 개수 차이에 해당하는 개수만큼의 하위 값을 "0"으로 대체할 수 있다.Furthermore, the substitute unit calculates an optimal number of the orthogonal transform values generated by the orthogonal transform unit, and the difference between the number of the orthogonal transform values according to the magnitude of the value among the generated orthogonal transform values and the calculated optimal number difference You can replace as many lower values as "0".

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.Other objects and features of the present invention in addition to the above objects will be apparent from the description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First of all, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are used as much as possible even if displayed on different drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 주파수 및 공간 영역 직교 변환을 이용한 채널 추정 장치 및 그 방법을 첨부된 도 1 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an apparatus and method for estimating a channel using frequency and spatial domain orthogonal transformation in a wireless communication system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 7.

본 발명은 다중 수신 안테나를 사용하는 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 기반의 무선 통신 시스템에서 주파수 영역 직교 변환 및 공간 영역 직교 변환을 통해 채널 추정 성능을 향상시키고자 하는 것을 그 요지로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention aims to improve channel estimation performance through frequency domain orthogonal transform and spatial domain orthogonal transform in an orthogonal frequency division multiplex (OFDM) based wireless communication system using multiple receive antennas.

이하, 본 발명의 일 실시예에서는 설명의 편의상 하나의 송신 안테나만을 고려한 SIMO-OFDM 환경에서의 채널 추정 방식을 위주로 설명하나, 당업자라면 MIMO- OFDM 환경에서는 복수의 송신 안테나 각각에 대해 SIMO-OFDM 환경에서의 채널 추정 방식이 병렬적으로 이루어진다는 점을 이해할 수 있을 것이다.Hereinafter, in an embodiment of the present invention, for convenience of description, a channel estimation method in a SIMO-OFDM environment considering only one transmission antenna will be mainly described. It will be appreciated that the channel estimation scheme in < RTI ID = 0.0 >

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 장치에 대한 구성도이다.1 is a block diagram of a channel estimating apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 채널 추정 장치는 초기 채널 추정부(110), 직교 변환부(120), 대체부(130) 및 최종 채널 추정부(140)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the channel estimating apparatus includes an initial channel estimator 110, an orthogonal transform unit 120, a substitute unit 130, and a final channel estimator 140.

초기 채널 추정부(110)는 다중 수신 안테나(미도시)로 수신되는 수신 신호인 OFDM 신호를 기초로 OFDM 신호의 부반송파 및 다중 수신 안테나 각각에 대한 초기 채널 값을 추정한다.The initial channel estimator 110 estimates an initial channel value for each of the subcarriers of the OFDM signal and the multiple receive antennas based on an OFDM signal that is a received signal received by the multiple receive antennas (not shown).

이때, 다중 수신 안테나로 수신되는 수신 신호는 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.In this case, the reception signal received by the multiple reception antenna may be represented by Equation 1.

Yn[k] = Hn[k]X[k]+Nn[k], k=0, 1,…, K-1, n=1, 2,…, NY n [k] = H n [k] X [k] + N n [k], k = 0, 1,... , K-1, n = 1, 2,... , N

여기서, K는 OFDM 신호의 부반송파 개수를 의미하고, k는 부반송파 인덱스를 의미하고, n은 수신 안테나 인덱스를 의미하고, N은 수신 안테나 개수를 의미하고, Hn[k]는 n번째 수신 안테나의 k번째 부반송파의 주파수 영역 채널 값을 의미하고, X[k]는 k번째 부반송파의 송신 신호를 의미하고, Nn[k]는 평균 전력이 N0인 가산성 백색잡음(AWGN: additive white Gaussian noise)을 의미하고, Yn[k]는 n번째 수신 안테나로 수신되는 k번째 부반송파 신호를 의미한다.Here, K means the number of subcarriers of the OFDM signal, k means the subcarrier index, n means the receiving antenna index, N means the number of receiving antennas, H n [k] of the nth receiving antenna The frequency-domain channel value of the k-th subcarrier, X [k] means the transmission signal of the k-th subcarrier, and N n [k] is additive white Gaussian noise with an average power of N 0 . ), And Y n [k] means a k-th subcarrier signal received by the n-th reception antenna.

<수학식 1>에서 도시된 주파수 영역의 채널 값인 Hn[k]는 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.H n [k], which is a channel value of the frequency domain shown in Equation 1, may be expressed as Equation 2.

Figure 112008032535178-pat00001
Figure 112008032535178-pat00001

여기서, L은 다중 경로 개수를 의미하고, hn[l]은 n번째 수신 안테나에 대한 l번째 다중 경로의 채널 값을 의미한다.Here, L means the number of multipaths, and h n [l] means the channel value of the lth multipath for the nth reception antenna.

이때, hn[l]이 E{|hn[l]|2}=σl 2을 만족하고, 각 경로가 독립적인 경우 행렬로 나타내면 (KⅹN)주파수 영역 채널 행렬

Figure 112008032535178-pat00002
는 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, σl 2은 주파수 영역 채널 행렬에 대한 상관 행렬의 고유 값들을 의미하는 동시에 l번째 다중 경로의 평균 채널 이득을 의미한다.Where h n [l] is E {| h n [l] | 2 } = σ l 2 , and if each path is independent, then expressed as a matrix, the (KⅹN) frequency domain channel matrix
Figure 112008032535178-pat00002
Can be expressed as shown in Equation 3. Here, σ l 2 denotes the intrinsic values of the correlation matrix for the frequency domain channel matrix and the mean channel gain of the l-th multipath.

Figure 112008032535178-pat00003
Figure 112008032535178-pat00003

여기서,

Figure 112008032535178-pat00004
는 주파수 영역 채널 행렬
Figure 112008032535178-pat00005
에 대한 상관 행렬의 고유벡터(eigenvector)로 이루어진 단위행렬인 이산 퓨리에 변환(DFT: discrete Fourier transform) 행렬을 의미하는데,
Figure 112008032535178-pat00006
에 대한 상관 행렬은 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.here,
Figure 112008032535178-pat00004
Is the frequency domain channel matrix
Figure 112008032535178-pat00005
A discrete Fourier transform (DFT) matrix, which is a unit matrix of eigenvectors of the correlation matrix for.
Figure 112008032535178-pat00006
The correlation matrix for may be expressed as Equation 4.

Figure 112008032535178-pat00007
Figure 112008032535178-pat00007

여기서,

Figure 112008032535178-pat00008
는 크기가 (KⅹK)인
Figure 112008032535178-pat00009
의 상관 행렬을 의미하고, ()H는 행렬의 허미시안(Hermitian) 형태를 의미하고,
Figure 112008032535178-pat00010
는 크기가 (KⅹK)인 상관 행렬의 고유값(eigenvalue)들(즉, σl 2)로 이루어진 대각행렬(diagonal matrix)을 의미하고 동시에 채널의 시간 영역의 전력 지연 분포(power delay profile)에서 각 다중 채널의 평균 전력 값과 같다.here,
Figure 112008032535178-pat00008
Is the size (KⅹK)
Figure 112008032535178-pat00009
Means the correlation matrix of, and () H means the Hermitian form of the matrix,
Figure 112008032535178-pat00010
Denotes a diagonal matrix of eigenvalues (i.e., σ l 2 ) of a correlation matrix of size (K 하고 K) and at the same time the power delay profile of the channel's time domain. It is equal to the average power value of multiple channels.

이런 초기 채널 추정부(110)는 최소 제곱(LS: Least Square) 채널 추정 방식을 이용하여 초기 채널 값을 추정할 수 있는데, 송신 신호 X[k]가 모든 주파수 영역 즉, 모든 부반송파에 파일럿 신호가 포함되어 있는 경우, X[k]를 송신하는 송신단 및 X[k]를 수신하는 수신단에서 파일럿 신호를 이미 알고 있기 때문에 초기 채 널 추정부(110)에 의해 추정되는 초기 채널 행렬

Figure 112008032535178-pat00011
는 <수학식 5>와 같이 나타낼 수 있다.The initial channel estimator 110 estimates an initial channel value by using a least square (LS) channel estimating scheme, wherein the transmission signal X [k] is in all frequency domains, that is, in all subcarriers. When included, the initial channel matrix estimated by the initial channel estimator 110 because the pilot signal is known at the transmitting end transmitting X [k] and the receiving end receiving X [k].
Figure 112008032535178-pat00011
Can be expressed as shown in Equation 5.

Figure 112008032535178-pat00012
Figure 112008032535178-pat00012

Figure 112008032535178-pat00013
Figure 112008032535178-pat00013

여기서,

Figure 112008032535178-pat00014
는 행렬
Figure 112008032535178-pat00015
의 i번째 행, j번째 열의 값을 의미한다.here,
Figure 112008032535178-pat00014
Is a matrix
Figure 112008032535178-pat00015
The i-th row and j-th column of the value.

직교 변환부(120)는 초기 채널 추정부(110)에 의해 추정된 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 초기 채널 값을 주파수 영역 및 공간 영역 직교 변환하여 직교 변환 값을 생성한다.The orthogonal transform unit 120 generates an orthogonal transform value by orthogonally transforming the subcarrier estimated by the initial channel estimator 110 and initial channel values for each of the multiple reception antennas.

여기서, 주파수 영역 직교 변환은 역 고속 퓨리에 변환(IFFT: Inverse Fast Fourier Transform) 모듈에 의해 수행될 수 있다. 즉, 직교 변환부(120)는 IFFT 모듈을 포함할 수 있다.Here, the frequency domain orthogonal transformation may be performed by an Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) module. That is, the orthogonal transform unit 120 may include an IFFT module.

먼저, 직교 변환부(120)는 도 2에 도시된 일 예와 같이, 추정된 초기 채널 값들을 주파수 영역 직교 변환하여 주파수 영역 직교 변환 값들을 생성한다. 즉, 직교 변환부(120)는 초기 채널 추정부(110)에 의해 추정된 초기 채널 값인 채널 평균 전력 및 배경 잡음 전력을 역 고속 퓨리에 변환함으로써, 주파수 영역 직교 변 환한다. First, the orthogonal transform unit 120 generates frequency-domain orthogonal transform values by performing frequency-domain orthogonal transform on the estimated initial channel values, as in the example shown in FIG. 2. That is, the orthogonal transform unit 120 performs inverse fast Fourier transform on the channel average power and the background noise power, which are initial channel values estimated by the initial channel estimator 110, to perform frequency domain orthogonal transform.

예컨대, 직교 변환부(120)는 초기 채널 값이 LS 채널 추정 방식에 의해 추정되는 경우, 초기 채널 행렬

Figure 112008032535178-pat00016
를 주파수 영역 직교 변환하여 주파수 영역 직교 변환 행렬을 생성한다.For example, the orthogonal transform unit 120 may determine the initial channel matrix when the initial channel value is estimated by the LS channel estimation method.
Figure 112008032535178-pat00016
Is a frequency domain orthogonal transformation to generate a frequency domain orthogonal transformation matrix.

이때, 주파수 영역 직교 변환 행렬

Figure 112008032535178-pat00017
은 <수학식 6>과 같이 나타낼 수 있다.Where the frequency-domain orthogonal transformation matrix
Figure 112008032535178-pat00017
Can be expressed as shown in Equation 6.

Figure 112008032535178-pat00018
Figure 112008032535178-pat00018

여기서,

Figure 112008032535178-pat00019
은 (LⅹN) 행렬이고,
Figure 112008032535178-pat00020
는 상술한 <수학식 3>에서 설명한 바와 같이, 주파수 영역 채널 행렬
Figure 112008032535178-pat00021
에 대한 상관 행렬의 고유벡터로 이루어진 단위행렬인 이산 퓨리에 변환 행렬을 의미한다. 이때,
Figure 112008032535178-pat00022
를 곱하는 과정은 고속 퓨리에 변환 연산 과정을 통해 구현 가능하다.here,
Figure 112008032535178-pat00019
Is the (LⅹN) matrix,
Figure 112008032535178-pat00020
Is a frequency-domain channel matrix as described in Equation 3 above.
Figure 112008032535178-pat00021
A discrete Fourier transform matrix, which is a unit matrix of eigenvectors of a correlation matrix for. At this time,
Figure 112008032535178-pat00022
The multiplication process can be implemented by fast Fourier transform operation.

직교 변환부(120)는 주파수 영역 직교 변환 값이 생성되면 도 3에 도시된 일 예와 같이, 주파수 영역 직교 변환 값을 공간 영역 직교 변환하여 직교 변환 값을 생성한다.When the orthogonal transform unit 120 generates a frequency domain orthogonal transform value, the orthogonal transform unit 120 generates a orthogonal transform value by performing a spatial domain orthogonal transform on the frequency domain orthogonal transform value as shown in FIG. 3.

예컨대, 직교 변환부(120)는 <수학식 6>에 의해 생성된 주파수 영역 직교 변 환 행렬

Figure 112008032535178-pat00023
을 공간 영역 직교 변환하여 직교 변환 행렬을 생성하는데, 공간 영역 직교 변환에 의해 생성된 직교 변환 행렬
Figure 112008032535178-pat00024
은 <수학식 7>과 같이 나타낼 수 있다.For example, the orthogonal transformation unit 120 is a frequency domain orthogonal transformation matrix generated by Equation (6).
Figure 112008032535178-pat00023
Is orthogonal transform matrix to generate an orthogonal transformation matrix.
Figure 112008032535178-pat00024
Can be expressed as shown in Equation 7.

Figure 112008032535178-pat00025
Figure 112008032535178-pat00025

여기서,

Figure 112008032535178-pat00026
는 공간 영역에서의 초기 채널 행렬에 대한 상관 행렬의 고유벡터들로 이루어진 단위행렬을 의미하고,
Figure 112008032535178-pat00027
의 각 원소는 무상관되어 있으며
Figure 112008032535178-pat00028
의 전력은
Figure 112008032535178-pat00029
와 같다.here,
Figure 112008032535178-pat00026
Denotes a unit matrix of eigenvectors of the correlation matrix with respect to the initial channel matrix in the spatial domain,
Figure 112008032535178-pat00027
Each element of is unrelated
Figure 112008032535178-pat00028
Power of
Figure 112008032535178-pat00029
Same as

이때, 공간 영역에서의 초기 채널 행렬에 대한 상관 행렬은 <수학식 8>과 같이 나타낼 수 있다.In this case, the correlation matrix for the initial channel matrix in the spatial domain may be expressed as Equation (8).

Figure 112008032535178-pat00030
Figure 112008032535178-pat00030

여기서,

Figure 112008032535178-pat00031
는 상관 행렬
Figure 112008032535178-pat00032
의 고유값들로 이루어진 대각행 렬을 의미한다.here,
Figure 112008032535178-pat00031
Is a correlation matrix
Figure 112008032535178-pat00032
A diagonal matrix of eigenvalues.

물론, 초기 채널 추정부(110)가 LS 채널 추정 방식을 이용하여 초기 채널 행렬을 추정하는 경우 <수학식 8>에서의

Figure 112008032535178-pat00033
Figure 112008032535178-pat00034
인 것이 바람직하다.Of course, when the initial channel estimator 110 estimates the initial channel matrix using the LS channel estimation method,
Figure 112008032535178-pat00033
Is
Figure 112008032535178-pat00034
Is preferably.

여기서, 직교 변환부(120)에 대한 동작을 주파수 영역 직교 변환 및 공간 영역 직교 변환을 순차적으로 수행하는 것으로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며 공간 영역 직교 변환을 수행한 후 주파수 영역 직교 변환을 수행할 수도 있다.Here, the operation of the orthogonal transform unit 120 has been described as sequentially performing the frequency domain orthogonal transformation and the spatial domain orthogonal transformation. However, the present invention is not limited thereto and the frequency domain orthogonal transformation may be performed after performing the spatial domain orthogonal transformation. It may be.

대체부(130)는 직교 변환부(120)에 의해 생성된 직교 변환 값들 중 상위 값을 갖는 일정 개수 예를 들어, P개의 직교 변환 값들을 선택하고, 나머지 직교 변환 값들 즉, 하위 값의 직교 변환 값들을 "0"으로 대체한다. 즉, 대체부(130)는 LN개의 직교 변환 값들 중 평균 채널 전력이 가장 큰 값부터 순차적으로 P개만을 남기고 나머지를 "0"으로 대체한다.The replacement unit 130 selects a predetermined number, for example, P orthogonal transform values having an upper value among the orthogonal transform values generated by the orthogonal transform unit 120, and selects the remaining orthogonal transform values, that is, the orthogonal transform of the lower values. Replace the values with "0". That is, the replacement unit 130 sequentially leaves only P, starting from the largest average channel power among the LN orthogonal conversion values, and replaces the rest with "0".

대체부(130)에 의해 소정 개수(LN-P)의 직교 변환 값들이 "0"으로 대체된 직교 변환 행렬

Figure 112008032535178-pat00035
은 <수학식 9>와 같이 나타낼 수 있다.An orthogonal transformation matrix in which a predetermined number (LN-P) orthogonal transformation values are replaced with "0" by the replacement unit 130.
Figure 112008032535178-pat00035
Can be expressed as shown in Equation 9.

Figure 112008032535178-pat00036
Figure 112008032535178-pat00036

Figure 112008032535178-pat00037
Figure 112008032535178-pat00037

여기서,

Figure 112008032535178-pat00038
는 모든
Figure 112008032535178-pat00039
중 P번째로 큰 수를 의미하고, i=1, 2,…, L이고, j=1, 2,…, N이다.here,
Figure 112008032535178-pat00038
Is all
Figure 112008032535178-pat00039
Means the P-th largest number, i = 1, 2,... , L, j = 1, 2,... , N.

도 4를 참조하여 대체부(130) 동작에 대해 조금 더 설명하면, 대체부(130)는 직교 변환부(120)에 의해 생성된 직교 변환 값들 중 상위 값을 갖는 채널 값 주 영역(실선 영역)과 하위 값을 갖는 배경잡음 주 영역(점선 영역)을 <수학식 9>를 통해 구분한 후 배경잡음 주 영역에 해당하는 직교 변환 값들을 "0"으로 대체한다.Referring to FIG. 4, the substitute unit 130 will be described in more detail. The substitute unit 130 may have a channel value main region (solid line region) having a higher value among the orthogonal transform values generated by the orthogonal transform unit 120. After dividing the main background noise area (dotted area) having the lower and lower values through <Equation 9>, the orthogonal transformation values corresponding to the main background noise area are replaced with "0".

최종 채널 추정부(140)는 대체부(130)에 의해 대체된 직교 변환 값들을 공간 영역 직교 역변환 및 주파수 영역 직교 역변환을 수행하여 최종 채널 값을 추정한다. 이때, 최종 채널 추정부(140)는 직교 변환부(120)가 초기 채널 값을 공간 영역 직교 변환 및 주파수 영역 직교 변환을 순차적으로 수행하는 경우 주파수 영역 직교 역변환 및 공간 영역 직교 역변환을 순차적으로 수행하여 최종 채널 값을 추정하는 것이 바람직하다.The final channel estimator 140 estimates the final channel value by performing spatial domain orthogonal inverse transform and frequency domain orthogonal inverse transform on the orthogonal transform values replaced by the substitute unit 130. In this case, the final channel estimator 140 sequentially performs the frequency domain orthogonal inverse transform and the spatial domain orthogonal inverse transform when the orthogonal transform unit 120 performs spatial domain orthogonal transform and frequency domain orthogonal transform on the initial channel values. It is desirable to estimate the final channel value.

이때, 최종 채널 추정부(140)는 고속 퓨리에 변환(FFT) 모듈을 이용하여 주파수 영역 직교 역변환을 수행할 수 있다. 물론, 최종 채널 추정부(140)는 FFT 모듈을 통해 주파수 영역 직교 역변환을 수행하는 것으로 한정되는 것은 아니며, 직교 변환부(120)에서 주파수 영역 직교 변환을 수행하는 방식에 따라 달라질 수 있다.In this case, the final channel estimator 140 may perform frequency-domain orthogonal inverse transform using a fast Fourier transform (FFT) module. Of course, the final channel estimator 140 is not limited to performing the frequency domain orthogonal inverse transform through the FFT module, and may vary according to the method of performing the frequency domain orthogonal transformation in the orthogonal transform unit 120.

이런, 최종 채널 추정부(140)는 대체부(130)에 의해 대체된 직교 변환 행렬

Figure 112008032535178-pat00040
을 <수학식 10>을 이용하여 공간 영역 직교 역변환한 후 <수학식 11>을 이용하여 주파수 영역 직교 역변환을 수행하여 최종 채널 행렬을 추정한다.This, final channel estimator 140 is an orthogonal transformation matrix replaced by substitute 130.
Figure 112008032535178-pat00040
After the spatial domain orthogonal inverse transform using Equation 10, the frequency channel orthogonal inverse transform is performed using Equation 11 to estimate the final channel matrix.

Figure 112008032535178-pat00041
Figure 112008032535178-pat00041

여기서,

Figure 112008032535178-pat00042
는 대체된 직교 변환 행렬
Figure 112008032535178-pat00043
을 공간 영역 직교 역변환하여 생성된 행렬을 의미한다.here,
Figure 112008032535178-pat00042
Is an orthogonal transformation matrix
Figure 112008032535178-pat00043
Denotes a matrix generated by inverse transform of the spatial domain.

Figure 112008032535178-pat00044
Figure 112008032535178-pat00044

여기서,

Figure 112008032535178-pat00045
Figure 112008032535178-pat00046
을 주파수 영역 직교 역변환하여 추정된 최종 채널 행렬을 의미한다.here,
Figure 112008032535178-pat00045
Is
Figure 112008032535178-pat00046
Denotes the final channel matrix estimated by inverse transform of the frequency domain.

이때, 최종 채널 추정부(140)에 의해 추정된 최종 채널 값은 도 4에 도시된 바와 같이, 상술한 <수학식 9>에 의해 정해진 개수 P만큼 만이 공간 영역 및 주파수 영역 직교 역변환되기 때문에 배경 잡음도 감소하는 반면 어느 정도의 채널 왜곡이 발생할 수도 있다.In this case, since the final channel value estimated by the final channel estimator 140 is orthogonally inversely transformed into the spatial domain and the frequency domain by the number P determined by Equation (9), as shown in FIG. While also decreasing, some channel distortion may occur.

즉, 최종 채널 추정부(140)에 의해 추정되는 최종 채널 값은 주파수 영역 뿐만 아니라 공간 영역까지 동시에 고려하여 설정된, 채널 값 주 영역 및 배경잡음 주 영역을 구분하는 최적의 구간 경계 값인 P 즉, 직교 변환 값들 중 상위 값 개수에 따라 달라질 수 있는데, 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있도록 최적의 P 값을 계산하는 것이 바람직하다.In other words, the final channel value estimated by the final channel estimator 140 is P, orthogonal, which is an optimal interval boundary value for distinguishing the main channel value region and the main background noise region, which are set in consideration of not only the frequency domain but also the spatial domain at the same time. Depending on the number of higher values among the transform values, it is desirable to calculate an optimal P value to improve channel estimation performance.

여기서, 최적의 P 값은 대체부(130)에 의해 계산될 수도 있고, 또 다른 블록을 추가적으로 구성하여 계산할 수도 있는데, 최적의 P인 Popt는 일 예로, 평균 제곱 오차(MSE: mean square error) 채널 추정 성능을 기초로 계산될 수 있다.Here, the optimal P value may be calculated by the replacement unit 130 or may be calculated by additionally configuring another block. The optimal P Popt may be, for example, mean square error (MSE). It can be calculated based on the channel estimation performance.

이때, 평균 제곱 오차 채널 추정 성능 mse(P)는 <수학식 12>와 같이 나타낼 수 있다.In this case, the mean square error channel estimation performance mse (P) may be expressed as Equation 12.

Figure 112008032535178-pat00047
Figure 112008032535178-pat00047

여기서, SNR은 신호 대 잡음비를 의미하고,

Figure 112008032535178-pat00048
는 σ1 2λ1 2부터 σL 2λN 2까지의 값들을 큰 값부터 재배열하여 얻어지는 값으로 1부터 L 중 어느 하나의 수를 의미하고,
Figure 112008032535178-pat00049
는 σ1 2λ1 2부터 σL 2λN 2까지의 값들을 큰 값부터 재배열하여 얻어지는 값으로 1부터 N 중 어느 하나의 수를 의미한다. 즉, i≥j인 경우
Figure 112008032535178-pat00050
을 만족한다.Here, SNR means signal-to-noise ratio,
Figure 112008032535178-pat00048
Is a value obtained by rearranging values from σ 1 2 λ 1 2 to σ L 2 λ N 2 from a large value, and means a number of 1 to L,
Figure 112008032535178-pat00049
Is a value obtained by rearranging the values of σ 1 2 λ 1 2 to σ L 2 λ N 2 from a large value, and represents a number of 1 to N. That is, if i≥j
Figure 112008032535178-pat00050
To satisfy.

<수학식 12>에서, 첫 번째 부분은 채널 전력 샘플이 잘리면서 생기는 오차를 나타내고, 두 번째 부분은 <수학식 9>에 의해 잘라진 후 남아있는 잡음에 의한 오차를 나타낸다. <수학식 12>을 통해 알 수 있듯이, P 값이 작으면 잡음 영향이 줄어드는 반면 채널 신호가 담겨 있는 부분의 전력이 많이 잘려 나가므로 신호의 왜곡이 커지고, 반대로 P 값이 크면 채널 신호의 왜곡은 없지만 잡음 억제 효과는 줄어들 수 있다.In Equation 12, the first part represents an error caused by truncation of the channel power sample, and the second part represents an error due to noise remaining after being cut by Equation 9. As can be seen from Equation 12, the smaller the P value, the less the effect of noise, while the power of the portion containing the channel signal is cut off a lot, so the distortion of the signal becomes larger. However, the noise suppression effect can be reduced.

따라서, 이러한 잡음 전력 억제와 신호 왜곡 사이의 타협점(trade-off)을 감안하여 최적의 P값인 Popt를 구하는 것이 바람직하며, Popt는 <수학식 13>에 의해 구해질 수 있다.Thus, it is in view of the above noise power suppression as a compromise (trade-off) between the signal distortion to obtain the optimum value of P P opt preferably, P opt may be obtained by the <Equation 13>.

Figure 112008032535178-pat00051
Figure 112008032535178-pat00051

<수학식 13>에서 알 수 있듯이, Popt는 모든 P 값 즉, 1, 2,…, LN 중 평균 제곱 오차 채널 추정 성능이 최소가 되는 P 값인 것을 알 수 있다.As can be seen from Equation 13, P opt represents all P values, that is, 1, 2,... It can be seen that the mean square error channel estimation performance among the LNs is the P value that is the minimum.

이렇듯, 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 장치는 주파수 영역 및 공간 영역 직교 변환된 직교 변환 값들을 채널 값 주 영역과 배경잡음 주 영역으로 구분하는 최적의 P 값을 계산함으로써, 채널 신호의 왜곡 및 잡음 억제 효과를 적절하게 고려하여 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, the channel estimating apparatus according to an embodiment of the present invention calculates an optimal P value for dividing the orthogonal transform values of the frequency domain and the spatial domain orthogonal transform into a channel value main region and a background noise main region, thereby causing distortion of the channel signal. And channel estimation performance can be improved by properly considering the noise suppression effect.

비록, 본 발명의 일 실시예에서 SIMO-OFDM 환경에 대해 설명하였지만, MIMO-OFDM 환경에서도 적용될 수 있다는 것은 자명하다. 즉, MIMO-OFDM 환경에서는 각각의 송신 안테나에 대한 모든 수신 안테나 간에 본 발명의 일 실시예에서 상술한 SIMO-OFDM 환경의 주파수 및 공간 영역 직교 변환 채널 추정 기법이 병렬로 이루어지게 된다.Although the SIMO-OFDM environment has been described in an embodiment of the present invention, it is obvious that the present invention can be applied to the MIMO-OFDM environment. That is, in the MIMO-OFDM environment, the frequency and spatial domain orthogonal transform channel estimation techniques of the SIMO-OFDM environment described above in parallel with each other are performed in parallel between all reception antennas for each transmission antenna.

또한, 도 1에 도시한 본 발명의 일 실시예에서, 직교 변환부(120)가 주파수 영역 직교 변환을 수행한 후 공간 영역 직교 변환을 수행하는 것으로 설명하지만, 공간 영역 직교 변환을 수행한 후 주파수 영역 직교 변환을 수행할 수도 있다는 것은 자명하다. 물론, 공간 영역 및 주파수 영역 직교 변환이 순차적으로 수행되는 경우, 최종 채널 추정부(140)는 주파수 영역 직교 역변환 및 공간 영역 직교 역변환을 순차적으로 수행하는 것이 바람직하다.In addition, in the embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1, although the orthogonal transform unit 120 performs the spatial domain orthogonal transformation after performing the frequency domain orthogonal transformation, the frequency after performing the spatial domain orthogonal transformation is performed. It is obvious that the domain orthogonal transformation may be performed. Of course, when the spatial domain and the frequency domain orthogonal transformation are performed sequentially, the final channel estimator 140 preferably performs the frequency domain orthogonal inverse transformation and the spatial domain orthogonal inverse transformation in sequence.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 방법에 대한 동작 흐름도로서, SIMO-OFDM 환경에서의 동작 흐름도이다.6 is an operation flowchart of a channel estimation method according to an embodiment of the present invention, which is an operation flowchart in a SIMO-OFDM environment.

도 6을 참조하면, 채널 추정 방법은 다중 수신 안테나에서 송신 안테나로부터 전송되는 OFDM 신호를 다중 경로를 통해 수신한다(S610).Referring to FIG. 6, the channel estimation method receives an OFDM signal transmitted from a transmission antenna in a multiple reception antenna through a multipath (S610).

이때, 수신 안테나 각각으로 수신되는 신호는 상술한 <수학식 1>과 같이 표현될 수 있으며, 부반송파 각각은 송신단 및 수신단에서 기 정의된 파일럿 신호를 포함할 수 있다.In this case, a signal received by each of the receiving antennas may be represented by Equation 1, and each of the subcarriers may include a pilot signal predefined at the transmitting end and the receiving end.

다중 수신 안테나 각각으로 OFDM 신호가 수신되면, 수신된 OFDM 신호를 기초로 부반송파 및 수신 안테나 각각에 대한 초기 채널 값을 추정한다(S620).When the OFDM signal is received by each of the multiple reception antennas, an initial channel value for each of the subcarrier and the reception antenna is estimated based on the received OFDM signal (S620).

이때, 초기 채널 값은 LS 채널 추정 방식에 의해 추정될 수 있는데, LS 채널 추정 방식에 의해 추정된 초기 채널 행렬은 상술한 <수학식 5>와 같이 나타낼 수 있다.In this case, the initial channel value may be estimated by the LS channel estimation method, and the initial channel matrix estimated by the LS channel estimation method may be represented by Equation 5 described above.

추정된 초기 채널 값 즉, 초기 채널 행렬을 주파수 영역 직교 변환 및 공간 영역 직교 변환을 순차적으로 수행하여 직교 변환 행렬을 생성한다(S630, S640).An orthogonal transformation matrix is generated by sequentially performing an estimated initial channel value, that is, an initial channel matrix and a frequency domain orthogonal transformation and a spatial domain orthogonal transformation (S630 and S640).

이때, 초기 채널 행렬은 IFFT에 의해 주파수 영역 직교 변환될 수 있으며, 직교 변환 행렬은 상술한 <수학식 6> 및 <수학식 7>에 의해 생성될 수 있다.In this case, the initial channel matrix may be orthogonally transformed by the frequency domain by the IFFT, and the orthogonal transformation matrix may be generated by Equations 6 and 7 described above.

직교 변환 행렬이 생성되면, 직교 변환 행렬을 구성하는 직교 변환 값들 중 일정 개수의 상위 값을 제외한 나머지 값들을 "0"으로 대체한다(S650).When the orthogonal transformation matrix is generated, other values except for a predetermined number of upper values among the orthogonal transformation values constituting the orthogonal transformation matrix are replaced with "0" (S650).

예컨대, 다중 경로가 L개이고, 수신 안테나 개수가 N개인 경우 LN개의 직교 변환 값들 중 평균 채널 전력이 가장 큰 값부터 P개를 선택하고, 나머지 값을 "0"으로 대체한다. 일 예로, 상술한 <수학식 9>를 이용하여 직교 변환 값들 중 배경잡음 주 영역에 해당하는 직교 변환 값들을 "0"으로 대체한다.For example, when there are L multipaths and N receive antennas, P is selected from the LN orthogonal transform values having the largest average channel power, and the remaining values are replaced with "0". For example, by using Equation 9, the orthogonal transform values corresponding to the background noise main region among the orthogonal transform values are replaced with "0".

본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 방법은 주파수 영역 직교 변환 뿐 아니라 공간 영역 직교 변환을 수행한 후 초기 채널 값들 중 배경잡음 주 영역에 해당하는 값들을 "0"으로 대체함으로써, 안테나 상관을 고려함과 아울러 배경 잡음을 제거하여 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있다.In the channel estimation method according to an embodiment of the present invention, after performing the spatial domain orthogonal transformation as well as the frequency domain orthogonal transformation, the antenna correlation is considered by replacing the values corresponding to the background noise main region among the initial channel values with "0". In addition, channel estimation performance can be improved by removing background noise.

이때, "0"으로 대체되는 직교 변환 값들의 개수 즉, 채널 값 주 영역에 해당하는 직교 변환 값들의 개수(P)는 채널 왜곡 및 배경잡음 제거의 두 측면을 고려하여 적절한 값으로 선택될 수 있는데, 이를 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.At this time, the number of orthogonal transform values replaced with "0", that is, the number of orthogonal transform values P corresponding to the main region of the channel value may be selected as an appropriate value in consideration of two aspects of channel distortion and background noise removal. This will be described with reference to FIG. 7.

도 7은 도 6에 도시된 단계 S650에 대한 일 실시예 동작 흐름도로서, 채널 값 주 영역에 해당하는 최적의 직교 변환 값들의 개수(Popt)를 계산한다(S710).FIG. 7 is a flowchart illustrating an embodiment of operation S650 of FIG. 6, in which an optimal number of orthogonal transform values P opt corresponding to a channel value main region is calculated (S710).

이때, 최적의 P 값은 일 예료, 평균 제곱 오차(MSE: mean square error) 채널 추정 성능을 기초로 계산될 수 있으며, 일 예로 상술한 <수학식 13>을 이용하여 계산될 수 있다.In this case, the optimal P value may be calculated based on a pre-payment, mean square error (MSE) channel estimation performance, and may be calculated using, for example, Equation 13 described above.

단계 S710에 의해 계산된 최적의 P 값을 기초로 직교 변환 값들 즉, 채널 평균 전력 값들 중 최적의 P 개수에 해당하는 상위 값을 제외한 나머지 값들을 "0"으로 대체한다(S720).Based on the optimum P value calculated in step S710, the remaining values except for the upper value corresponding to the optimal number of P among the orthogonal conversion values, that is, the channel average power values, are replaced with "0" (S720).

이와 같이, 최적의 P 값을 이용하여 채널 값 주 영역 및 배경잡음 주 영역을 구분함으로써, 채널 왜곡 및 배경잡음 감소를 적절하게 고려하여 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있다.As such, by distinguishing the channel value main region and the background noise main region by using the optimal P value, channel estimation performance can be improved by properly considering channel distortion and background noise reduction.

다시 도 6을 참조하여, 배경잡음 주 영역에 해당하는 직교 변환 값들이 "0"으로 대체되면 대체된 직교 변환 행렬에 대해 공간 영역 직교 역변환 및 주파수 영역 직교 역변환을 수행함으로써, 최종 채널 행렬을 추정한다(S660, S670).Referring back to FIG. 6, when the orthogonal transform values corresponding to the background noise main region are replaced with "0", the final channel matrix is estimated by performing the spatial domain orthogonal inverse transform and the frequency domain orthogonal inverse transform on the replaced orthogonal transformation matrix. (S660, S670).

여기서, 주파수 영역 직교 역변환은 FFT에 의해 수행될 수 있고, 최종 채널 행렬은 상술한 <수학식 10> 및 <수학식 11>에 의해 추정될 수 있다.Here, the frequency domain orthogonal inverse transform may be performed by the FFT, and the final channel matrix may be estimated by Equations 10 and 11 described above.

상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 방법에서 주파수 영역 및 공간 영역 직교 변환을 순차적으로 수행하였지만, 이에 한정하지 않고 공간 영역 및 주파수 영역 직교 변환으로 바뀌어서 순차적으로 수행할 수도 있다. 물론, 공간 영역 및 주파수 영역 직교 변환을 순차적으로 수행하는 경우 주파수 영역 및 공간 영역 직교 역변환을 순차적으로 수행하는 것이 자명하다.In the above-described channel estimation method according to the embodiment of the present invention, the frequency domain and the spatial domain orthogonal transformation are sequentially performed, but the present invention is not limited thereto. Of course, when the spatial domain and the frequency domain orthogonal transformation are sequentially performed, it is obvious that the frequency domain and the spatial domain orthogonal inverse transformation are performed sequentially.

이와 같은 과정을 통해 수행되는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 방법은 SISO-OFDM 환경 뿐 아니라 MIMO-OFDM 환경에서도 적용할 수 있으며, 이로써 다중 수신 안테나를 사용하는 환경에서 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있다.The channel estimation method according to an embodiment of the present invention performed through the above process can be applied not only to the SISO-OFDM environment but also to the MIMO-OFDM environment, thereby improving channel estimation performance in an environment using multiple reception antennas. Can be.

본 발명에 의한, 무선 통신 시스템에서 주파수 및 공간 영역 직교 변환을 이용한 채널 추정 장치 및 그 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태 변형, 응용 가능하며 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.The apparatus and method for estimating a channel using frequency and spatial domain orthogonal transformation in a wireless communication system according to the present invention can be variously modified and applied within the scope of the technical idea of the present invention, and are not limited to the above embodiments. In addition, the embodiments and drawings are merely for the purpose of describing the contents of the invention in detail, not intended to limit the scope of the technical idea of the invention, the present invention described above is common knowledge in the technical field to which the present invention belongs As those skilled in the art can have various substitutions, modifications, and changes without departing from the spirit of the present invention, it is not limited to the embodiments and the accompanying drawings. And should be judged to include equality.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 장치에 대한 구성도이다.1 is a block diagram of a channel estimating apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 영역 직교 변환에 대한 일 예시도이다.2 is an exemplary diagram for a frequency domain orthogonal transformation according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 영역 직교 변환에 대한 일 예시도이다.3 is an exemplary diagram for a spatial domain orthogonal transformation according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 "0" 대체에 대한 일 예시도이다.4 is an exemplary diagram for "0" replacement according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 영역 및 주파수 영역 직교 역변환에 대한 일 예시도이다.5 is an exemplary diagram for a spatial domain and a frequency domain quadrature inverse transform according to an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 방법에 대한 동작 흐름도이다.6 is an operation flowchart of a channel estimation method according to an embodiment of the present invention.

도 7은 도 6에 도시된 단계 S650에 대한 일 실시예 동작 흐름도이다.FIG. 7 is a flowchart of an embodiment operation of step S650 illustrated in FIG. 6.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

110: 초기 채널 추정부110: initial channel estimator

120: 직교 변환부120: orthogonal transform unit

130: 대체부130: replacement

140: 최종 채널 추정부140: final channel estimator

Claims (12)

다중 수신 안테나를 사용하는 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 기반의 무선 통신 시스템에서 주파수 및 공간 영역 직교 변환을 이용한 채널 추정 방법에 있어서,A channel estimation method using frequency and spatial domain orthogonal transformation in an orthogonal frequency division multiplex (OFDM) based wireless communication system using multiple reception antennas, 상기 다중 수신 안테나로 수신된 OFDM 신호를 기초로 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 초기 채널 값을 추정하는 단계;Estimating a subcarrier and an initial channel value for each of the multiple receive antennas based on the OFDM signal received by the multiple receive antennas; 상기 초기 채널 값을 주파수 영역 및 공간 영역으로 직교 변환하여 직교 변환 값을 생성하는 단계;Generating an orthogonal transform value by orthogonally transforming the initial channel value into a frequency domain and a spatial domain; 생성된 직교 변환 값들 중 값의 크기에 따른 일정 개수의 하위 값을 "0"으로 대체하는 단계; 및Replacing a predetermined number of lower values according to the magnitude of the generated orthogonal transformation values with "0"; And 상기 일정 개수의 "0"을 포함하는 상기 직교 변환 값들을 공간 영역 및 주파수 영역으로 직교 역변환하여 상기 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 최종 채널 값을 추정하는 단계Estimating orthogonal inverse transform values including the predetermined number of zeros into a spatial domain and a frequency domain to estimate a final channel value for each of the subcarriers and the multiple receive antennas; 를 포함하는 채널 추정 방법.Channel estimation method comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 초기 채널 값을 추정하는 단계는Estimating the initial channel value 상기 부반송파 각각에 포함된 파일럿 신호를 기초로 상기 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 상기 초기 채널 값을 추정하는 채널 추정 방법.And estimating the initial channel values for each of the subcarriers and the multiple receive antennas based on pilot signals included in each of the subcarriers. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 초기 채널 값을 추정하는 단계는Estimating the initial channel value 최소 제곱(LS) 채널 추정 방식을 이용하여 상기 초기 채널 값을 추정하는 채널 추정 방법.A channel estimation method for estimating the initial channel value using a least squares (LS) channel estimation method. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 직교 변환 값을 생성하는 단계는Generating the orthogonal transformation value 하기 <수학식 1> 및 <수학식 2>에 의해 생성되는 채널 추정 방법.A channel estimation method generated by Equations 1 and 2 below. <수학식 1><Equation 1>
Figure 112008032535178-pat00052
Figure 112008032535178-pat00052
여기서,
Figure 112008032535178-pat00053
는 주파수 영역 직교 변환 행렬,
Figure 112008032535178-pat00054
는 초기 채널 추정 행렬,
Figure 112008032535178-pat00055
는 상기
Figure 112008032535178-pat00056
의 주파수 영역 상관 행렬의 고유벡터로 이루어진 단위행렬, ()H는 행렬의 허미시안(Hermitian) 형태를 의미한다.
here,
Figure 112008032535178-pat00053
Is a frequency domain orthogonal transformation matrix,
Figure 112008032535178-pat00054
Is the initial channel estimation matrix,
Figure 112008032535178-pat00055
Above
Figure 112008032535178-pat00056
The unit matrix consisting of the eigenvectors of the frequency domain correlation matrix of () H denotes the Hermitian form of the matrix.
<수학식 2><Equation 2>
Figure 112008032535178-pat00057
Figure 112008032535178-pat00057
여기서,
Figure 112008032535178-pat00058
은 공간 영역 직교 변환 행렬로서 상기 직교 변환 값을 포함하는 직교 변환 행렬,
Figure 112008032535178-pat00059
는 공간 영역 상관 행렬의 고유벡터로 이루어진 단위행렬을 의미한다.
here,
Figure 112008032535178-pat00058
Is an orthogonal transformation matrix containing the orthogonal transformation value as a spatial domain orthogonal transformation matrix,
Figure 112008032535178-pat00059
Denotes a unit matrix composed of eigenvectors of a spatial domain correlation matrix.
다중 수신 안테나를 사용하는 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 기반의 무선 통신 시스템에서 주파수 및 공간 영역 직교 변환을 이용한 채널 추정 방법에 있어서,A channel estimation method using frequency and spatial domain orthogonal transformation in an orthogonal frequency division multiplex (OFDM) based wireless communication system using multiple reception antennas, 상기 다중 수신 안테나로 수신된 OFDM 신호를 기초로 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 초기 채널 값을 추정하는 단계;Estimating a subcarrier and an initial channel value for each of the multiple receive antennas based on the OFDM signal received by the multiple receive antennas; 상기 초기 채널 값을 주파수 영역 및 공간 영역으로 직교 변환하여 직교 변환 값을 생성하는 단계;Generating an orthogonal transform value by orthogonally transforming the initial channel value into a frequency domain and a spatial domain; 생성된 직교 변환 값들의 최적 개수를 계산하는 단계;Calculating an optimal number of generated orthogonal transform values; 상기 직교 변환 값들 중 값의 크기에 따른 상기 최적 개수에 해당하는 상위 값 이외의 직교 변환 값을 "0"으로 대체하는 단계; 및Replacing an orthogonal transform value other than an upper value corresponding to the optimum number according to the magnitude of the value among the orthogonal transform values with "0"; And 상기 "0"을 포함하는 상기 직교 변환 값들을 공간 영역 및 주파수 영역으로 직교 역변환하여 상기 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 최종 채널 값을 추정하는 단계Estimating the orthogonal transform values including "0" by orthogonal inverse transform into a spatial domain and a frequency domain to estimate a final channel value for each of the subcarriers and the multiple receive antennas; 를 포함하는 채널 추정 방법.Channel estimation method comprising a. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 최적 개수를 계산하는 단계는Calculating the optimal number 하기 <수학식3>에 의해 상기 최적 개수가 계산되는 채널 추정 방법.A channel estimation method in which the optimum number is calculated by Equation 3 below. <수학식3><Equation 3>
Figure 112008032535178-pat00060
Figure 112008032535178-pat00060
여기서, Popt는 최적 개수, L은 다중 경로 신호 개수, N은 수신 안테나 개수, K는 부반송파 개수, SNR은 신호 대 잡음비,
Figure 112008032535178-pat00061
는 σ1λ1부터 σLλN까지의 값들을 큰 값부터 재배열하여 얻어지는 값으로 1부터 L 중 하나의 수,
Figure 112008032535178-pat00062
는 σ1λ1부터 σLλN까지의 값들을 큰 값부터 재배열하여 얻어지는 값으로 1부터 N 중 하나의 수, σ는 주파수 영역에서 초기 채널 추정 행렬에 대한 상관 행렬의 고유 값, λ는 공간 영역에서 초기 채널 추정 행렬에 대한 상관 행렬의 고유 값을 의미한다.
Where P opt is the optimal number, L is the number of multipath signals, N is the number of receive antennas, K is the number of subcarriers, SNR is the signal-to-noise ratio,
Figure 112008032535178-pat00061
Is a value obtained by rearranging values from σ 1 λ 1 to σ L λ N from a large value, and the number of 1 to L,
Figure 112008032535178-pat00062
Is a value obtained by rearranging the values from σ 1 λ 1 to σ L λ N from a large value, the number of 1 to N, σ is the eigenvalue of the correlation matrix for the initial channel estimation matrix in the frequency domain, and λ is It means the unique value of the correlation matrix for the initial channel estimation matrix in the spatial domain.
다중 수신 안테나를 사용하는 직교 주파수 분할 다중 기반의 무선 통신 시스템에서 주파수 및 공간 영역 직교 변환을 이용한 채널 추정 장치에 있어서,A channel estimation apparatus using frequency and spatial domain orthogonal transformation in an orthogonal frequency division multiplexing wireless communication system using multiple reception antennas, 상기 다중 수신 안테나로 수신된 OFDM 신호를 기초로 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 초기 채널 값을 추정하는 초기 채널 추정부;An initial channel estimator for estimating a subcarrier and an initial channel value for each of the multiple reception antennas based on the OFDM signal received by the multiple reception antennas; 상기 초기 채널 값을 주파수 영역 및 공간 영역으로 직교 변환하여 직교 변환 값을 생성하는 직교 변환부;An orthogonal transform unit which orthogonally transforms the initial channel value into a frequency domain and a spatial domain to generate an orthogonal transform value; 생성된 직교 변환 값들 중 값의 크기에 따른 일정 개수의 하위 값을 "0"으로 대체하는 대체부; 및A replacement unit for replacing a predetermined number of lower values according to the magnitude of the generated orthogonal transformation values with "0"; And 상기 일정 개수의 "0"을 포함하는 상기 직교 변환 값들을 공간 영역 및 주파수 영역으로 직교 역변환하여 상기 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 최종 채널 값을 추정하는 최종 채널 추정부A final channel estimator for estimating a final channel value for each of the subcarriers and the multiple receive antennas by performing orthogonal inverse transform on the orthogonal transform values including the predetermined number of zeros into a spatial domain and a frequency domain 를 포함하는 채널 추정 장치.Channel estimation apparatus comprising a. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 초기 채널 추정부는The initial channel estimator 상기 부반송파 각각에 포함된 파일럿 신호를 기초로 상기 부반송파 및 상기 다중 수신 안테나 각각에 대한 초기 채널 값을 추정하는 채널 추정 장치.And an initial channel value for each of the subcarriers and the multiple receive antennas based on pilot signals included in each of the subcarriers. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 초기 채널 추정부는The initial channel estimator 최소 제곱(LS) 채널 추정 방식을 이용하여 상기 초기 채널 값을 추정하는 채널 추정 장치.And estimating the initial channel value using a least squares (LS) channel estimation method. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 직교 변환부는The orthogonal transform unit 하기 <수학식 1> 및 <수학식 2>를 이용하여 상기 직교 변환 값을 생성하는 채널 추정 장치.A channel estimating apparatus for generating the orthogonal transform value using Equations 1 and 2 below. <수학식 1><Equation 1>
Figure 112009062580824-pat00063
Figure 112009062580824-pat00063
여기서,
Figure 112009062580824-pat00064
는 주파수 영역 직교 변환 행렬,
Figure 112009062580824-pat00065
는 초기 채널 추정 행렬,
Figure 112009062580824-pat00066
는 상기
Figure 112009062580824-pat00067
의 주파수 영역 상관 행렬의 고유벡터로 이루어진 단위행렬, ()H는 행렬의 허미시안(Hermitian) 형태를 의미한다.
here,
Figure 112009062580824-pat00064
Is a frequency domain orthogonal transformation matrix,
Figure 112009062580824-pat00065
Is the initial channel estimation matrix,
Figure 112009062580824-pat00066
Above
Figure 112009062580824-pat00067
The unit matrix consisting of the eigenvectors of the frequency domain correlation matrix of () H denotes the Hermitian form of the matrix.
<수학식 2><Equation 2>
Figure 112009062580824-pat00068
Figure 112009062580824-pat00068
여기서,
Figure 112009062580824-pat00069
은 공간 영역 직교 변환 행렬로서 상기 직교 변환 값을 포함하는 직교 변환 행렬,
Figure 112009062580824-pat00070
는 공간 영역 상관 행렬의 고유벡터로 이루어진 단위행렬을 의미한다.
here,
Figure 112009062580824-pat00069
Is an orthogonal transformation matrix containing the orthogonal transformation value as a spatial domain orthogonal transformation matrix,
Figure 112009062580824-pat00070
Denotes a unit matrix composed of eigenvectors of a spatial domain correlation matrix.
제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 대체부는The replacement part 상기 직교 변환부에 의해 생성된 상기 직교 변환 값들의 최적 개수를 계산하고, 생성된 상기 직교 변환 값들 중 상기 값의 크기에 따른 상기 직교 변환 값들의 개수와 계산된 상기 최적 개수 차이에 해당하는 개수만큼의 하위 값을 "0"으로 대체하는 채널 추정 장치.The optimal number of orthogonal transform values generated by the orthogonal transform unit is calculated, and the number of orthogonal transform values according to the magnitude of the value among the generated orthogonal transform values and the number corresponding to the calculated optimal number difference is increased. Channel estimation device for substituting a lower value of "0". 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 대체부는The replacement part 하기 <수학식3>에 의해 상기 최적 개수를 계산하는 채널 추정 장치.A channel estimating apparatus for calculating the optimum number by the following equation (3). <수학식3><Equation 3>
Figure 112008032535178-pat00071
Figure 112008032535178-pat00071
여기서, Popt는 최적 개수, L은 다중 경로 신호 개수, N은 수신 안테나 개수, K는 부반송파 개수, SNR은 신호 대 잡음비,
Figure 112008032535178-pat00072
는 σ1λ1부터 σLλN까지의 값들을 큰 값부터 재배열하여 얻어지는 값으로 1부터 L 중 하나의 수,
Figure 112008032535178-pat00073
는 σ1λ1부터 σLλN까지의 값들을 큰 값부터 재배열하여 얻어지는 값으로 1부터 N 중 하나의 수, σ는 주파수 영역에서 초기 채널 추정 행렬에 대한 상관 행렬의 고유 값, λ는 공간 영역에서 초기 채널 추정 행렬에 대한 상관 행렬의 고유 값을 의미한다.
Where P opt is the optimal number, L is the number of multipath signals, N is the number of receive antennas, K is the number of subcarriers, SNR is the signal-to-noise ratio,
Figure 112008032535178-pat00072
Is a value obtained by rearranging values from σ 1 λ 1 to σ L λ N from a large value, and the number of 1 to L,
Figure 112008032535178-pat00073
Is a value obtained by rearranging the values from σ 1 λ 1 to σ L λ N from a large value, the number of 1 to N, σ is the eigenvalue of the correlation matrix for the initial channel estimation matrix in the frequency domain, and λ is It means the unique value of the correlation matrix for the initial channel estimation matrix in the spatial domain.
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